新型微合金化高強(qiáng)度缸體材料研發(fā)

楊春黎，陳光金，寧顯潤(rùn)

1.宜賓普什聯(lián)動(dòng)科技有限公司 四川宜賓 644007

2.四川省動(dòng)力零部件制造工程技術(shù)研究中心 四川宜賓 644007

1 序言

灰鑄鐵是最常用的鑄鐵材料之一，由于價(jià)格低廉、生產(chǎn)工藝簡(jiǎn)單，迄今仍被大量采用[1]?；诣T鐵中的碳大部分或全部以游離態(tài)的石墨形式存在，其斷裂時(shí)斷口呈暗灰色[2]。目前，大型載重汽車的發(fā)動(dòng)機(jī)缸體選用材料仍然以灰鑄鐵為主，然而灰鑄鐵的最大缺點(diǎn)是抗拉強(qiáng)度較低[3]。灰鑄鐵的抗拉強(qiáng)度取決于其微觀組織，如石墨和基體的形態(tài)、尺寸、含量及分布[4，5]。目前，添加合金元素是改善灰鑄鐵微觀組織并提高其抗拉強(qiáng)度最經(jīng)濟(jì)有效的 手段[6]，其中Mo被認(rèn)為是提高鑄鐵抗拉強(qiáng)度最有效的元素之一[7]。但Mo金屬價(jià)格昂貴，而Cu的價(jià)格是相對(duì)較低且最為常用，在缸體鑄件大批量生產(chǎn)中，如果能夠通過(guò)技術(shù)措施，減少或取消貴金屬M(fèi)o的用量，將帶來(lái)一定的經(jīng)濟(jì)效益[8]。

我公司生產(chǎn)的一種發(fā)動(dòng)機(jī)缸體為龍門(mén)式結(jié)構(gòu)，形狀復(fù)雜、壁薄、呈箱形。單件毛坯重量400kg，最大輪廓尺寸為1150mm×390mm×600mm，單鑄試塊要求抗拉強(qiáng)度≥300MPa，本體硬度181～235HBW。該缸體材質(zhì)中含有昂貴的金屬M(fèi)o，生產(chǎn)成本一直居高不下。綜合考慮合金元素對(duì)灰鑄鐵力學(xué)性能和加工性能的影響以及生產(chǎn)成本等因素，本研究中用價(jià)格較低的Cu、Cr取代Mo進(jìn)行合金化，通過(guò)改變缸體材質(zhì)中Cu、Cr合金含量，降低生產(chǎn)成本，大幅提高企業(yè)生產(chǎn)效益。

2 試驗(yàn)研究方法

以我公司生產(chǎn)的其缸體為研究對(duì)象，材質(zhì)為H T300，鑄件毛坯重量為640k g，外輪廓尺寸為735mm×448mm×452mm，最大壁厚為65mm，最小壁厚為34m m。鑄件結(jié)構(gòu)復(fù)雜且性能要求較高，本體抗拉強(qiáng)度滿足225～325MPa，硬度滿足180～255HBW，珠光體含量≥95%，A型石墨含量≥90%。在保持原有生產(chǎn)條件及相關(guān)工藝參數(shù)的前提下，加入Mo、Cu、Cr等合金元素來(lái)調(diào)整CE進(jìn)行試驗(yàn)，采用中頻感應(yīng)電爐熔煉，經(jīng)過(guò)出鐵孕育后，每爐次澆注一組單鑄φ30mm試棒，隨機(jī)取其中一根試棒對(duì)其進(jìn)行金相組織、力學(xué)性能檢測(cè)。

通過(guò)多次試驗(yàn)，由單件試驗(yàn)到批量投產(chǎn)，逐步優(yōu)化化學(xué)成分，最終完成Cu＋Cr合金替代Mo合金。原材料為Q10生鐵、廢鋼、回爐料、增碳劑及相關(guān)合金化金屬，其中Q10生鐵為20%，廢鋼為45%，回爐料為35%。在澆注前需進(jìn)行孕育處理，其作用主要是消除白口組織，改善石墨分布，形成細(xì)小且均勻分布的A型石墨，細(xì)化共晶團(tuán)，從而獲得細(xì)片狀珠光體[9]。

含鑭孕育劑在鑄鐵凝固過(guò)程中可促進(jìn)等軸晶生長(zhǎng)，抑制樹(shù)枝晶生長(zhǎng)，有效地延長(zhǎng)了鐵液內(nèi)部的補(bǔ)縮通道，降低鑄件縮松[10]。75SiFe孕育劑孕育速效，1.5min內(nèi)達(dá)到峰值，可減少過(guò)冷度和白口傾向，增加共晶團(tuán)數(shù)，促進(jìn)A型石墨的形成，改善斷面組織均勻性，復(fù)合使用可充分改變單一孕育劑的不足，加強(qiáng)孕育效果。因此，本文使用復(fù)合孕育處理，含鑭孕育劑0.2%＋75SiFe孕育劑0.2%。生產(chǎn)及試驗(yàn)設(shè)備選擇見(jiàn)表1。

表1 生產(chǎn)及試驗(yàn)設(shè)備選擇

3 化學(xué)成分設(shè)計(jì)

在灰鑄鐵中，高碳當(dāng)量CE可減少白口、縮松、縮孔及滲漏等缺陷的傾向；Si是一種石墨化元素，固溶于鐵素體，強(qiáng)化鐵素體；Mn作為一種阻礙石墨化元素，能夠增加珠光體和奧氏體枝晶的數(shù)量，同時(shí)可以有效降低共析轉(zhuǎn)變溫度，促進(jìn)珠光體細(xì)化，減小片間距；P作為一種促進(jìn)石墨化元素，具有與Si相似的作用，并使鑄鐵的共晶點(diǎn)向左移動(dòng)，P的熔點(diǎn)很低，灰鑄鐵中存在P時(shí)，能夠增加鑄鐵的流動(dòng)性；S具有雙重性，在鑄鐵生產(chǎn)過(guò)程中，S并不是越低越好，S在鐵液中的溶解度很低，對(duì)鐵碳平衡相圖影響不大， 然而從熱力學(xué)的角度來(lái)看，S降低了碳在鐵液中的溶解度，具有增加碳活性的效果[11]；Mo的作用有很多，主要有細(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會(huì)明顯增加；Cr作為促進(jìn)碳化物形成的一種元素，會(huì)降低灰鑄鐵的共晶凝固溫度，擴(kuò)大鐵液的凝固溫度范圍[12]；Cu能夠提高共晶轉(zhuǎn)變溫度，降低亞穩(wěn)體系的轉(zhuǎn)變溫度；Ti與N會(huì)形成TiN化合物，降低合金的強(qiáng)度，但正因?yàn)檫@種游離的N對(duì)灰鑄鐵起到了固溶強(qiáng)化作用[13]。

結(jié)合實(shí)際生產(chǎn)環(huán)境及熔煉經(jīng)驗(yàn)，通過(guò)對(duì)各元素作用進(jìn)行綜合分析，采用高碳當(dāng)量在保證鑄造性能的前提下，穩(wěn)定地控制力學(xué)性能在客戶要求的中下限，增加Cu、Cr的含量，以此代替Mo的作用，設(shè)計(jì)的化學(xué)成分見(jiàn)表2。

表2 HT300化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)） （%）

4 試驗(yàn)結(jié)果

4.1 化學(xué)成分

嚴(yán)格按照設(shè)定的H T300化學(xué)成分范圍進(jìn)行熔煉、澆注，并隨機(jī)取出5爐次鐵液試樣，進(jìn)行光譜化學(xué)成分檢測(cè)，其結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 試樣光譜化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)） （%）

4.2 金相組織及力學(xué)性能

基于HT300材質(zhì)，客戶對(duì)此類缸體性能要求見(jiàn)表4。

表4 缸體性能要求

在5爐次試樣件中隨機(jī)抽取一爐次試樣做金相組織檢測(cè)，結(jié)果如圖1所示。從圖1a可看出，其主要是A型石墨，含有極少部分的D型石墨，利用Image-Pro軟件測(cè)量其石墨平均長(zhǎng)度，判斷其石墨等級(jí)為4級(jí)；從圖1b可看出，其基體組織以珠光體為主，極少量鐵素體存在，能夠穩(wěn)定其力學(xué)性能，利用Image-Pro軟件對(duì)其珠光體含量進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，判斷其珠光體含量為98%，均符合客戶對(duì)該類缸體HT300材質(zhì)金相組織的要求。

圖1 試樣件金相組織檢測(cè)結(jié)果

根據(jù)前面所選取5爐次的試樣件，分別檢測(cè)其單鑄試棒抗拉強(qiáng)度、本體硬度、石墨形態(tài)、石墨長(zhǎng)度，結(jié)果見(jiàn)表5。

表5 試樣件性能檢測(cè)結(jié)果

通過(guò)化學(xué)成分優(yōu)化，采用Cu＋Cr合金搭配可替代貴重Mo合金，在保證性能合格的前提下，取消了貴金屬M(fèi)o的加入，降低了原材料成本。通過(guò)成本核算，每件可以節(jié)約182元，此缸體年訂單約2萬(wàn)件，每年可為公司節(jié)約364萬(wàn)元。

4.3 硬度變化趨勢(shì)

根據(jù)優(yōu)化后的化學(xué)成分，采用合理熔煉工藝進(jìn)行小批量生產(chǎn)，并隨機(jī)抽取100組鑄件進(jìn)行硬度檢測(cè)（見(jiàn)圖2），其硬度值均符合本缸體HT300材質(zhì)硬度要求。由圖2可看出，本體硬度過(guò)程受控，說(shuō)明小批量生產(chǎn)無(wú)異常出現(xiàn)，可進(jìn)行大批量生產(chǎn)。

圖2 硬度檢測(cè)結(jié)果

5 結(jié)束語(yǔ)

本試驗(yàn)取消貴重Mo合金的加入，從生產(chǎn)情況上看，單鑄試棒力學(xué)性能、金相組織、本體硬度穩(wěn)定，滿足客戶技術(shù)要求。由于熔煉上采用Cu＋Cr合金配搭而取消了貴重Mo合金，因此降低了合金成本，每件節(jié)約182元左右，該機(jī)型年訂單在2萬(wàn)件左右，每年可為公司節(jié)約364萬(wàn)元左右。該類型缸體采用優(yōu)化后的工藝已穩(wěn)定生產(chǎn)一年多，鑄件性能穩(wěn)定，未見(jiàn)客戶異常反饋。