铸造杂志 2022-11-24 08:33 发表于辽宁
摘要：通过蠕铁材料试验，找到了蠕化剂和合金的合理加入范围，保证蠕化率可以在85%左右，抗拉强度达到RT450。采用快速铸造的方式开展蠕铁缸体的试制，经解剖分析，蠕铁缸体本体的蠕化率在80%~90%，抗拉强度大于450 MPa。
随着国内发动机排放标准的提高以及大功率发动机的需求，传统灰铸铁缸体已经不能满足使用要求。蠕墨铸铁同灰铁相比，其石墨长度较短而厚，端部较圆，长厚比在10以下且表面粗糙，较圆的端部能抑制裂纹的发生和扩展，粗糙的表面能限制石墨的脱离，抗拉强度提高至少70％，弹性模量提高35％，而疲劳强度提高近一倍。同时蠕墨铸铁发动机可以减轻发动机的重量10％~15％，最多可达29.4％。因此蠕墨铸铁因其优良的力学性能、耐热疲劳性能，将成为发动机缸体材料的一个重要选择。
目前，缸体类铸件仍然绝大部分沿用高强灰铸铁材质，随着灰铁牌号的提高，产品存在许多问题，如渗漏、性能不稳定、成本增加等。国外早在20世纪70年代就把蠕墨铸铁用于制造发动机，福特、欧宝、宝马、克莱斯勒等著名汽车厂商都将蠕墨铸铁缸体在汽车发动机上应用，国内一汽、重汽等主机厂都已经开始大批量生产蠕铁缸体，并在发动机上得到很好的应用。据报道，一汽从2020年开始每年提供20多万件蠕铁缸体。
本文主要针对某非道路柴油机开展材料试验，旨在找到在一定S含量条件下，能够达到缸体蠕化率的蠕化剂加入量，以及合适的合金加入量，从而达到缸体的力学性能需求，同时采取快速铸造的方式在缸体上进行试制。
1 材料试验
1.1 试验条件及试验方案
试验采用500 kg中频感应电炉熔炼，冲入法蠕化处理工艺，蠕化剂为自制，具体成分见表1。蠕化包的容量约70~80 kg，为了提高吸收率，保证蠕化效果，每包处理铁液约60 kg，一炉处理9包。试验通过检测蠕化率、珠光体含量、力学性能和成分等，对一定S含量条件下蠕化剂的适宜加入范围进行研究。
表1 蠕化剂的成分
炉料按照表2称重。试验时每包浇注Y型试块（Y型试块按照国标GB/T26655—2011制作）2块、成分样1块、快速金相样2块（首末各一块）。为了保证试验的成功率，前三包蠕化剂分别按预定的低、中、高三种加入量加入，处理完后检查浇注的Φ12 mm圆柱试样蠕化率，发现其蠕化率太低（几乎呈球铁状），为了保证较高的蠕化率，将蠕化剂的加入量适当减少，第四包到第六包蠕化剂按0.7%（0.42 kg）加入，第七包到第九包蠕化剂按0.6%（0.36 kg）加入。试验方案如表3所示。实际炉前加入量及浇注温度等试验数据如表4所示。
表2 炉料配比
表3 试验方案
表4 试验数据
1.2 试验结果与分析
试验结束后首先检查了各包所浇的圆柱试样的宏观断口特征，发现第1~3、5、6包断口特征与球铁相似，其余包次圆柱试样的宏观断口为蠕铁断口特征，故选择性地对第4、7、8、9包的力学性能、金相和成分进行检测，其全部检测结果如表5所示，金相照片如图2所示。
表5 化学成分及力学性能
图2 金相组织
（1）由图2所示，在含硫量一定的情况下，随着蠕化剂量加入量的减少，蠕化率有所增加，当蠕化剂加入量为0.54%时（第9包），其蠕化率太高（95%），有出现片状石墨倾向（图2d）；随着蠕化剂量的增加，当蠕化剂加入量为0.62%时，蠕化率达到85%，蠕化效果良好（如图2a）。国标GB/T26655—2011中明确提出，蠕墨铸铁应在其二维抛光平面上至少有80%的蠕虫状石墨，故可以得到初步结论：当硫含量在0.03%左右时，蠕化剂的合理加入范围应在0.55%~0.65%。
（2）Sn的作用可看作为Cu的10倍，则Cu、Sn综合含量最低包次（第4包和第7包）的珠光体含量及硬度仍然较高，试验结果表明Cu、Sn综合含量（Cu+10Sn）还应该降低，即低于0.94%。
2 缸体试制
2.1 熔炼工艺的选择
根据材料试验结果，制定了蠕铁缸体用化学成分，见表6所示。出铁时采用500 kg球化包，在包内依次加入0.6%的蠕化剂和0.6%的孕育剂（75硅铁），并在上面覆盖一定量的铁屑。出铁温度控制在1 480~1 510 ℃，浇注温度控制在1 380~1 420 ℃。
表6 蠕铁缸体化学成分
2.2 铸造工艺设计
蠕铁缸体的铸造工艺性与灰铁相近，故采用与灰铁缸体一样的平浇方案，铸造工艺设计如图3所示。为了降低试制费用，缩短试制周期，采用3D打印技术开展蠕铁缸体的试制，将缸体的砂型分为以下几个部分：上盖板1块、侧板4块、下底板1块、缸筒芯4个、油道芯1个、水套芯1个、挺杆室芯1个。分型后的装配效果如图4所示。
图3 铸造工艺
图4 装配效果图
2.3 缸体浇注与分析
缸体按照所设计铸造工艺进行砂型3D打印后，用石墨涂料进行刷涂、烘干，并进行装配、围箱，按照熔炼工艺进行铁液的熔炼、炉前处理后，进行浇注。
待铸件冷却后，对其进行解剖（图5），未发现有铸缺陷。在缸体的轴瓦和缸筒处分别取样，按照GB/T26655—2011，制成d0=10 mm的标准试样，对其金相和力学性能进行检测，检测结果见表7和图7。
表7 缸体本体力学性能
图5 缸体剖面
图6 本体试样
图7 缸体本体蠕化率
缸体本体力学性能满足RT450的要求，且本体的蠕化率达到了80%以上，完全可以满足高强度发动机缸体的需求。
3 结束语
试制蠕铁缸体时，当硫含量在0.03%左右时，蠕化剂的合理加入范围应在0.55%~0.65%，缸体抗拉强度可以达到450 MPa，缸体的厚大部位法兰的蠕化率可以达到90%，较薄部位缸筒的蠕化率可以达到80%。缸体试制的成功为蠕铁缸体批量生产提供了一定的技术支持。
来源：《铸造》杂志202210期
编辑：刘东辉
审核：曲学良
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