汽車缸體缸蓋高強度灰鑄鐵材料研究進展

■ 金通，曹琴，王林

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1. 概述

隨著日益嚴格的排放標(biāo)準和商用車限載政策的出臺，商用車發(fā)動機向著大功率和輕量化方向發(fā)展，缸體、缸蓋必須要有足夠高的強度才能滿足未來的要求。當(dāng)前，國內(nèi)外大部分企業(yè)采用高強度灰鑄鐵生產(chǎn)大功率柴油發(fā)動機缸體、缸蓋，極少數(shù)企業(yè)采用蠕墨鑄鐵材料。與蠕墨鑄鐵相比，灰鑄鐵作為更廉價的材料，擁有更好的導(dǎo)熱性能、減振性能、可加工性、耐磨性能及鑄造工藝性能等優(yōu)點，而蠕墨鑄鐵雖然擁有更高的強度和剛度，但生產(chǎn)蠕墨鑄鐵缸體、缸蓋質(zhì)量穩(wěn)定性很難控制，工藝窗口較窄，必須要有可行的控制手段來消除工藝變化和人為操作的誤差。蠕墨鑄鐵大批量用于復(fù)雜部件有很大的風(fēng)險和難度，生產(chǎn)成本較高。因此，開發(fā)高強度灰鑄鐵缸體、缸蓋材料具有重要的意義。

2. 高強度灰鑄鐵的組織

灰鑄鐵的強度主要由組織決定，通過對灰鑄鐵組織轉(zhuǎn)化規(guī)律進行分析，高強度灰鑄鐵的組織一般包含以下幾個方面：有較多的初生奧氏體枝狀晶；石墨細小且是A型；基體組織以珠光體為主，珠光體細小。

（1）初生奧氏體 初生奧氏體的比例和分布對灰鑄鐵性能有重要的影響。一般情況下，初生奧氏體比例越高，組織越均勻細小，二次枝晶間距越短，灰鑄鐵的強度越高。初生奧氏體與碳當(dāng)量有直接的關(guān)系，碳當(dāng)量越低于共晶點，初生奧氏體比重越大，強度越高。但這也增加了缸體缸蓋因縮松而引起的泄漏等風(fēng)險?；瘜W(xué)元素可以通過影響共晶點碳含量，從而改變初生奧氏體的析出量，Si、P能夠明顯地降低共晶點碳含量，降低初生奧氏體的比重。在一定的碳當(dāng)量情況下，添加Zr、Ti、V、N等合金元素可使初生奧氏體細化，進而使石墨細小彎曲、個數(shù)增多，提升材料性能。但Ti和V加入量較多會引起可加工性惡化，并影響缸蓋致密性。另外，通過控制冷卻速度也可以影響初生奧氏體形核與長大。

（2）石墨組織 石墨的分布形態(tài)及尺寸是決定灰鑄鐵力學(xué)性能的重要因素，石墨越均勻細小彎曲，端部越鈍，灰鑄鐵的力學(xué)性能越高，反之，性能越低。石墨的形態(tài)和尺寸主要決定于液相生核、冷卻速率及C元素擴散等因素。因此，通過孕育處理、合金化和冷卻工藝等措施可以改變石墨的形態(tài)、大小和分布。

（3）基體組織 基體組織一般主要含有珠光體、鐵素體、少量的滲碳體及磷共晶。基體組織中珠光體含量越多，珠光體片間距越小，其強度硬度越高。奧氏體的轉(zhuǎn)變可通過合金元素來控制，合金元素通過不同的方式來影響轉(zhuǎn)變過程。珠光體促進和細化元素的加入，可使缸體、缸蓋在較高的碳當(dāng)量情況下，提升材料強度，滿足缸體缸蓋致密性、工藝性和高溫性能的要求，但也增加了鑄件的白口傾向、殘余應(yīng)力和生產(chǎn)成本。因此，盡量采用低的合金用量。

3. 調(diào)整化學(xué)成分

缸體、缸蓋這樣薄壁復(fù)雜的鑄件，對鑄造工藝性能和零件致密性有一定的要求，需要選擇較高的碳當(dāng)量。在一定的碳當(dāng)量情況下，改變Si/C比可以提高材料性能。在 CE=4.0%～4.2%時，改變Si/C 比對強度影響不大，而CE＜4.0%時， Si/C 比在 0.6～0.7 時有一個最高值，而且改變Si/C 值，CE=3.6%～3.8% 比CE=3.8%～4.0%對抗拉強度的影響更明顯。另外，高的CE 和高Si/C比，可減少白口傾向，可加工性更好，鑄件殘余應(yīng)力更低，加工后尺寸穩(wěn)定性更好，這一特性在高牌號的鑄鐵中更為明顯。Si/C比過高，石墨粗大，珠光體量下降，片層間距增大，強度反而會降低。目前，國內(nèi)外生產(chǎn)的缸體缸蓋材料Si/C比一般控制在0.55～0.75。

在高碳當(dāng)量下調(diào)整Si/C比難以滿足發(fā)動機大功率的要求，需要添加合金元素提升力學(xué)性能和熱疲勞性能等。對灰鑄鐵抗拉強度影響的元素由強到弱排列為V、Mo、Cr、Cu、Ni。V雖然對強度的提升最大，但白口傾向也很大，因此缸體、缸蓋一般限制V的含量。Mo是抗熱疲勞和抗高溫蠕變等方面是最有效的合金元素之一，可以細化珠光體，增強基體，但不能促進珠光體生產(chǎn)，Mo的價格較高，與珠光體促進元素Cr、Cu、Ni等配合使用效果更好。Cr和Cu是穩(wěn)定珠光體的元素，一般wCu＞0. 5%時強度才有明顯的提高，Cr提升強度的效果比Cu好，但含量較高容易出現(xiàn)碳化物和縮松，造成缸蓋加工惡化和漏氣。Cu還可促進石墨化，可以抵消碳化物穩(wěn)定元素的白口作用。Ni與Cu的作用相似，既是石墨化元素，又可以促進珠光體生成，還可以細化珠光體，Ni的價格較高，一般以Cu代Ni。

國內(nèi)外對微合金化方面做的大量研究表明，Nb、V、Ti 可以與鐵液中的非金屬元素C 和N 發(fā)生反應(yīng)，形成碳化物、氮化物、碳氮化物等微小質(zhì)點，能夠細化初生奧氏體、共晶團和基體中的珠光體。美國卡勒彼特公司通過Nb代替部分Mo，降低了生產(chǎn)成本，零件強度達到290～360MPa。玉柴開發(fā)出一種鈮微合金化高強度灰鐵氣缸蓋，本體強度均在300 MPa以上。N作為一種微量元素，能夠使石墨變短、變鈍和彎曲，同時能夠穩(wěn)定珠光體，促進共晶團和初生奧氏體形核，使強度明顯提高。相對于添加常規(guī)合金元素，通過微合金化進行強化能夠產(chǎn)生更好的經(jīng)濟效益，但也存在加工硬化和氣孔缺陷等風(fēng)險，應(yīng)該通過嚴格的工藝過程進行控制。

4. 孕育處理

孕育技術(shù)對提高力學(xué)性能、降低白口傾向、改善組織和可加工性有重要的作用，是提升灰鑄鐵性能不可缺少的工藝。硅系孕育劑是最常用的孕育劑，近年來針對缸體、缸蓋零件開發(fā)了一些特殊孕育劑（為了改善鑄件壁厚敏感性、提高抗衰退能力和滿足產(chǎn)品性能，添加少量Ba、Sr、Ca、Nb、N、Zr等元素的孕育劑）。國內(nèi)外對復(fù)合孕育劑也進行了大量的研究，使用該種孕育劑可以綜合發(fā)揮不同元素的孕育能力，在強化孕育效果的同時，可以改善基體組織。一汽無錫柴油機廠在較高碳當(dāng)量（3.9%～4.1%）采用復(fù)合孕育劑和低合金化工藝，強度達到250MPa以上。司乃潮等用HT250鐵液，通過60%BaSi+40%75SiFe復(fù)合孕育，其抗拉強度均超過HT250，最高值達到335MPa。

對于缸體、缸蓋鑄件，孕育過度會使共晶團數(shù)過高，增加縮松傾向而導(dǎo)致滲漏。可采用含Sr孕育劑，在減少白口的同時并不增加共晶團數(shù)量，改善發(fā)動機鑄件的致密性和耐水壓能力。另外，孕育劑加入量相同的情況下，SiSr孕育后的硬度也降低，有利于改善薄壁缸體等零件可加工性。

國內(nèi)外的研究已經(jīng)表明，稀土孕育對鑄鐵組織和性能有重要的影響，稀土硫化物等可作為石墨形核基底，可以細化石墨和共晶團，同時稀土作為強烈的脫氧劑和脫硫劑可凈化鐵液，但稀土相對于S過量，易形成白口組織。日本三菱汽車公司在高碳當(dāng)量（3.9%～4.15%）的情況下添加稀土，能夠明顯降低合金化帶來的激冷作用，并通過增加Cr含量，缸蓋強度提高到369MPa以上。稀土復(fù)合孕育劑可實現(xiàn)合金強化和孕育雙重作用，使用稀土鉻系孕育劑，當(dāng)wCr＞0.35%時鐵液的白口傾向和收縮并不會顯著增加。稀土鉻錳硅鐵孕育劑在缸體鑄件上大批量使用，代替部分鉻鐵、銅的加入，明顯降低了成本。在稀土錳硅的基礎(chǔ)上，復(fù)合了促進初生奧氏體枝晶生長的多種元素以及氮化物，在不改變成分和合金處理工藝的情況下，鑄鐵的強度提高到310～345MPa，缸體鑄件硬度在210～220HBW。

5. 熔煉工藝

同樣的化學(xué)成分，熔煉工藝不同、配料不同，鐵液的冶金質(zhì)量也完全不同。產(chǎn)生性能差異的原因主要表現(xiàn)為石墨形態(tài)的差異，其中最根本的原因是碳的獲得方式不同。生鐵中有許多粗大的過共晶石墨，這種石墨具有遺傳性，因此生鐵熔煉容易導(dǎo)致材料的性能下降。全廢鋼加增碳劑熔煉可使鐵液更加純凈，石墨化能力更好，提升了材料的性能。目前國內(nèi)一些廠家如一汽和東風(fēng)股份用此熔煉方法，石墨形態(tài)得到改善，提高了缸體缸蓋性能并降低了縮松傾向，具有明顯的經(jīng)濟效益。

在缸體、缸蓋鐵液熔煉過程中，溫度控制很重要，一定的溫度下過熱并保溫，可以凈化鐵液，細化石墨，降低爐料的不良影響。但溫度過高，燒損很嚴重，一般控制出爐溫度在1500～1550℃、澆注溫度l390～1420℃為宜。另外，去除鐵液中的夾渣、氣體等雜質(zhì)也很重要。

為了保證穩(wěn)定地獲得符合要求的鐵液，國外汽車鑄造廠普遍采用雙聯(lián)熔煉，熔化鑄鐵多數(shù)用沖天爐，具有熔速快、出渣方便、能耗低、降低激冷傾向和收縮傾向等優(yōu)點。采用感應(yīng)電爐對鐵液進行升溫、調(diào)制，可使粗大的石墨細化，鐵液雜質(zhì)得以熔解去除，減少爐料遺傳的危害。雙聯(lián)熔煉可發(fā)揮爐子各自的優(yōu)勢，保證在大批量生產(chǎn)缸體、缸蓋時材質(zhì)成分的均勻性、穩(wěn)定性和熔煉的經(jīng)濟性。

6. 展望

國內(nèi)缸體、缸蓋的鑄造技術(shù)雖取得了很大的進步，但與國外汽車工業(yè)發(fā)達國家的水平相比還有較大差距。國內(nèi)有關(guān)工廠應(yīng)從各方面找出差距，對適合自己的先進工藝方法應(yīng)加以借鑒和推廣應(yīng)用，在合金化、孕育處理和熔煉工藝等方面開展多方面的研究，在保證力學(xué)性能的前提下，同時還要兼顧鑄造性能、可加工性、熱疲勞性能、殘余應(yīng)力和經(jīng)濟成本等因素，實現(xiàn)經(jīng)濟效益最大化。