發動機缸蓋用雙合金材料的制備與性能研究

張延京 李俊英

摘要：為優化某商用車現役灰鑄鐵缸蓋難以兼顧導熱性、高強度和抗氧化性等性能需求，采用鑄型中預制不同厚度金屬隔板的方法制備出一側為灰鑄鐵另一側為球墨鑄鐵的雙金屬材料，并研究了該材料結合層附近的組織性能。結果表明，采用0.5mm厚度的純鐵隔板，鐵液澆注溫度控制在1340℃左右，能夠制備出鑄件結合層附近的石墨形態由球狀石墨-蠕蟲狀石墨-層片狀石墨過渡的復合鑄鐵材料，且該材料結合層附近的抗拉強度及硬度與灰鑄鐵材料性能相當，為后續生產鑄造提供了技術可行性支撐。

關鍵詞：灰鑄鐵缸蓋；球墨鑄鐵；復合鑄鐵；結合層

大功率柴油發動機缸蓋用的灰鑄鐵的導熱性能優良，但強韌性、抗疲勞性能較差；而球墨鑄鐵的突出優點之一是強度高，高溫抗氧化和熱疲勞性能較好，但由于球墨鑄鐵的石墨尺寸較小，不利于其對熱量的傳導[1，2]。本文研究的目的是為優化現有鑄鐵缸蓋普遍采用的均質材料難以兼顧導熱性、強韌性和抗氧化性等缺點，在鑄型中增加金屬隔板，并通過雙金屬液澆注的方法將導熱性較好的灰鑄鐵與高強韌、抗氧化性好的球墨鑄鐵冶金結合在一起，從而可以主動調控鑄件不同部位的材料性能。

試驗方案

1.試驗材料

金屬隔板選用不同厚度的工業用高純鐵板（Fe元素含量99.995%，其余雜質元素含量均低于0.001%），試驗用灰鑄鐵和球墨鑄鐵為某型號缸蓋用定制鑄鐵合金。

2.試驗方法

試樣采用膨潤土+石英砂型鑄造，將基爾試塊模具埋入砂型中做出鑄件型芯，分別將不同厚度的高純鐵板豎直插入型腔中間部位固定，在中間隔板的兩側，各建立一個澆冒口系統，采用底注式澆注，并在每個澆道底部安置一個熱電偶，檢測鐵液進入鑄型時的初始溫度。鑄件及模具見圖1。高純鐵板使用前需經過10%的稀鹽酸超聲清洗15min后烘干，以去除其表面的氧化物。

將生鐵和廢鋼以一定比例置于中頻感應熔煉爐中，采用IMPAC手持式紅外測溫儀對澆包中的鐵液溫度測定，升溫至1480～1490℃鐵液出爐。將出爐的鐵液平均倒入兩個澆包中分別孕育成灰鑄鐵以及孕育球化為球墨鑄鐵，之后將澆包中的鐵液向模具上的兩個澆口中分別澆注，直至澆滿整個基爾試塊鑄件。

分別采用0.5mm、1mm和2mm不同厚度的純鐵隔板放置在鑄件中間將兩種鐵液分隔。兩種鐵液溫度差±10℃，考慮到若澆注溫度過低，則會引起冷隔、澆不足等缺陷；澆注溫度過高，則會引起鐵液中元素燒損過量，因此將澆注溫度范圍控制在1340～1350℃ [3，4]。

在兩側澆道底部各安置一個熱電偶，以檢驗兩種鐵液的實際澆注溫度與紅外測溫儀檢測溫度的誤差（誤差±10℃）。在澆注過程中要求兩種金屬液面上升高度在任意時刻均保持一致，以減少純鐵隔板兩側的壓差。如果壓差過大，會引起隔板向壓力小的一側傾斜，可能影響鑄件結合層位置的精度。因此，在澆注過程中需要控制兩種金屬的澆注速度。

將澆注的試樣沿純鐵隔板附近縱向切取試樣，采用光學金相顯微鏡觀察結合層附近隔板熔解的厚度以及兩種金屬液界面結合情況。采用液壓萬能試驗機進行試樣的室溫拉伸測試，測試試樣的抗拉強度，每組試樣取3個進行拉伸測試取平均值。拉伸試樣標準采用GB/T 228，尺寸如圖2所示。采用布氏硬度機測試3組試樣的布氏硬度，每組試樣選取一個進行檢測，分別在選取的試樣灰鑄鐵、球墨鑄鐵以及中間結合部位各取3個點進行測試，之后求出3個試樣不同區域的布氏硬度平均值。

實驗結果及分析

1.不同厚度的純鐵隔板對結合層部位組織的影響

（1）不同厚度的純鐵隔板熔解厚度的影響 試驗結果表明，結合層附近圖3所示為采用1mm和2mm厚度的隔板，澆注溫度為1340℃時澆注的基爾試塊鑄件中間結合層部位的金相組織。

從圖3中可以明顯看出，隨著隔板厚度的減薄，隔板的熔解厚度增加，且鑄鐵中的石墨與珠光體組織滲透進隔板中，說明鐵液與隔板發生冶金結合。

采用0.5mm厚度的隔板鑄造的基爾試塊，在澆注過程中純鐵隔板對澆注進模具中的兩種鐵液起到了物理隔離作用，但由于鐵液在澆注過程中溫度極高且會對隔板起到流體沖蝕作用，故兩種鐵液最終將隔板完全熔化。由于兩種鐵液相互接觸，兩種鐵液中發生了溶質的擴散，球墨鑄鐵中的鎂元素向灰鑄鐵中擴散，導致結合部位處球墨鑄鐵一側范圍內的鎂元素含量下降，在鐵液凝固過程中發生球化衰退現象，導致在結合層處生成了約2.5mm厚度的蠕墨鑄鐵區域，最終形成了鑄件結合層附近的石墨形態由球狀石墨-蠕蟲狀石墨-層片狀石墨過渡，其結合層附近金相組織如圖4所示。

該圖由6張連續拍攝的照片拼接而成，從左向右顯示出鑄件結合層處石墨形態的變化，照片部分有重疊。

不同厚度隔板的熔解情況見表1。

（2）不同厚度的純鐵隔板對試樣結合層附近性能的影響

1）室溫抗拉強度試驗。對1、2、3三組試樣進行拉伸測試。測得第1組試樣平均抗拉強度σb=259MPa，第2組試樣平均抗拉強度σb=254MPa，第3組試樣平均抗拉強度σb=253MPa。通過拉伸端口組織觀察發現三組試樣斷裂部位均在灰鑄鐵一側，沒有在隔板結合處撕裂，說明試樣結合層部位發生冶金反應后的強度比灰鑄鐵區域高。

2）布氏硬度檢測。對1、2、3三組試樣進行布氏硬度測試，檢測結果見表2。

從表2可以看出，在結合層部位，三組試樣的布氏硬度值有較明顯差異，而在遠離結合層部位的基體布氏硬度值差異不大。第3組試樣中純鐵隔板剩余厚度約為0.65mm，且由于工業純鐵碳含量非常低，所以其結合層附近的硬度值很低。第2組試樣由于隔板剩余厚度比第3組試樣少，且從圖3a中可以看到結合層附近的珠光體組織與隔板結合為一體，而珠光體量增加會使得硬度上升，所以第2組試樣結合層部位布氏硬度值比第3組試樣高一些。第1組試樣中隔板完全熔解，其結合層部位為蠕墨鑄鐵區域，從圖4可以看出，該區域中珠光體含量比該試樣的灰鑄鐵區域內的珠光體含量高，從而其硬度值比第2、第3組試樣的結合層部位高。

結語

試驗表明，采用0.5mm厚度的純鐵隔板，鐵液澆注溫度控制在1340℃左右，能夠制備出鑄件結合層附近的石墨形態由球狀石墨-蠕蟲狀石墨-層片狀石墨過渡的鑄鐵材料。該材料結合層附近的抗拉強度及硬度與灰鑄鐵材料性能相當，可以為后續生產鑄造提供技術支撐。

參考文獻

[1] 范洪遠，唐正華，李偉. 碳對鑄鐵導熱性的影響規律［J］. 機械工程材料，1996，20（2）：44-48．

[2] 武岳，李建平，張延京，等. 熱處理工藝對RuT300蠕墨鑄鐵力學性能與導熱性能的影響［J］.材料熱處理學報，2017， 38（2）：143-151.

[3] 王萬珍.灰鑄鐵澆注過程控制[J].內蒙古科技與經濟.2015，3（6）：744-747.

[4] 曹健，高文理，岑鴿，等. Ni、Si、Sb及澆注溫度對厚大斷面低溫鐵素體[J].鑄造技術，2010，12（31）：1537-1541.