提高缸體性能的微合金搭配方案優(yōu)化

■ 任良敏，楊春黎，高 超

隨著汽車(chē)柴油機(jī)功率的加大，對(duì)缸體材料的性能要求也在不斷提高，從HT250提高到HT300，甚至HT350，這給生產(chǎn)帶來(lái)了相當(dāng)大的難度。提高材料性能的一些工藝措施往往是降低碳當(dāng)量，這樣勢(shì)必會(huì)增大鑄鐵在凝固過(guò)程的收縮傾向，造成縮孔、縮松、裂紋等鑄造缺陷。通過(guò)選擇微合金化Cu+Cr組合試驗(yàn)的方式，優(yōu)化合金之間的配比，在保證力學(xué)性能的前提下提高碳當(dāng)量，以此提高鑄造性能。

一、試驗(yàn)設(shè)計(jì)

（1）16V缸體是我公司新開(kāi)發(fā)的產(chǎn)品，鑄件毛坯重量為1840kg。

（2）缸體力學(xué)性能要求如表1所示（單鑄試塊φ30mm）。

（3）采用多次試驗(yàn)對(duì)比，在上一次試驗(yàn)結(jié)果的基礎(chǔ)上，在保證力學(xué)性能的前提下提高碳當(dāng)量，優(yōu)化Cu+Cr合金組合再次驗(yàn)證，確定最終化學(xué)成分工藝方案。

二、試驗(yàn)方案

1.生產(chǎn)及試驗(yàn)設(shè)備

生產(chǎn)及試驗(yàn)采用的設(shè)備如表2所示。

2.原材料

感應(yīng)電爐熔煉不像沖天爐在熔煉過(guò)程中與空氣、熾熱的焦炭接觸有強(qiáng)烈的冶金反應(yīng)，燒損掉許多有害的微量元素，只是一個(gè)重熔的過(guò)程，因此使用感應(yīng)電爐熔煉一定要注意爐料的純凈度。

（1）生鐵 選擇Q10生鐵，與Z18生鐵相比，該生鐵微量元素含量少，一般情況下微量元素是有害的，對(duì)石墨形態(tài)、基體、硬度產(chǎn)生不利的影響，如Ti、Pb等。生鐵是鈦的主要來(lái)源，因此生鐵使用量的多少會(huì)直接影響材料中鈦的含量。在某生鐵廠(chǎng)舉辦的一次的交流會(huì)上，從試驗(yàn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)，隨著生鐵中Si含量的升高，Ti含量也升高，有很高的相關(guān)性，圖1為生鐵中Ti與Si的回歸分析擬合線(xiàn)圖。

（2）廢鋼 普通碳素鋼或汽車(chē)板材壓軋下的邊角料等廢鋼，表面要清潔，需經(jīng)過(guò)除銹處理，不允許有油漆、油污。

（3）增碳劑 在感應(yīng)電爐熔煉條件下，增碳技術(shù)的核心是使用高質(zhì)量的增碳劑，這是增碳工藝中最重要的環(huán)節(jié)。增碳劑的質(zhì)量決定了鐵液質(zhì)量的好壞。經(jīng)過(guò)高溫石墨化的晶質(zhì)增碳劑，碳原子從原來(lái)的無(wú)序排列變成片狀排列，是石墨形核的最好核心，從而有利于石墨化，提高形核率。

表1 力學(xué)性能要求

表2 生產(chǎn)及試驗(yàn)設(shè)備

圖1 生鐵中Ti與Si的回歸分析擬合線(xiàn)圖

3.爐料配比

爐料配比如表3所示。

表3 配料配比 （%）

4.化學(xué)成分的選擇

（1）碳與CE的選擇 采用高的碳當(dāng)量，可減小白口傾向及鑄件縮松、滲漏等缺陷，但同時(shí)會(huì)降低鑄件的力學(xué)性能。而對(duì)于發(fā)動(dòng)機(jī)缸體這樣復(fù)雜的薄壁鑄件，從鑄造性能考慮，一般都選擇較高的碳當(dāng)量。為使缸體具有良好的鑄造性能與力學(xué)性能，一般選擇wC＝3.15%～3.45%、CE＝3.8%～4.05%。

（2）硅與Si/C值 過(guò)高的Si/C值會(huì)導(dǎo)致石墨粗化，珠光體片間距增大，鐵素體含量也增加。在低碳當(dāng)量的情況下，當(dāng)Si/C＞0.55時(shí)，共晶點(diǎn)左移，初生奧氏體增多，共晶液相減少，擴(kuò)大了凝固區(qū)間，缸體縮孔、縮松缺陷將會(huì)增加。對(duì)于采用較高碳當(dāng)量鐵液的缸體鑄件，高Si/C并不能提高力學(xué)性能，而且還可能由于高CE和高的Si/C雙重影響而使石墨粗大和珠光體量下降，從而使抗拉強(qiáng)度下降，綜合考慮，Si/C控制在0.5～0.6較為合適。

（3）錳 阻礙石墨化元素，增加珠光體和奧氏體枝晶數(shù)量，同時(shí)可有效降低共析轉(zhuǎn)變溫度，促使珠光體細(xì)化，片間距縮小。在灰鑄鐵中和硫的有害作用，阻礙FeS在晶粒或共晶團(tuán)晶界處形成，減少或避免產(chǎn)生熱裂。與硫兩者之間含量的配合關(guān)系一般為：Mn＝1.7S+0.5%～0.6%。綜合考慮控制wMn＝0.7%～0.8%。

（4）硫 早期人們一般認(rèn)為硫是一種有害元素，直至近代J.F.Wailace提出硫化物核心孕育理論后，人們開(kāi)始意識(shí)到其雙重性。硫在鑄鐵生產(chǎn)過(guò)程中并不是越低越好，硫在鐵液中溶解度很低，對(duì)鐵-碳系平衡相圖的影響不大，但從熱力學(xué)角度分析，硫降低碳在鐵液中的溶解度，增加碳的活度，理應(yīng)是一種促進(jìn)石墨化的元素，但實(shí)際上其與氧相似，在含量過(guò)高和過(guò)低時(shí)，都將促使鑄鐵組織白口化。鑄鐵通?？刂苭S＝0.06%～0.12%。

（5）磷 促進(jìn)石墨化元素，作用程度與硅相似，使鑄鐵的共晶點(diǎn)左移，由于磷具有較低的熔化溫度以及可以降低鑄鐵熔點(diǎn)的緣故，因此磷能增加鑄鐵的流動(dòng)性，形成的磷共晶偏析到晶界可以提高鑄件的硬度和耐磨性，但隨著磷的增高，在鑄件的凝固過(guò)程中，會(huì)伴隨著液態(tài)凝固收縮，在晶間最后凝固的鐵液空缺的體積得不到補(bǔ)充而形成縮松。一般控制wP≤0.08%。

（6）銅 促進(jìn)石墨化的元素，石墨化能力相當(dāng)于硅的1/10～1/5。銅在超過(guò)其固溶度極限時(shí)，常以顯微質(zhì)點(diǎn)或超顯微質(zhì)點(diǎn)分布于鑄鐵中。銅使組織致密，并細(xì)化和改善石墨的均勻分布，既能降低鑄鐵的白口傾向，又能促進(jìn)珠光體的形成，對(duì)斷面敏感性形成有利影響。銅與其他合金元素聯(lián)合使用，如Cu-Cr、Cu-Cr-Mo、Cu-Mo、Cu-Mn、Cu-V等，則能獲得更大的效果。

（7）鉻 是強(qiáng)烈穩(wěn)定碳化物、阻礙石墨化的元素。鉻的合金化效果是非常強(qiáng)烈的，加鉻使鐵液白口傾向增大，鑄件易收縮產(chǎn)生廢品。因此，一方面希望鐵液中含有一定量的鉻，細(xì)化石墨，增加珠光體數(shù)量，以提高鑄件的強(qiáng)度、硬度、耐熱性和耐磨性；另一方面又將鉻嚴(yán)格控制在下限，以防止鑄件收縮而造成廢品率增加。一般鉻與銅搭配使用，銅可以抵消碳化物穩(wěn)定元素的負(fù)面作用，減輕鑄鐵的白口傾向，有利于保證鐵液的鑄造工藝性能，改善鑄鐵強(qiáng)度和組織均勻性，提高鑄鐵的可加工性。

（8）鉬 細(xì)化和改善石墨的均勻分布，細(xì)化珠光體，增加珠光體含量，強(qiáng)化珠光體中的鐵素體，同時(shí)鑄鐵的白口傾向并不明顯增強(qiáng)，因而能有效地提高鑄鐵的強(qiáng)度、硬度及耐磨性。由于鉬是稀有貴重合金，在保證力學(xué)性能的前提下盡量少加或不加，以降低成本，減少對(duì)貴重合金資源的消耗。

通過(guò)以上對(duì)各元素的作用與分析，選擇化學(xué)成分如表4所示。

5.孕育劑的選擇

采用福士科公司含鑭孕育劑，該孕育劑可改善石墨形態(tài)，消除或減少枝晶間縮松，提高鑄件致密性。

三、試驗(yàn)結(jié)果

1.第一次試驗(yàn)結(jié)果

（1）第一次試驗(yàn)鑄件的化學(xué)成分如表5所示。

（2）單鑄試塊力學(xué)性能、本體硬度如表6所示，金相組織如圖2所示。

從試驗(yàn)結(jié)果看，化學(xué)成分控制在設(shè)計(jì)范圍內(nèi)，單鑄試塊力學(xué)性能、本體硬度比較理想，抗拉強(qiáng)度、本體硬度還有一定的富裕量，進(jìn)一步提高碳含量（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）至3.25%～3.3%，在保證力學(xué)性能前提下優(yōu)化合金元素銅、鉻的加入量，具體如表7所示。

2.第二次試驗(yàn)結(jié)果

（1）優(yōu)化后鑄件化學(xué)成分、力學(xué)性能、本體硬度如表8、表9所示。

圖2 單鑄試塊金相組織

表4 選定的化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)） （%）

3.試驗(yàn)結(jié)果分析

通過(guò)兩次試驗(yàn)對(duì)比分析，可以得到如下結(jié)論：

（1）優(yōu)化C、Cu、Cr成分 為了兼顧鑄造性能和力學(xué)性能，在第一次試驗(yàn)數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，將wC從3.21%提到至3.27%，優(yōu)化Cu、Cr搭配，wCu從0.65%提高至0.73%，wCr從0.18%提高至0.23%，從試驗(yàn)結(jié)果、試驗(yàn)時(shí)間不同階段來(lái)看，力學(xué)性能、本體硬度符合技術(shù)要求，說(shuō)明化學(xué)成分選擇是合適的。

（2）重點(diǎn)監(jiān)控微量元素Ti 在不同時(shí)間階段試驗(yàn)中，發(fā)現(xiàn)其含量在逐步增高，關(guān)于對(duì)缸體Ti含量多少的控制，通過(guò)從另外一種批量生產(chǎn)的缸體數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析，對(duì)硬度有較大的影響，因此在生產(chǎn)中要嚴(yán)格監(jiān)控Ti元素，為了穩(wěn)定硬度在小范圍內(nèi)波動(dòng)，在生產(chǎn)中要嚴(yán)格監(jiān)控Ti元素，可以在料倉(cāng)預(yù)存一部分低Ti廢鋼，一旦光譜檢測(cè)鐵液Ti含量超標(biāo)時(shí)進(jìn)行調(diào)節(jié)使用。

（3）為了保證力學(xué)性能、本體硬度在小范圍內(nèi)波動(dòng)，縮小化學(xué)成分工藝范圍為：wC＝3.25%～3.3%，wSi＝1.75%～1.90%，wMn＝0.70%～0.80%，wP＜0.08%，wS＝0.08%～0.12%，wCu＝0.75%～0.85%，wCr＝0.23%～0.27%，wTi＜0.025%，并將此作為作業(yè)指導(dǎo)書(shū)的參照值。目前該缸體已經(jīng)批量生產(chǎn)，從力學(xué)性能、本體硬度、機(jī)加工反饋信息來(lái)看，質(zhì)量一直非常穩(wěn)定。

表5 第一次試驗(yàn)鑄件的化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)） （%）

表6 第一次試驗(yàn)力學(xué)性能

表7 優(yōu)化后控制化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)） （%）

表8 優(yōu)化后鑄件化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)） （%）

表9 優(yōu)化后力學(xué)性能與本體硬度

四、結(jié)語(yǔ)

（1）微量元素Ti對(duì)灰鑄鐵硬度影響很大，生產(chǎn)過(guò)程中對(duì)原材料應(yīng)加以重點(diǎn)監(jiān)控。

（2）為了兼顧鑄造性能和力學(xué)性能，在力學(xué)性能還有一定富裕量的情況下，適當(dāng)?shù)靥岣咛籍?dāng)量，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)缸體復(fù)雜的薄壁鑄件，可減小白口傾向及鑄件縮松、滲漏等缺陷。

（3）采用Cu+Cr微合金方式來(lái)提高力學(xué)性能，通過(guò)試驗(yàn)進(jìn)一步優(yōu)化Cu+Cr合金搭配比例，從試驗(yàn)結(jié)果上看較理想。目前該缸體已經(jīng)批量生產(chǎn)，質(zhì)量非常穩(wěn)定。