氣缸套中D型石墨的生成與影響

嚴繼斌

摘要：在離心鑄造氣缸套的生產中，由于低碳當量和較大過冷度，組織中會出現D型石墨，根據D型石墨的生成條件，從鐵水成分﹑生鐵組織﹑過熱溫度﹑孕育處理﹑快速冷卻等方面分析了D型石墨的生成原因，闡述了D型石墨對氣缸套的影響，并提出了生產中防止D型石墨產生的工藝措施。

Abstract： In the production of centrifugal cast cylinder liner， due to low carbon equivalent and large supercooling degree， D-type graphite will appear in the structure.? According to the formation conditions of D-type graphite， the formation reasons of D-type graphite are analyzed from the aspects of molten iron composition， pig iron structure， overheat temperature， inoculation treatment， rapid cooling， etc.， the influence of D-type graphite on the cylinder sleeve is described， and the technological measures to prevent the production of D-type graphite are put forward.

關鍵詞：氣缸套;D型石墨;碳當量;過冷度

Key words： cylinder liner;D type graphite;carbon equivalent;degree of super-cooling

0? 引言

船用柴油機的氣缸套，由于工作時直接與高溫高壓燃氣接觸，在惡烈的工況條件下，既要承受機械應力和熱應力的作用，又要承受冷卻介質的腐蝕，因此對氣缸套的內在質量有較高的要求，規定氣缸套不僅具有較高的強度和耐磨性，同時要有耐腐蝕和抗疲勞性能。要求氣缸套金相組織中的石墨組織應為細片狀A型石墨，不允許或限制其他類型存在。在離心鑄造氣缸套的生產中，因其工藝特性常會出現D型石墨，人們通常認為D型石墨是有害的類型，會影響鑄鐵機械性能下降，但對其產生的原因﹑如何影響機械性能，未作進一步的研究。從氣缸套的生產出發，本文對D型石墨的生成及對氣缸套的影響進行了研究。

1? 生產條件

氣缸套采用金屬型離心鑄造的方法生產，這樣能獲得組織致密﹑性能優良的鑄件。熔煉設備采用0.5T中頻感應電爐，易于分析控制成分。氣缸套的材料為高強度合金灰鑄鐵，鐵水為亞共晶成分CE%=3.6～4.3%，常用合金微量元素有V、Cu、B、Mo、Cr、Nb、Ni、Ti等。生產中生鐵廢鋼加入爐中熔煉，調整成分合格，達到出爐溫度后，經過孕育處理，澆入高速運轉的金屬模具中，待鐵水結晶凝固后脫模，完成毛坯生產。從毛坯本體切取環片，在斷口處觀察金相組織。

2? D型石墨的特征及生成條件

GB7216—87對灰鑄鐵石墨形態進行了分類說明，指出了D型石墨的基本特征：D型石墨為點﹑片狀枝晶間石墨，呈無向性分布?；诣T鐵的D型石墨，又稱為“過冷石墨”，是在成核條件較差（如碳當量低），冷卻速度快，較大過冷度的情況下形成的。在結晶溫度下，石墨在較大的過冷度下成長，鐵液首先結晶出發達的初生奧氏體，剩余的鐵液在初生奧氏體枝晶間快速共晶生長，形成許多細小的無一定排列方向的石墨核心，這些石墨核心進行微小生長，成點﹑片狀分布。這種細小的D型石墨常在較高牌號（碳當量低）﹑壁薄（冷卻較快）的灰鑄鐵鑄件中出現。

3? D型石墨的生成原因

3.1 低碳當量鐵水成分

氣缸套較高強度和耐磨性的條件要求，使灰鑄鐵化學成分偏向于低碳當量（亞共晶鑄鐵），在低碳當量成分條件下，鐵水中預埋石墨結晶核心減少，石墨成核能力差，過冷度也有所加大，石墨只能是在初晶奧氏體枝晶內共晶形成和長大，生成D型石墨的傾向加大。而且碳當量越低，這種傾向越大。為獲得更好的強度和耐磨性，加入一定的微量元素是比較好的途徑，添加微量合金元素，有利于碳化物的形成，改善組織，提高耐磨性，但同時部分合金元素的反石墨化作用，也阻礙石墨的析出和生長，而且提高了過冷度，為D型石墨的形成創造了條件。為防止D型石墨的產生，獲得理想的鐵水質量，低碳當量選擇適當的鐵水成分，要注意碳﹑硅的配比Si/C，硅是促進石墨化的元素，Si/C較低時，促進石墨化的能力弱，容易形成E型石墨，同時會出現白口組織，Si/C過高時，促進石墨化的能力增強，石墨核心增多，容易形成D型石墨。恰當的碳﹑硅量，可以提高灰鑄鐵的機械性能，同時也是良好孕育處理的前提。生產氣缸套時，C為3.0%，Si/C在0.7～0.75，是比較理想的結果。

3.2 生鐵的組織遺傳

爐料的組織遺傳是客觀存在的，尤其是生鐵。生鐵是生產灰鑄鐵的主要原材料，生產中使用較多。在生鐵冶煉生產過程中，出爐溫度低及爐內成分的不均勻，為D型石墨的生成提供了條件。在灰鑄鐵熔煉過程中，由于石墨的熔點比較高，要改變生鐵組織中原有的石墨形態，獲得理想的A型石墨是比較困難的。在鐵水熔煉時，通過較高的熔煉溫度可以改善石墨的形態，但仍有部分的石墨會以原始狀態的形態D型石墨存在下來，從而遺傳到灰鑄鐵的組織中。

3.3 過熱溫度與保溫時間

在灰鑄鐵熔煉過程中，可以通過提高鐵水熔煉溫度和靜置保溫來達到凈化鐵水的目的。同時，對改變生鐵原始石墨形態，消除D型石墨也有好處。但較高的過熱溫度，使碳處于燒損狀態，妨礙了游離碳的聚集。從鐵水的成核能力來說，無疑是減少了鐵水中原有的預存石墨結晶核心，成核能力下降。如果過熱溫度太高，則過冷度增大，同時也加大了D型石墨的生成傾向。所以，熔煉鐵水過熱溫度不宜太高，在靜置相當的時間即可出爐。在生產中，推薦過熱溫度為1450℃～1500℃，過熱時間不超過5min。

3.4 孕育處理

鐵水出爐后，澆注之前，把孕育劑以適當的方式添加到鐵水中進行孕育處理。生產中75SiFe是比較常用的孕育劑。孕育處理的作用是不言而喻的，可以細化晶粒﹑細化組織，對鑄鐵的力學性能和使用性能有顯著的改善。鐵水經過過熱處理，碳元素出現燒損，伴隨而來必然是成核能力的下降，通過孕育劑的加入，Si含量提高，加大了異質晶核的數量，石墨化的能力增強，增加了鐵水本身缺乏的石墨形成基底，從而降低了石墨共晶凝固的過冷度，破壞了D型石墨的形成條件，有效地消除組織中的D型石墨，對石墨形態發生積極的影響，值得注意的是，生產中應防止孕育衰退的出現，孕育衰退會導致鑄鐵的白口傾向增加。除了加入量和孕育處理后的保持時間影響孕育效果以外，孕育劑的顆粒度也對孕育衰退作用有明顯的影響。因此，孕育劑的顆粒度也要合理地選定，常規下顆粒度在8～10mm即可滿足生產要求。

另外，瞬時孕育和復合孕育工藝也被人們所重視，越來越廣泛地應用在實際生產中。

3.5 冷卻速度和過冷度

氣缸套采用金屬模離心鑄造的的方法制造，鐵水澆注進入旋轉的金屬模中，在離心力的作用下結晶凝固，由于鐵水直接接觸金屬模，冷卻速度極快，過冷度較大，容易形成過冷石墨。為追求更加致密的鑄造組織，有些企業甚至采用水冷金屬模的方式來提高冷卻速度，這樣就更加大了過冷石墨的形成，極易導致白口。為盡量避免這種情況的出現，在離心鑄造的生產工藝上有必要對鐵水的澆注溫度、澆注速度、金屬模的預熱溫度、水冷時間、脫模溫度等工藝參數進行控制。

通常情況下，澆注溫度：1320℃，澆注速度約：15kg/s，金屬模的預熱溫度：200℃，水冷時間視冷卻效果確定，脫模溫度：800℃。

4? D型石墨對氣缸套的影響

金屬模離心鑄造氣缸套時，金屬型大大提高了凝固速度，增大了過冷度，在氣缸套的金相組織中，比較容易出現D型石墨。由于D型石墨的存在，其不同于A型片狀石墨的形態、大小和數量，也會對氣缸套的力學性能和使用性能產生影響。

灰鑄鐵中組織中，石墨的存在對基體造成縮減和切割作用，使鑄鐵金屬基體受到削弱，表現為灰鑄鐵的強度大大降低。

從形態上來看，D型石墨為點﹑片狀枝晶間石墨，呈無向性分布，同時D型石墨的片狀比A型石墨細小，而且鈍邊，不容易引起較大的應力集中，比A型石墨對基體的切割作用要小得多，相對于A型石墨，組織中石墨為D型的灰鑄鐵抗拉強度比較高，在國外，高強度的D型石墨灰鑄鐵也得到了應用。那么D型石墨的存在是不是要優于A型石墨，而不加以限制呢？其實不然。有關文獻說明，D型石墨和A型石墨鑄鐵有著不同的強化機理，A型石墨提高鑄件性能的途徑主要是通過細化共晶團，而D型石墨組織強化的途徑是對奧氏體骨架網絡結構進行固溶強化，A型石墨和D型石墨混合共存時強化機制得不到充分發揮，反而使灰鑄鐵的強度降低。另外，鑄態組織中出現D型過冷石墨，同時伴生多量鐵素體，而鐵素體增多降低了鑄件的硬度，增大了咬合磨損，降低了耐磨性，從而降低材料的力學性能。

從石墨的大小來看，D型石墨相對于A型石墨更加細小，潤滑油的貯存能力較弱，對氣缸套的耐磨性的影響也是不利。

因此，從氣缸套材料的力學性能和使用性能來講，對以A型石墨組織為主的氣缸套，在金相組織中對D型石墨的含量進行控制是很有必要的。

5? 結論

①金屬模離心鑄造氣缸套，灰鑄鐵組織中會產生D石墨。

②D型石墨的存在，對氣缸套的抗拉強度和耐磨性有影響，對其在鑄鐵組織中的含量必須加以限制。

③在氣缸套的生產過程中，通過采取一些工藝措施，可以減少或消除D型石墨，獲得力學性能和使用性能良好的氣缸套。

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