奧貝球墨鑄鐵在船舶發動機氣缸套中的應用

■ 張加中，戚娟娟，高金剛

“十二五”期間，我國內燃機行業將應對國內外發展環境的重大變化，保持全行業經濟效益的穩定增長，同時堅決履行節能減排的重大社會責任。船舶大功率發動機是主要的燃油消耗源和污染排放源，在全行業節能減排中將肩負重大的歷史責任和社會責任，同時船舶發動機氣缸套作為主要易損件，制造過程中消耗大量原材料和煤電能源。因此研發高強度、高耐磨性能的船舶發動機氣缸套，延長氣缸套正常使用壽命具有重要意義。

一、合金鑄鐵與奧貝球墨鑄鐵的比較

目前，船舶發動機氣缸套材質多采用磷銅鈦、釩鈦、鎳鉬銅等合金鑄鐵，熱處理選用滲氮處理，氣缸套抗拉強度為250～300MPa，硬度為230～290HBW，強度及耐磨性差，缸套使用壽命短，發動機能耗高，排放超標。

等溫淬火球墨鑄鐵是通過等溫淬火處理得到以奧氏體、貝氏體組織為基體的球墨鑄鐵，也稱之為奧貝球墨鑄鐵，簡稱ADI。奧貝球墨鑄鐵具有以下優點：①強度高，韌性好。②耐磨性、抗磨性好。③減震性好。④成本低、具有較好的經濟性能。

鑒于上述優點，奧貝球墨鑄鐵越來越廣泛地被應用于發動機零部件上，如果奧貝球墨鑄鐵材質被應用于船舶發動機氣缸套上，將極大地提高船舶發動機耐磨性及使用壽命，降低船舶發動機的燃油消耗，減低發動機廢氣污染物的排放。

二、熱加工工藝選擇

奧貝球墨鑄鐵的熱加工工藝過程分為鑄造和熱處理兩個部分。在鑄造過程中主要控制：鑄鐵的成分、熔煉與澆注溫度、球化與孕育工藝；熱處理主要控制的參數是：奧氏體化溫度、等溫淬火的溫度和時間等。

1. 化學成分的選擇

化學成分的選擇是獲得奧貝球墨鑄鐵的一個重要因素，有關文獻推薦的化學成分見附表。

奧貝球墨鑄鐵各組成元素的作用及其對力學性能的影響如下。

（1）碳是石墨化形成元素，具有穩定奧氏體、阻礙貝氏體轉變的作用，球墨鑄鐵中碳高可阻礙滲碳體的析出。

（2）硅在球墨鑄鐵中可以促進石墨化，隨著硅量增加，石墨球徑細小，鐵素體量增加，從而提高球墨鑄鐵的力學性能，硅本身是負偏析元素，對基體有強化作用，在等溫淬火時可抑制碳化物的形成。

（3）錳是很容易偏析的元素，常在晶界大量富集，使共晶團邊界出現游離滲碳體和馬氏體，嚴重惡化力學性能，一般控制錳在wMn≤0.35%。

（4）磷很容易偏析，一般含磷量接近0.1%就會出現2%～3%的磷共晶，磷對等溫淬火球墨鑄鐵有明顯的脆化作用。

奧貝球墨鑄鐵化學成分（質量分數） （%）

（5）硫在球墨鑄鐵中與球化元素有很強的化合能力，生成硫化物和硫氧化物，不僅消耗球化劑，造成球化不穩定，而且還使夾雜物數量增多，球化衰退速度加快。熔煉過程中硫一般從增碳劑中攝入，過程控制是盡可能降低原材料中硫含量的同時采取爐前脫硫措施，當原鐵液中的wS＞0.02%時，必須采用脫硫處理。

（6）銅能有效抑制等溫轉變時的碳化物的形成，所以能顯著提高等溫淬火球墨鑄鐵的塑性和韌性，適當增加銅含量可以提高鑄件的淬硬性。

（7）鎳可以輕微降低其抗拉強度，但可以顯著提高塑性和韌性，適當增加鎳含量可以提高鑄件的淬硬性。

（8）鉬是一種具有很強淬透性的元素。可以阻礙珠光體的轉變，而不阻礙針狀鐵素體的轉變；與鎳有相反的偏析方式，因此不產生大塊晶間碳化物的條件下能使基體顯微硬度達到比較好的平衡。

2. 熔煉及澆注工藝

奧貝球墨鑄鐵的熔煉和澆注按以下步驟進行。

（1）熔煉配料 各組成成分按如下的重量百分比配料：wC＝3.3%～3.8%，wSi＝2.3%～2.8%，wMn≤0.35%，wP≤0.02%，wS≤0.03%，wCu＝0.3%～0.6%，wNi＝0.4%～0.7%，wMo≤0.5%，wMg＝0.03%～0.06%，wRE＝0.01%～0.04%，其余為Fe。

（2）熔煉設備 采用中頻感應電爐熔煉，鐵液出爐溫度為1460～1490℃。

（3）球化和孕育 采用沖入法進行球化，球化處理后溫度為1430～1450℃。球化劑采用QRMg8RE5（JB/T9228—1999），加入量為1.2%～1.3%，孕育劑為75SiFe，加入量為1.4%。75SiF分兩次加入，第一次與球化劑同時加入包底，加入量為1.0%，第二次是在處理完后在鐵液面上加入，加入量為0.4%。

（4）采用金屬型離心澆注，按常規球墨鑄鐵澆注方法生產氣缸套鑄件。

3. 熱處理工藝

奧貝球墨鑄鐵船舶發動機氣缸套熱處理包括奧氏體化和等溫淬火，具體方法如下。

（1）將氣缸套半成品加熱至845～870℃，保溫1.6h，使組織完全奧氏體化。奧氏體化升溫和保溫在箱式電阻爐中進行，用溫度控制器控制溫度，溫度波動在±3℃以內。

（2）等溫淬火溫度控制在285～315℃，放置在鹽浴中等溫保持1.8h，然后取出空冷。采用硝鹽浴處理（成分為50%NaNO3+50%KNO3）。采用溫度控制器自動控制溫度和水銀溫度計人工控溫的雙重控溫方法。溫度波動在±5℃以內。

需要注意的是，隨著奧氏體化溫度的提高，會引起奧氏體中C的溶解度增加，減慢貝氏體轉變速度，阻礙貝氏體的形成，殘留奧氏體將增多；同時奧氏體化溫度提高，會使奧氏體晶粒粗大，導致等溫轉變形成的貝氏體粗大。因此，在保證完全奧氏體化的前提下，應適當降低奧氏體化溫度。

三、結語

奧貝球墨鑄鐵船舶發動機氣缸套材質的基體組織是貝氏體加殘留奧氏體，石墨形狀主要呈球狀，余為少量團狀和極少團絮狀。氣缸套的抗拉強度＞900MPa，表面硬度為290～350HBW。

奧貝球墨鑄鐵氣缸套強度、韌性及耐磨性遠高于各種合金鑄鐵材質，高于貝氏體灰鑄鐵和普通球墨鑄鐵材質。奧貝球墨鑄鐵氣缸套工作表面具有自潤滑性，減磨、抗磨，使用過程中不斷產生自硬層，不斷提高強度和耐磨性，同時具有減震性能，可降低噪聲，減輕穴蝕，生產的氣缸套使用壽命長，發動機能耗及排放低。