高強(qiáng)度灰鑄鐵缸蓋的研究與應(yīng)用

高博，張濤，史國(guó)慶，嚴(yán)江波（.海軍駐興平地區(qū)軍事代表室，陜西興平 7300；.陜西柴油機(jī)重工有限公司，陜西興平 7300）

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高強(qiáng)度灰鑄鐵缸蓋的研究與應(yīng)用

高博1，張濤2，史國(guó)慶2，嚴(yán)江波2
（1.海軍駐興平地區(qū)軍事代表室，陜西興平 713100；2.陜西柴油機(jī)重工有限公司，陜西興平 713100）

摘要：為了解決傳統(tǒng)灰鑄鐵缸蓋強(qiáng)度、硬度低，且白口組織傾向大的問(wèn)題。本實(shí)驗(yàn)采用銅鉻鉬鎳錫合金化以及高效復(fù)合孕育劑二次孕育處理的工藝對(duì)其顯微組織進(jìn)行控制來(lái)改善其強(qiáng)度和硬度。結(jié)果表明：在高碳當(dāng)量3.90%～4.00%下，適量提高Si/C比，采用銅鉻鉬鎳錫合金化工藝（0.50%～0.60%Cu、0.25%～0.30%Cr、0.30%～0.40%Mo、0.50%～0.60%Ni、0.01 %～0.02%Sn），可有效細(xì)化珠光體，增加珠光體含量，使基體強(qiáng)度增加，并且使缸面硬度≥HB 210；同時(shí)，高效復(fù)合孕育劑二次孕育處理可以減少基體的白口組織傾向性，使缸蓋的強(qiáng)度和硬度進(jìn)一步提高。

關(guān)鍵詞：缸蓋；灰鑄鐵；合金化處理；孕育處理

缸蓋是柴油機(jī)中最復(fù)雜的部件之一，也是燃燒室重要組成部分。其工作條件非?？量?，缸蓋排氣閥座承受高溫高壓，工作時(shí)易磨損變形。因此，只有保證缸蓋具有足夠高的強(qiáng)度和硬度，避免或減少磨損才能保證其工作時(shí)變形比較小。

灰鑄鐵具有較高的強(qiáng)度，而且成本較低，因此本單位某型柴油機(jī)缸蓋的材質(zhì)為薄壁高強(qiáng)度灰鑄鐵。而這種薄壁高強(qiáng)度灰鑄鐵雖然具有較高的強(qiáng)度，但是相比使用要求還是有點(diǎn)差別。為了更進(jìn)一步的保證其使用強(qiáng)度同時(shí)兼顧其硬度，添加適量的合金元素來(lái)提高缸蓋強(qiáng)度和硬度成為首選方案[1-2]。

1　存在問(wèn)題及實(shí)驗(yàn)方案

某型柴油發(fā)動(dòng)機(jī)缸蓋的牌號(hào)為灰鑄鐵, 材質(zhì)要求：抗拉強(qiáng)度（σb）：230～320 MPa，缸蓋硬度：200～240 HBW。缸蓋質(zhì)量105 kg，主要壁厚為6 mm。在缸蓋的試制過(guò)程中，出現(xiàn)缸蓋閥座面的異常磨損現(xiàn)象，不能達(dá)到供貨要求。通過(guò)對(duì)磨損缸蓋的解剖檢測(cè)，硬度值在200～210 HBW之間，抗拉強(qiáng)度在230～255 MPa之間，偏要求下限，對(duì)磨損部位進(jìn)行金相檢測(cè)，發(fā)現(xiàn)存在20%左右的鐵素體。

基體中珠光體的多少直接影響著灰鑄鐵的性能。同樣的條件下，珠光體量愈多，其強(qiáng)度和硬度就愈高，耐磨性就愈好[3]。想要提高缸蓋的抗磨損性，就必須提高基體的抗拉強(qiáng)度和硬度，而抗拉強(qiáng)度和硬度與基體的組織有很大關(guān)系。減少基體中鐵素體的含量，使基體組織中的珠光體含量達(dá)到95%以上，可有效提高基體的抗拉強(qiáng)度和硬度，進(jìn)而提高缸蓋的耐磨性。通過(guò)對(duì)國(guó)外公司提供的化學(xué)成分標(biāo)準(zhǔn)和陜柴重工公司鐵液化學(xué)成分標(biāo)準(zhǔn)值的對(duì)比（見表1）。原定陜柴重工的鐵液成分中并未使用Cu。考慮到Cu作為石墨化元素，可有效增加基體中珠光體含量，結(jié)合國(guó)外公司給出的化學(xué)成分標(biāo)準(zhǔn)，在試驗(yàn)方案中將銅的成分控制在0.50%～0.60%；Cr是強(qiáng)的珠光體形成元素，是實(shí)際生產(chǎn)中強(qiáng)化基體的重要元素。但由于Cr所引起的白口傾向，其添加量需要加以約束[3-4]。珠光體的細(xì)化程度不同，其強(qiáng)度和硬度差別也很大。細(xì)化程度愈高，其強(qiáng)度、硬度也愈高，耐磨性愈好[3]。Cu的加入、對(duì)缸蓋采取強(qiáng)化孕育和加速缸蓋冷卻，可有效細(xì)化珠光體。

表1　鐵液化學(xué)成分標(biāo)準(zhǔn)值　%

2　試驗(yàn)內(nèi)容及方法

發(fā)動(dòng)機(jī)缸蓋的牌號(hào)為灰鑄鐵，材質(zhì)要求：σb為230～320 MPa, 缸蓋硬度HB為200～240。缸蓋質(zhì)量105 kg，主要壁厚為6 mm。選擇3 t中頻爐熔煉，采用銅鉻鉬鎳錫合金化工藝進(jìn)行生產(chǎn)。使用江蘇亞峰的高效復(fù)合孕育劑二次孕育，并使用光電直讀光譜儀爐前在線檢測(cè)化學(xué)成分，澆注后3 h打箱空冷。對(duì)實(shí)際生產(chǎn)的缸蓋本體進(jìn)行本體解剖，將本體樣制成ф10 mm抗拉試棒，測(cè)定抗拉強(qiáng)度σb、硬度HB；對(duì)金相試樣經(jīng)切削、打磨、拋光、酸性等，觀察石墨狀態(tài)和基體組織，比較使用銅鉻鉬鎳錫合金化前后石墨形態(tài)及基體形貌。根據(jù)所測(cè)力學(xué)性能及觀測(cè)到的金相組織，參考試制結(jié)果調(diào)整銅鉻鉬鎳錫五種元素加入量，選擇最優(yōu)組合確定銅鉻鉬鎳錫合金化工藝參數(shù)。

3　試驗(yàn)結(jié)果

3.1采用銅鉻鉬鎳錫合金化工藝生產(chǎn)柴油機(jī)缸蓋

通過(guò)國(guó)外公司和陜柴重工公司鐵液化學(xué)成分標(biāo)準(zhǔn)值的比較。根據(jù)國(guó)外公司提供的化學(xué)成分，將Cu的控制成分定為0.5%～0.55%，探索其對(duì)基體硬度及抗拉強(qiáng)度的影響，如表2所示。分析表2，試驗(yàn)過(guò)程中加入Cu后，缸蓋硬度明顯提高，同時(shí)抗拉強(qiáng)度亦隨之加大。Cr有很強(qiáng)的促進(jìn)珠光體形成作用，是實(shí)際生產(chǎn)中強(qiáng)化基體的中堅(jiān)元素。但由于Cr所引起的白口傾向, 其添加量需要加以約束[4-5]。根據(jù)實(shí)際生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn), 試驗(yàn)中將Cr控制在0.35%以下。選擇0.20%～0.35%之間的Cr進(jìn)行試驗(yàn)探索最佳配比，消減白口傾向、提高抗拉強(qiáng)度并強(qiáng)化基體。表3反映出Cr元素加入量的改變對(duì)缸體性能的影響。由表3可以看出，缸蓋硬度隨Cr含量增加而平緩上升。Cr含量在0.20%～0.35%之間時(shí)，缸蓋硬度隨Cr含量增加而平緩上升；抗拉強(qiáng)度所受影響較大，抗拉強(qiáng)度隨Cr增加而明顯提高。

對(duì)各元素加入量及配比進(jìn)行多次生產(chǎn)性試驗(yàn)，總結(jié)試驗(yàn)結(jié)果， 確定柴油發(fā)動(dòng)機(jī)缸蓋生產(chǎn)中銅鉻鉬鎳錫合金化生產(chǎn)工藝參數(shù)， 分別添加0.50%～0.55%Cu、0.25%～0.30%Cr、0.35%～0.40%Mo、0.50%～0.60%Ni、0.01%～0.02%Sn時(shí)，效果最佳。可在達(dá)到缸蓋材質(zhì)抗拉強(qiáng)度及組織形態(tài)要求的同時(shí)有效強(qiáng)化基體、增加缸體硬度和抗拉強(qiáng)度。

表2　銅鉻鉬鎳錫合金化工藝中Cu對(duì)缸蓋性能的影響

表3　銅鉻錫合金化工藝中Cr 對(duì)缸蓋性能的影響

3.2柴油機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)缸蓋的力學(xué)性能測(cè)試

在采用銅鉻鉬鎳錫合金化工藝，確定銅鉻鉬鎳錫元素配比及各自加入量的條件下，加入高效復(fù)合孕育劑二次孕育( 兩次孕育劑加入量分別為0.35% 和0.1%) ，澆注柴油發(fā)動(dòng)機(jī)缸蓋，澆注完成后3 h打箱。對(duì)鑄件本體取樣理化試驗(yàn)，結(jié)果見表4。表4的試驗(yàn)結(jié)果表明，在高碳當(dāng)量( 3.90%～4.00%) 條件下采用銅鉻鉬鎳錫合金化工藝( 五種元素添加量分控制在為0.50%～0.55%Cu、0.25%～0.30%Cr、0.35%～0.40%Mo、0.50%～0.60%Ni、0.01%～0.02%Sn。經(jīng)過(guò)強(qiáng)化孕育處理并加速缸蓋冷卻措施，鑄件基體明顯強(qiáng)化，珠光體含量提高并石墨形態(tài)得以優(yōu)化，缸體硬度值有顯著提高?？估瓘?qiáng)度和缸面硬度達(dá)標(biāo)的同時(shí)，缸蓋硬度也穩(wěn)定于HB210 以上，達(dá)到柴油發(fā)動(dòng)機(jī)缸蓋對(duì)材質(zhì)要求。

3.3實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

灰鑄鐵的硬度決定于基體，而基體硬度隨珠光體含量及分散度的增加而提高[5]。Cu、Cr、Ni、Mo、Sn五種元素均起到促進(jìn)珠光體強(qiáng)化基體組織的作用，但影響機(jī)理和作用結(jié)果各不相同。銅鉻鉬鎳錫合金化工藝正是為五種元素選擇適當(dāng)配比和添加值，使其作用互補(bǔ)，達(dá)到提高缸蓋硬度的目的。通常Cr作為中強(qiáng)碳化物形成元素，是強(qiáng)化基體的首選。但由于其富集于共晶體中, 與碳的親和力大于鐵，含量小于1.0%時(shí)會(huì)出現(xiàn)少量自由M3C，從而導(dǎo)致鐵液白口傾向增加，造成抗拉強(qiáng)度下降。同時(shí)，Cr也會(huì)縮小穩(wěn)定系和亞穩(wěn)定系共晶溫度間隔，阻止石墨析出，促使共晶轉(zhuǎn)變按亞穩(wěn)定系進(jìn)行。造成灰鑄鐵共晶凝固溫度降低，鐵液凝固溫度范圍擴(kuò)大，以至于加大灰鑄鐵的縮松傾向[4-5]。故而，Cr的含量相對(duì)其它元素需加以嚴(yán)格控制。Cu、Ni和Sn很好削減由Cr帶來(lái)的白口傾向增加，使石墨細(xì)化、分布均勻。同時(shí)Cu、Ni和少量Sn也起到穩(wěn)定珠光體作用。雖與碳親和力小的Cu和部分溶于α-Fe、部分溶于共析滲碳體的Sn并不形成金屬間化合物，但Cu和Ni都是石墨化元素，會(huì)通過(guò)降低奧氏體轉(zhuǎn)變溫度，擴(kuò)大奧氏體區(qū)，能細(xì)化并增加珠光體；少量Sn在共晶團(tuán)邊界易形成FeSn2偏析化合物，減緩碳從基體向石墨表面擴(kuò)散從而穩(wěn)定珠光體。Mo的影響類似于Cr，但影響溫和，穩(wěn)定碳化物的作用和其固溶強(qiáng)化作用比較溫和，主要作用在于細(xì)化珠光體，亦能細(xì)化石墨。

表4　柴油發(fā)動(dòng)機(jī)缸蓋鑄件本體的化學(xué)成分、金相組織和力學(xué)性能

硅鍶孕育劑適用于薄壁鑄鐵件。采用高效硅鍶孕育劑，可降低過(guò)冷度，使共晶團(tuán)細(xì)化，可得到細(xì)小的A型石墨片和細(xì)化的珠光體，可使基體的強(qiáng)度和硬度有顯著提高。

縮短打箱時(shí)間，澆注完成到打箱時(shí)間控制在3h左右，使鑄件的冷卻速度加大，在共析轉(zhuǎn)變時(shí)，使基體組織中的奧氏體全部轉(zhuǎn)變?yōu)橹楣怏w，增強(qiáng)基體的強(qiáng)度和硬度。

4　結(jié)論

(1) 在高碳當(dāng)量3.90%～4.00%下，適量提高Si/C比，采用銅鉻鉬鎳錫合金化工藝，在爐前添加微量合金：0.50%～0.55%Cu、0.25%～0.30%Cr、0.35%～0.40%Mo、0.50%～0.60%Ni、0.01%～0.02%Sn?？捎行Ъ?xì)化珠光體，增加珠光體含量，強(qiáng)化基體組織，使缸面硬度≥HB 210。

(2) 采用高效復(fù)合孕育劑二次孕育處理，出鐵時(shí)采用0.35%硅鍶孕育劑（Si72%、Sr1%）進(jìn)行一次孕育處理，澆筑時(shí)采用硅錳鋯孕育劑（Si65%、Mn4%、Zr4%）進(jìn)行二次孕育處理。孕育后鑄件本體白口傾向小，共晶團(tuán)數(shù)增多，石墨形態(tài)明顯優(yōu)化。

（3）通過(guò)縮短打箱時(shí)間，可使基體中珠光體含量明顯提高。

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Application and research of high-strength gray cast iron for cylinder heads

GAO Bo, ZHANG Tao, SHI GuoQing, YAN JiangBo
(Shaanxi diesel engine heavy industry Co., Ltd., Xingping 713100,Shaanxi, China)

Abstract:In order to increase the strength and hardness and decrease the chilling tenfency of gray cast iron for cylinder heads.Effects of alloying by copper, chrome, molybdenum,nickel, tin and efficient inoculation process on its mechanical properties and microstructural were investigated.The results showed that under the high carbon equivalent ranges from 3.90% to 4.00%,increases the Si/C ratio moderately,alloying by copper,chrome, molybdenum,nickel and tin can effectively increasing pearlite content,improve the tensile strength and finally make the hardness of cylinder surface exceed HB 210.Meanwhile, efficient composite inoculant secondary inoculation process can decrease the chilling tendency and increase the strength and hardness of cylinder head further.

Keywords:cylinder head; gray cast iron; alloying; inoculation process

作者簡(jiǎn)介：高博（1981—），男，工程師，從事艦船柴油機(jī)質(zhì)量工作.

收稿日期:2015- 07- 31

DOI：10.3969/j.issn.1 006-9 658.2016.01 .01 1

中圖分類號(hào)：TG251；

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A；

文章編號(hào):1006- 9658（201 6）01 - 0033- 03

稿件編號(hào):1507- 1014