微合金化對汽車發動機缸體材料性能影響的試驗研究

馮松，祖潤青，何怡

(1.江蘇聯合職業技術學院常州劉國鈞分院，江蘇 常州 213025;2.無錫英捷汽車科技有限公司，江蘇 無錫 214063；3.成都理工大學核技術與自動化工程學院，四川 成都 610059)

近年來，汽車行業的飛速發展拉動了經濟增長，這為汽車的生產帶來了機遇。眾所周知，在汽車制造中，發動機是汽車三大件之一，是汽車的核心部件，而發動機缸體材料性能直接決定了發動機的好壞，必須重點關注[1-3]。國外從20世紀60年代就開始研究使用鋁合金制造發動機缸體，但在生產中發現壓鑄成型過程中鋁合金缸體容易產生針孔缺陷，同時，鋁合金缸體熱膨脹系數與其他裝配件差異大，使得缸體與其他部件極易產生使用問題[4-8]。鑒于此，目前國內外逐漸將發動機缸體的材料集中到鑄鐵材質上來。如何在減少發動機缸體壁厚的同時不降低缸體的強度是一個重要方向[3-7]，國內外學者在這方面已經做過大量研究工作。國內無錫柴油機廠在碳含量為3.9%～4.1%情況下，通過添加一定量合金元素進行合金化處理，改性后的材料抗拉強度達到250 MPa[3-9]。孫東等[4-9]研究了鈮對碳含量為3.0%～3.4%的灰鑄鐵性能的影響，結果表明，添加小于0.3%的鈮能使材料牌號由HT200提升至HT250。鈮元素作為一種合金化元素，已經在鋼中得到了充分應用，其作用主要表現為相變強化、細晶強化以及第二相強化[8-13]。本研究通過在發動機缸體用鑄鐵材料中添加鈮進行合金化，以期提高鑄鐵的綜合性能，為發動機缸體材料選材提供參考。

1 試驗

試驗采用的主要原料包括生鐵、硅鐵、廢鋼以及增碳劑等，主要原料化學成分如表1所示。選用Mo、Ni以及Nb作為合金化元素，孕育劑選用稀土鈣鋇，按試驗的目標鐵液化學成分進行配料，設計了7組配比，如表2所示。采用GGW-12型150 kg中頻感應爐熔煉試驗樣品，孕育劑稀土鈣鋇加入量為0.6%(質量分數)，鐵液澆包時采用沖入法加入孕育劑，隨后進行攪拌和扒渣處理，最后采用砂型鑄造得到樣品。試驗中，合金添加劑Mo是以鉬鐵的形式加入，Nb是以鈮鐵(FeNb60)的形式加入，均是和主要原料一起加入、一起進行熔煉。在熔煉過程中，采用APL4450直讀光譜分析儀對熔煉鐵液成分進行測定，進而控制鐵液成分，熔煉試驗用鐵液的澆鑄溫度為1 485 ℃左右。由于試樣鑄造后鑄件中含有較大的應力，且發動機缸體需具有較好的韌性、抗疲勞性以及耐磨性等，因而需要進行熱處理優化。試驗采用等溫淬火的方式對鑄造后的樣品進行處理，在850 ℃進行奧氏體化0.5 h，然后在300 ℃進行等溫淬火0.5 h，等溫淬火的介質為硝酸鉀鹽。鑄件經熱處理后鑄件進行樣品制備。拉伸試樣按照GB/T 228-2002進行加工制樣，采用RGM-4100電子萬能試驗機進行測試。沖擊試樣制備成10×10×55 mm標準試樣，采用JB40A沖擊試驗機進行試驗。采用HB-1000布氏硬度計對試樣的硬度值進行測試。熱疲勞試驗樣品尺寸為20×20×20 mm，采用SXW-100箱式電阻爐對其進行測試，加熱溫度550 ℃，每個循環10 min，當試樣沖擊主裂紋超過7 mm時，記錄熱循環次數。試樣的耐磨性能采用HT-1000摩擦磨損試驗機進行測試，采用Cr18材料為對磨材料，試樣尺寸為10×10×20 mm，對磨環轉速為380 r/min，載荷為200 N，在室溫條件下進行干摩擦，試驗后采用島津天平稱量磨損量。所有試驗樣品制樣8件，且均按國家標準進行制樣。采用FEI-quanta200掃描電鏡對試樣微觀形貌進行分析。

表1 試驗用主要原料化學成分

表2 試驗配比化學組成

2 結果分析與討論

2.1 微合金化對缸體材料抗拉強度和顯微硬度的影響

圖1a和圖1b分別示出添加不同量合金元素進行合金化后試樣抗拉強度和顯微硬度變化趨勢。從圖1中可見，抗拉強度和顯微硬度變化趨勢一致，均是隨著合金元素添加量的增加而逐漸增大。未添加Nb、Mo以及Ni時，試樣的抗拉強度為295.6 MPa，顯微硬度為201 HB。隨合金元素Nb和Mo增加至0.16%，Ni增加至0.3%時，樣品的抗拉強度和顯微硬度增幅較緩慢，此時，試樣的抗拉強度為315.6 MPa，顯微硬度為223 HB。隨合金元素添加量進一步增加，試樣的抗拉強度和顯微硬度明顯增加，當Nb和Mo添加量增至0.24%，Ni添加量增至0.4%時，抗拉強度和顯微硬度分別為351.2 MPa和235 HB。分析可知，Nb和Mo均為強碳化物元素，共同加入可與鐵液中的C結合形成NbC等顆粒，這些顆粒可起到形核作用，從而細化石墨。經過合金元素形核細化的石墨在鑄鐵凝固過程中向四周發散生長，此時，鑄鐵中奧氏體析出相會依附在其周圍。同時，合金元素Ni的添加雖然不與碳形成碳化物，但Ni也可細化鐵素體晶粒，起強化作用。另外，合金化后的缸體材料樣品中均添加了0.2%的V，V的添加可以固溶于α-Fe中，還可促進二次碳化物析出。因此，隨著合金元素加入量增加，細化石墨越來越多，且變得更加細小，從而大大減小了石墨對基體的割裂作用，進而使得鑄鐵材料抗拉強度和沖擊韌性大大提高。

圖1 抗拉強度和顯微硬度隨合金元素添加量的變化

2.2 微合金化對缸體材料沖擊韌性和疲勞壽命的影響

表3示出添加合金元素合金化改性后鑄鐵樣品沖擊韌性和熱疲勞壽命測試結果。從表3中可見，未添加合金元素時(H1配比)，鑄鐵樣品的沖擊功為6.5 J/cm2，熱疲勞壽命為712次。隨合金元素Nb和Mo添加量增加至0.16%，Ni添加量增加至0.3%時，鑄鐵樣品的沖擊功和熱疲勞壽命急劇升高，隨后呈現平臺震蕩走勢，此時，鑄鐵樣品的沖擊功為7.6 J/cm2，熱疲勞壽命為985次。除了2.1節中所述合金元素添加可細化石墨作用以外，Mo、Nb以及Ni在鑄鐵組織中還可以固溶體的形式存在，而V的添加可以促進二次碳化物析出，圖1b中顯微硬度逐漸增加，即可反映合金元素的添加起到了固溶強化作用。細化石墨作用使得沖擊韌性得到提高，固溶強化作用使得微裂紋在鑄鐵中珠光體組織中的擴展得到抑制，從而使得鑄鐵樣品的熱疲勞性能得到大幅提升。

表3 沖擊功和熱疲勞壽命隨合金元素添加量變化結果

2.3 微合金化對缸體材料石墨長度的影響

圖2示出鑄鐵樣品中石墨長度隨Mo、Nb以及Ni添加量變化趨勢。可以發現，隨Mo、Nb以及Ni添加量增加，鑄鐵樣品中石墨長度先變小后增加。未添加合金元素Mo、Nb以及Ni時，鑄鐵樣品石墨長度約為0.32 mm，當Mo和Nb添加量增加至0.20%，Ni添加量增加至0.35%時，石墨長度縮短至0.19 mm。圖3示出不同合金元素添加量下試樣石墨形貌。從圖3a中可見未經合金化的樣品中初生奧氏體枝晶數量較少，枝晶間距較大。圖3b示出合金添加量Mo和Nb為0.16%，Ni添加量為0.3%時試樣石墨形貌。從圖3b可見，經過合金化的樣品，其二次枝晶較發達，且枝晶間距非常小。同時，由于合金元素中的Nb是強碳化物形成元素，在鑄鐵材料凝固之前，會在鐵液中形成細小的NbC，從而為石墨起到形核作用，最終可細化石墨。石墨長度變短反映了添加合金元素進行合金化可細化石墨，石墨細化是鑄鐵樣品力學性能提高的重要原因。細化的石墨外表由于奧氏體依附，逐漸形成以碳化物為中心的細化石墨團，外表有枝丫狀奧氏體。隨合金元素添加量的增加，石墨團數量越來越多，每個石墨團表面奧氏體枝丫相互交錯在一起，最終使得石墨團之間的連接強度大幅增加，宏觀上表現為鑄鐵材料抗拉強度和沖擊韌性提高。

圖2 石墨長度隨合金元素添加量變化曲線

2.4 微合金化對缸體材料耐磨性能的影響

圖4示出所制備的鑄鐵樣品耐磨性能曲線。從圖中可見，隨著磨損時間延長，各個樣品的磨損量均出現了增加，在磨損時間相同時，H1樣品磨損量最大，而H5樣品磨損量最小。當磨損時間為60 min時，H5樣品的磨損量為0.089 g。結合圖1、圖2以及圖3可知，樣品的耐磨性能與樣品的力學性能有關，同時，與熱處理后鑄鐵內部組織有關。從圖4中可見，H5樣品相對于H4樣品耐磨性能發生突變，這很有可能是內部組織發生了明顯變化引起的。這是因為，當合金量添加較少時，影響磨損量的主要因素是鑄鐵材料的本體硬度和強度，當合金添加量逐漸增加時，在磨損過程中由于合金含量的增加，發生黏著磨損的概率大大增加，因而出現當合金添加量超過H5配比后樣品磨損量增加的現象。

圖4 經熱處理后樣品耐磨性能曲線

2.5 微合金化對組織的影響

綜合分析鑄鐵樣品性能，重點兼顧鑄鐵試樣的熱疲勞性能后可知，試驗中較佳合金添加量Mo和Nb為0.16%，Ni添加量為0.3%，V添加量為0.2%。圖5分別示出H1樣品(未合金化)和H5樣品(合金化)SEM顯微結構形貌。圖中顯示，未合金化和合金化樣品的組織均呈條狀分布，且以析出相形式存在。同時，從圖中還可以看到，在珠光體組織之間還存在較大塊的晶界碳化物組織。對比可知，經過合金化處理后，鑄鐵樣品中珠光體片間距組織變得更加細小。通常情況下，在鑄鐵樣品內部，珠光體片間距與抗拉強度呈反比關系，在組織的形成過程中，珠光體的片間距取決于奧氏體的共析轉變速度，合金元素的加入可以顯著提高鑄鐵組織中共析轉變的過冷度，加快共析轉變的速度，使得鑄鐵組織中滲碳體和鐵素體沒有足夠時間長大，珠光體片間距得以縮小，從而大大改善微觀組織分布，提高力鑄鐵材料宏觀力學性能。

圖5 樣品合金化前后顯微結構形貌

3 結論

a) 以生鐵、硅鐵、廢鋼以及增碳劑等為主要原料，以Mo、Nb、Ni以及V作為合金化元素制備了汽車發動機缸體用鑄鐵材料，試驗結果顯示，合金元素添加能顯著提高鑄鐵材料性能；

b) 當合金元素添加量Mo和Nb為0.16%，Ni為0.3%，V為0.2%時，鑄鐵材料各項性能較優，從工程應用角度能夠獲得較好的綜合性能，此時鑄鐵材料樣品的抗拉強度為315.6 MPa，顯微硬度為223 HB，沖擊功為7.6 J/cm2，磨損60 min后磨損量為0.089 g，熱疲勞壽命為985次；

c) 微觀結果分析表明：合金元素的加入可以使鑄鐵內部珠光體組織片間距減小，同時可以細化石墨，形成細小的石墨團，部分合金元素可在基體中產生固溶強化作用。