硼對高強度灰鑄鐵氣缸套力學性能的影響

(武漢船舶職業(yè)技術(shù)學院，湖北武漢 430050)

在特殊的工況條件下，高強度鑄鐵的應(yīng)用正在普及，合金化是獲得高強度特殊性能要求鑄鐵的有效途徑。硼鑄鐵是最近應(yīng)用發(fā)展較快的一種新型的耐磨材料，較多應(yīng)用于柴油機氣缸套等零件，為了生產(chǎn)的需要，作者研究了硼對高強度灰鑄鐵氣缸套力學性能的影響。

1 試驗條件和方法

1.1 試驗條件

用于試驗的鑄件是G03型氣缸套，毛坯重量300 kg。采用500 kg中頻爐熔煉，電爐出水溫度>1 450 ℃，澆注溫度>1 300 ℃。鑄型轉(zhuǎn)速>800 rpm。凃?qū)雍穸?.5～3.5 mm。 凃料成分見表1。

表1 凃料成分(%)

1.2 試驗方法

在滿足氣缸套高強度要求的情況下，控制碳當量CE在一定范圍內(nèi)，研究硼含量在0.01%～0.10%范圍內(nèi)變化時對抗拉強度和硬度的影響。

依據(jù)化學成分要求，以生鐵、廢鋼、回爐料、硅鐵(75SiFe)、錳鐵(65MnFe)和硼鐵(20BFe)為原材料，經(jīng)計算配比后，在GWT-0.5型中頻感應(yīng)電爐內(nèi)熔化。

抗拉強度測定：爐前化驗成分合格后，采用包底孕育法進行孕育處理，再澆注拉伸試棒，每組3根，經(jīng)機加工制成Φ20×225 mm拉伸試棒，使用萬能拉伸試驗機ZDM-30t進行拉伸試驗，測定并計算每組3根試棒拉伸強度的平均值，作為試驗數(shù)據(jù)。

硬度的測定：在氣缸套本體距上端面50～80 mm范圍內(nèi)截取環(huán)片，磨平后使用布氏硬度機HB3000在環(huán)片橫截面上打出3個壓痕，查表得出硬度值，試驗結(jié)果均取3次測試的平均值作為試驗數(shù)據(jù)。

2 試驗結(jié)果與分析

試驗結(jié)果測試的數(shù)據(jù)如表2所示。

表2 試驗鐵液化學成分及力學性能

2.1 硼在鑄鐵組織中的存在形式

硼的溶點比較低，在鑄鐵組織中是以硼碳化物的形式存在，呈孤立小塊狀分布，固溶于珠光體基體組織中，是一種硬質(zhì)相。硼是強烈的碳化物形成元素，只要在鑄鐵組織中加0.02%的B，就開始析出含硼碳化物，存在磷含量的情況下，硼碳化物與磷共晶交錯生成特殊斯氏體，同樣以硬質(zhì)相的形式固溶于基體組織中。

2.2 硼含量對抗拉強度的影響

硼含量與抗拉強度的關(guān)系如圖1所示。

圖1 硼含量與抗拉強度關(guān)系

從圖1中可以看出，隨著含硼量的變化，對抗拉強度的影響呈現(xiàn)先升后降的趨勢，在B=0.01%～0.06%時，試樣抗拉強度呈上升的趨勢，在含硼量為0.06%時抗拉強度達到最高點σb=295MPa，隨硼含量繼續(xù)增加，在B=0.06%～0.10%時，抗拉強度反而呈下降的趨勢。這是因為硼是阻礙石墨化的元素，雖然影響不是很明顯，但仍起到一定作用。在硼鑄鐵中，隨著含硼量的增加，石墨片變短、變細，分散度增加，仍可得到A型、B型石墨，且分布均勻，它減少了對基體的割裂作用，珠光體片間距減小，也強化了基體，抗拉強度隨含硼量增加而增大。同時，由于含硼碳化物是一種脆性相，當B>0.06%以后，較多含硼碳化物的出現(xiàn)，使鑄鐵的抗拉強度下降。從硼鑄鐵氣缸套的高強度要求來講，在生產(chǎn)硼鑄鐵氣缸套時，硼含量在0.02%～0.08%范圍內(nèi)時，抗拉強度比較合適。

2.3 硼含量對硬度的影響

從圖2中可以看出，隨著含硼量的增加，氣缸套環(huán)片的硬度呈現(xiàn)上升的趨勢，HB=210～270。這是由于硼在鑄鐵組織中是以硼碳化物的形式存在，而硼碳化物是一種硬質(zhì)相，固溶于珠光體基體組織中，呈孤立小塊狀分布。不僅使試樣橫截面上硬度分布均勻，而且使壁厚、壁薄試樣硬度偏差減小。隨著硼含量的增加，硼碳化物的數(shù)量增多，基體中硼碳化物的支撐作用加強。而硼碳化物的硬度很高，顯微硬度高達HV988～1206，使得鑄鐵的宏觀硬度隨之增大。在硬度增加的同時，機械加工性能顯著惡化，刀具磨損較快，給切削加工造成困難。因此，在硼鑄鐵氣缸套生產(chǎn)時，從機加工性能考慮，硼含量在0.03%～0.06%的范圍內(nèi)時，硬度HB=240～248，切削加工較為理想。

圖2 硼含量與硬度關(guān)系

2.4 硼含量對耐磨性的影響

硼在鑄鐵組織中是以硼碳化物的形式存在，隨著含硼量的增加，硼碳化物的數(shù)量增多，固溶于基體組織中，使基體中硼碳化物的支撐作用加強，磨損時硬度較高的硼碳化物支撐載荷，形成第一滑動面，硬度較低的基體形成第二滑動面，第二滑動面在磨損下形成的凹槽有儲油作用，保證硼碳化物不斷得到潤滑而減少磨損量，從而提高耐磨性。但是，當含硼量過高時，硼碳化物不再呈孤立小塊狀均勻分布，而是呈大塊狀或網(wǎng)狀分布，基體對它的支撐作用減弱，磨損時容易脫落，脫落后的硼碳化物成為磨粒，在滑動面上產(chǎn)生程度不同的犁削，從而加劇了磨損。因此，硼含量對鑄鐵耐磨性的影響不是越高越好。

2.5 硼含量對切削加工性能的影響

硼鑄鐵中硼碳化物的數(shù)量隨硼含量的增加而增多，從而使鑄鐵的硬度提高，硬度越高，加工難度越大。同時，硼是阻礙石墨化的元素，因硼阻礙石墨化而使鑄件的白口傾向增大，在金屬模離心鑄造氣缸套，冷卻速度大時，常會出現(xiàn)D、 E型石墨，特別是E型石墨，使含硼碳化物呈枝晶狀分布，在鑄鐵組織中產(chǎn)生白口，加工性能惡化，造成切削困難。而且，硼含量越高，這種不確定性越大。

3 結(jié) 語

(1)硼鑄鐵具有良好的力學性能，是一種比較好的耐磨材料，適合生產(chǎn)柴油機氣缸套。

(2)生產(chǎn)硼鑄鐵氣缸套時，綜合考慮其性能要求和機械加工，硼含量在0.03%～0.06%范圍內(nèi)比較合適。