提高缸體性能的微合金搭配方案優化

■ 任良敏，楊春黎，高 超

隨著汽車柴油機功率的加大，對缸體材料的性能要求也在不斷提高，從HT250提高到HT300，甚至HT350，這給生產帶來了相當大的難度。提高材料性能的一些工藝措施往往是降低碳當量，這樣勢必會增大鑄鐵在凝固過程的收縮傾向，造成縮孔、縮松、裂紋等鑄造缺陷。通過選擇微合金化Cu+Cr組合試驗的方式，優化合金之間的配比，在保證力學性能的前提下提高碳當量，以此提高鑄造性能。

一、試驗設計

（1）16V缸體是我公司新開發的產品，鑄件毛坯重量為1840kg。

（2）缸體力學性能要求如表1所示（單鑄試塊φ30mm）。

（3）采用多次試驗對比，在上一次試驗結果的基礎上，在保證力學性能的前提下提高碳當量，優化Cu+Cr合金組合再次驗證，確定最終化學成分工藝方案。

二、試驗方案

1.生產及試驗設備

生產及試驗采用的設備如表2所示。

2.原材料

感應電爐熔煉不像沖天爐在熔煉過程中與空氣、熾熱的焦炭接觸有強烈的冶金反應，燒損掉許多有害的微量元素，只是一個重熔的過程，因此使用感應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，對石墨形態、基體、硬度產生不利的影響，如Ti、Pb等。生鐵是鈦的主要來源，因此生鐵使用量的多少會直接影響材料中鈦的含量。在某生鐵廠舉辦的一次的交流會上，從試驗數據統計發現，隨著生鐵中Si含量的升高，Ti含量也升高，有很高的相關性，圖1為生鐵中Ti與Si的回歸分析擬合線圖。

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

（3）增碳劑 在感應電爐熔煉條件下，增碳技術的核心是使用高質量的增碳劑，這是增碳工藝中最重要的環節。增碳劑的質量決定了鐵液質量的好壞。經過高溫石墨化的晶質增碳劑，碳原子從原來的無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 力學性能要求

表2 生產及試驗設備

圖1 生鐵中Ti與Si的回歸分析擬合線圖

3.爐料配比

爐料配比如表3所示。

表3 配料配比 （%）

4.化學成分的選擇

（1）碳與CE的選擇 采用高的碳當量，可減小白口傾向及鑄件縮松、滲漏等缺陷，但同時會降低鑄件的力學性能。而對于發動機缸體這樣復雜的薄壁鑄件，從鑄造性能考慮，一般都選擇較高的碳當量。為使缸體具有良好的鑄造性能與力學性能，一般選擇wC＝3.15%～3.45%、CE＝3.8%～4.05%。

（2）硅與Si/C值 過高的Si/C值會導致石墨粗化，珠光體片間距增大，鐵素體含量也增加。在低碳當量的情況下，當Si/C＞0.55時，共晶點左移，初生奧氏體增多，共晶液相減少，擴大了凝固區間，缸體縮孔、縮松缺陷將會增加。對于采用較高碳當量鐵液的缸體鑄件，高Si/C并不能提高力學性能，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量，同時可有效降低共析轉變溫度，促使珠光體細化，片間距縮小。在灰鑄鐵中和硫的有害作用，阻礙FeS在晶粒或共晶團晶界處形成，減少或避免產生熱裂。與硫兩者之間含量的配合關系一般為：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，人們開始意識到其雙重性。硫在鑄鐵生產過程中并不是越低越好，硫在鐵液中溶解度很低，對鐵-碳系平衡相圖的影響不大，但從熱力學角度分析，硫降低碳在鐵液中的溶解度，增加碳的活度，理應是一種促進石墨化的元素，但實際上其與氧相似，在含量過高和過低時，都將促使鑄鐵組織白口化。鑄鐵通常控制wS＝0.06%～0.12%。

（5）磷 促進石墨化元素，作用程度與硅相似，使鑄鐵的共晶點左移，由于磷具有較低的熔化溫度以及可以降低鑄鐵熔點的緣故，因此磷能增加鑄鐵的流動性，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，在鑄件的凝固過程中，會伴隨著液態凝固收縮，在晶間最后凝固的鐵液空缺的體積得不到補充而形成縮松。一般控制wP≤0.08%。

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

（7）鉻 是強烈穩定碳化物、阻礙石墨化的元素。鉻的合金化效果是非常強烈的，加鉻使鐵液白口傾向增大，鑄件易收縮產生廢品。因此，一方面希望鐵液中含有一定量的鉻，細化石墨，增加珠光體數量，以提高鑄件的強度、硬度、耐熱性和耐磨性；另一方面又將鉻嚴格控制在下限，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定元素的負面作用，減輕鑄鐵的白口傾向，有利于保證鐵液的鑄造工藝性能，改善鑄鐵強度和組織均勻性，提高鑄鐵的可加工性。

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

通過以上對各元素的作用與分析，選擇化學成分如表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，消除或減少枝晶間縮松，提高鑄件致密性。

三、試驗結果

1.第一次試驗結果

（1）第一次試驗鑄件的化學成分如表5所示。

（2）單鑄試塊力學性能、本體硬度如表6所示，金相組織如圖2所示。

從試驗結果看，化學成分控制在設計范圍內，單鑄試塊力學性能、本體硬度比較理想，抗拉強度、本體硬度還有一定的富裕量，進一步提高碳含量（質量分數）至3.25%～3.3%，在保證力學性能前提下優化合金元素銅、鉻的加入量，具體如表7所示。

2.第二次試驗結果

（1）優化后鑄件化學成分、力學性能、本體硬度如表8、表9所示。

圖2 單鑄試塊金相組織

表4 選定的化學成分（質量分數） （%）

3.試驗結果分析

通過兩次試驗對比分析，可以得到如下結論：

（1）優化C、Cu、Cr成分 為了兼顧鑄造性能和力學性能，在第一次試驗數據的基礎上，將wC從3.21%提到至3.27%，優化Cu、Cr搭配，wCu從0.65%提高至0.73%，wCr從0.18%提高至0.23%，從試驗結果、試驗時間不同階段來看，力學性能、本體硬度符合技術要求，說明化學成分選擇是合適的。

（2）重點監控微量元素Ti 在不同時間階段試驗中，發現其含量在逐步增高，關于對缸體Ti含量多少的控制，通過從另外一種批量生產的缸體數據統計分析，對硬度有較大的影響，因此在生產中要嚴格監控Ti元素，為了穩定硬度在小范圍內波動，在生產中要嚴格監控Ti元素，可以在料倉預存一部分低Ti廢鋼，一旦光譜檢測鐵液Ti含量超標時進行調節使用。

（3）為了保證力學性能、本體硬度在小范圍內波動，縮小化學成分工藝范圍為：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%，并將此作為作業指導書的參照值。目前該缸體已經批量生產，從力學性能、本體硬度、機加工反饋信息來看，質量一直非常穩定。

表5 第一次試驗鑄件的化學成分（質量分數） （%）

表6 第一次試驗力學性能

表7 優化后控制化學成分（質量分數） （%）

表8 優化后鑄件化學成分（質量分數） （%）

表9 優化后力學性能與本體硬度

四、結語

（1）微量元素Ti對灰鑄鐵硬度影響很大，生產過程中對原材料應加以重點監控。

（2）為了兼顧鑄造性能和力學性能，在力學性能還有一定富裕量的情況下，適當地提高碳當量，對發動機缸體復雜的薄壁鑄件，可減小白口傾向及鑄件縮松、滲漏等缺陷。

（3）采用Cu+Cr微合金方式來提高力學性能，通過試驗進一步優化Cu+Cr合金搭配比例，從試驗結果上看較理想。目前該缸體已經批量生產，質量非常穩定。