新型微合金化高強度缸體材料研發

楊春黎，陳光金，寧顯潤

1.宜賓普什聯動科技有限公司 四川宜賓 644007

2.四川省動力零部件制造工程技術研究中心 四川宜賓 644007

1 序言

灰鑄鐵是最常用的鑄鐵材料之一，由于價格低廉、生產工藝簡單，迄今仍被大量采用[1]。灰鑄鐵中的碳大部分或全部以游離態的石墨形式存在，其斷裂時斷口呈暗灰色[2]。目前，大型載重汽車的發動機缸體選用材料仍然以灰鑄鐵為主，然而灰鑄鐵的最大缺點是抗拉強度較低[3]。灰鑄鐵的抗拉強度取決于其微觀組織，如石墨和基體的形態、尺寸、含量及分布[4，5]。目前，添加合金元素是改善灰鑄鐵微觀組織并提高其抗拉強度最經濟有效的 手段[6]，其中Mo被認為是提高鑄鐵抗拉強度最有效的元素之一[7]。但Mo金屬價格昂貴，而Cu的價格是相對較低且最為常用，在缸體鑄件大批量生產中，如果能夠通過技術措施，減少或取消貴金屬Mo的用量，將帶來一定的經濟效益[8]。

我公司生產的一種發動機缸體為龍門式結構，形狀復雜、壁薄、呈箱形。單件毛坯重量400kg，最大輪廓尺寸為1150mm×390mm×600mm，單鑄試塊要求抗拉強度≥300MPa，本體硬度181～235HBW。該缸體材質中含有昂貴的金屬Mo，生產成本一直居高不下。綜合考慮合金元素對灰鑄鐵力學性能和加工性能的影響以及生產成本等因素，本研究中用價格較低的Cu、Cr取代Mo進行合金化，通過改變缸體材質中Cu、Cr合金含量，降低生產成本，大幅提高企業生產效益。

2 試驗研究方法

以我公司生產的其缸體為研究對象，材質為H T300，鑄件毛坯重量為640k g，外輪廓尺寸為735mm×448mm×452mm，最大壁厚為65mm，最小壁厚為34m m。鑄件結構復雜且性能要求較高，本體抗拉強度滿足225～325MPa，硬度滿足180～255HBW，珠光體含量≥95%，A型石墨含量≥90%。在保持原有生產條件及相關工藝參數的前提下，加入Mo、Cu、Cr等合金元素來調整CE進行試驗，采用中頻感應電爐熔煉，經過出鐵孕育后，每爐次澆注一組單鑄φ30mm試棒，隨機取其中一根試棒對其進行金相組織、力學性能檢測。

通過多次試驗，由單件試驗到批量投產，逐步優化化學成分，最終完成Cu＋Cr合金替代Mo合金。原材料為Q10生鐵、廢鋼、回爐料、增碳劑及相關合金化金屬，其中Q10生鐵為20%，廢鋼為45%，回爐料為35%。在澆注前需進行孕育處理，其作用主要是消除白口組織，改善石墨分布，形成細小且均勻分布的A型石墨，細化共晶團，從而獲得細片狀珠光體[9]。

含鑭孕育劑在鑄鐵凝固過程中可促進等軸晶生長，抑制樹枝晶生長，有效地延長了鐵液內部的補縮通道，降低鑄件縮松[10]。75SiFe孕育劑孕育速效，1.5min內達到峰值，可減少過冷度和白口傾向，增加共晶團數，促進A型石墨的形成，改善斷面組織均勻性，復合使用可充分改變單一孕育劑的不足，加強孕育效果。因此，本文使用復合孕育處理，含鑭孕育劑0.2%＋75SiFe孕育劑0.2%。生產及試驗設備選擇見表1。

表1 生產及試驗設備選擇

3 化學成分設計

在灰鑄鐵中，高碳當量CE可減少白口、縮松、縮孔及滲漏等缺陷的傾向；Si是一種石墨化元素，固溶于鐵素體，強化鐵素體；Mn作為一種阻礙石墨化元素，能夠增加珠光體和奧氏體枝晶的數量，同時可以有效降低共析轉變溫度，促進珠光體細化，減小片間距；P作為一種促進石墨化元素，具有與Si相似的作用，并使鑄鐵的共晶點向左移動，P的熔點很低，灰鑄鐵中存在P時，能夠增加鑄鐵的流動性；S具有雙重性，在鑄鐵生產過程中，S并不是越低越好，S在鐵液中的溶解度很低，對鐵碳平衡相圖影響不大， 然而從熱力學的角度來看，S降低了碳在鐵液中的溶解度，具有增加碳活性的效果[11]；Mo的作用有很多，主要有細化和改善石墨的均勻分布、細化珠光體、增加珠光體含量、強化珠光體中的鐵素體，同時鑄鐵的白口傾向并不會明顯增加；Cr作為促進碳化物形成的一種元素，會降低灰鑄鐵的共晶凝固溫度，擴大鐵液的凝固溫度范圍[12]；Cu能夠提高共晶轉變溫度，降低亞穩體系的轉變溫度；Ti與N會形成TiN化合物，降低合金的強度，但正因為這種游離的N對灰鑄鐵起到了固溶強化作用[13]。

結合實際生產環境及熔煉經驗，通過對各元素作用進行綜合分析，采用高碳當量在保證鑄造性能的前提下，穩定地控制力學性能在客戶要求的中下限，增加Cu、Cr的含量，以此代替Mo的作用，設計的化學成分見表2。

表2 HT300化學成分（質量分數） （%）

4 試驗結果

4.1 化學成分

嚴格按照設定的H T300化學成分范圍進行熔煉、澆注，并隨機取出5爐次鐵液試樣，進行光譜化學成分檢測，其結果見表3。

表3 試樣光譜化學成分（質量分數） （%）

4.2 金相組織及力學性能

基于HT300材質，客戶對此類缸體性能要求見表4。

表4 缸體性能要求

在5爐次試樣件中隨機抽取一爐次試樣做金相組織檢測，結果如圖1所示。從圖1a可看出，其主要是A型石墨，含有極少部分的D型石墨，利用Image-Pro軟件測量其石墨平均長度，判斷其石墨等級為4級；從圖1b可看出，其基體組織以珠光體為主，極少量鐵素體存在，能夠穩定其力學性能，利用Image-Pro軟件對其珠光體含量進行統計，判斷其珠光體含量為98%，均符合客戶對該類缸體HT300材質金相組織的要求。

圖1 試樣件金相組織檢測結果

根據前面所選取5爐次的試樣件，分別檢測其單鑄試棒抗拉強度、本體硬度、石墨形態、石墨長度，結果見表5。

表5 試樣件性能檢測結果

通過化學成分優化，采用Cu＋Cr合金搭配可替代貴重Mo合金，在保證性能合格的前提下，取消了貴金屬Mo的加入，降低了原材料成本。通過成本核算，每件可以節約182元，此缸體年訂單約2萬件，每年可為公司節約364萬元。

4.3 硬度變化趨勢

根據優化后的化學成分，采用合理熔煉工藝進行小批量生產，并隨機抽取100組鑄件進行硬度檢測（見圖2），其硬度值均符合本缸體HT300材質硬度要求。由圖2可看出，本體硬度過程受控，說明小批量生產無異常出現，可進行大批量生產。

圖2 硬度檢測結果

5 結束語

本試驗取消貴重Mo合金的加入，從生產情況上看，單鑄試棒力學性能、金相組織、本體硬度穩定，滿足客戶技術要求。由于熔煉上采用Cu＋Cr合金配搭而取消了貴重Mo合金，因此降低了合金成本，每件節約182元左右，該機型年訂單在2萬件左右，每年可為公司節約364萬元左右。該類型缸體采用優化后的工藝已穩定生產一年多，鑄件性能穩定，未見客戶異常反饋。