合成铸铁生产缸体铸件的工艺技术

叶天汉，陈翌庆，苏勇，黄光伟

（1.合肥江淮铸造有限责任公司，安徽合肥231137；2.合肥工业大学材料学院，安徽合肥230009）

合成铸铁生产缸体铸件的工艺技术

叶天汉1，陈翌庆2，苏勇2，黄光伟1

（1.合肥江淮铸造有限责任公司，安徽合肥231137；2.合肥工业大学材料学院，安徽合肥230009）

考虑到大量使用生铁使铁液收缩倾向增大且使铸件性能降低，以及为解决铸铁熔炼所需原材料生铁价格不断上涨等问题，在缸体类铸铁产品的生产中，采用合成铸铁，即废钢加增碳剂增碳的方式进行铸铁生产。此工艺采用增硫防止石墨长成粗大片状，适当的合金化和孕育处理，可以使铁液的收缩倾向得到明显改善。采用合成铸铁生产的缸体类产品力学性能和金相组织均优于传统熔炼工艺生产的铸铁产品。

合成铸铁；增碳剂；力学性能；金相组织

汽车工业在国民经济中起着举足轻重的作用，发动机是汽车的“心脏”，缸体是发动机中最重要的铸件。由于缸体的内腔和外形结构十分复杂，且要求足够的强度和刚度，人们普遍认为缸体是铸造生产中难度最大的一个复杂薄壁铸件，它的生产水平一定程度上代表了这个国家的铸造生产水平。

目前，国内外车用发动机缸体的材质仍以灰铸件为主，但铸铝有发展的趋势。为满足节能减排和使用性能的提升，高品质灰铸铁缸体除要求高耐磨性、低废品率、好的加工性外，其最显著特点是以薄壁高强度为发展方向。薄壁而不出现白口，意味着灰铸铁成分需要高碳当量，但强度会下降。国内许多生产企业通常采用加入大量合金以提高强度,一方面使材料成本增加，另一方面材料的加工性能变差，其根本原因就在于熔炼和工艺技术落后。生铁中有许多粗大的过共晶石墨,这种粗大的石墨具有遗传性,熔炼温度低时,粗大石墨不易被消除,降低了材料的性能，即使铁液双联进入电炉保温后,也难以消除。仅采用废钢和回炉料而不用新生铁且用电炉熔炼的合成铸铁具有成本低（废钢价格低于生铁）、石墨形态好、力学性能高、电炉熔炼较冲天炉工作环境改善等特点，成为目前发动机灰铸铁缸体最适宜的材料。随着对欧Ⅲ排放的全面要求，提高性能、减轻重量、降低能耗及降低成本的高强度薄壁灰铸铁件就成为国内外研究的一项重要内容［1～5］。

1 试验方法

1.1 生产设备及试验装置

1）DFMA-AD型KW水平静压造型线：由主造型机，翻箱机、铣浇口机、移箱机、合箱机、铸工小车、液压站等组成；全线采用自动化控制；采用气流预紧实加高压多触头压实造型。生产率为105型/h，压实力1 485 kN，砂箱尺寸为1 100×900×350（mm）。

2）应达中频感应保温电炉：生产效率10 t/h。

3）GS1000直读光谱仪。

4）Q384D1双行程吊链式抛丸清理室。

5）HB-3000型布氏硬度计。

6）XJP-6A金相显微分析系统。

9）HCS-140A红外CS分析仪。

1.2 原材料

1）回炉料、废钢（汽车覆盖件冲边料）。

2）含锶锆钡稀土多元复合孕育剂。

3）增碳剂为晶体石墨增碳剂。

4）铬铁、锰铁、锡、铜。

2 生产结果

2.1 铁水化学成分

对合成铸铁（废钢+晶体石墨增碳剂+合金）和原工艺（废钢+生铁+合金）两种方案按相同的化学成分进行对比试验，铁液化学成分如表1所示。

表1 铁水化学成分（质量分数，%）

2.2 力学性能

用表1所述的铁水浇注缸体，对两种工艺生产铸件的金相组织和机械性能进行了的检测和分析，其结果见表2，以及图1、图2所示。

表2 不同工艺生产缸体的布氏硬度（HB）

2.3 金相组织

由表2和图1、图2可以看出，在C、Si、Mn、P、S、Sn含量相近情况下，合成铸铁与原工艺相比：

1）从两种方案的试验结果可以看出，在碳当量相同的情况下，合成铸铁的抗拉强度比普通灰铸铁高10 MPa～15 MPa，硬度提高10 HB左右。

2）金相组织的变化。石墨形态变化不大，但合成铸铁使石墨得到细化。合成铸铁的石墨基本全是A型石墨，并且石墨变得短粗，较好的改善了铸件的切削性。

结果表明，增加废钢的用量，取消生铁，采用合成铸铁的方案可改善了铸件的切削性能。

图1 不同工艺生产缸筒横向剖面的石墨形态

图2 不同工艺生产缸筒横向剖面的基体组织

3 结果分析

3.1 成分选择

传统经验认为,生产高强度灰铸铁时硅量应控制在较低的范围（一般ω（Si）=1.70%～1.90%）,然后用大孕育量孕育防止出现碳化物；认为硫是有害元素,尽可能减少；加锰可以提高灰铸铁的强度和硬度等。在合成铸铁生产高强度缸体时，这些认识有些是错误的，需要调整改进。例如：在合成铸铁中，当ω（S）＜0.05%时，一定要进行增硫处理。增硫除可以改善切削性能外，还可以改善材料力学性能；同样，对锰量也要控制。

3.2 合金化

铁液经过增碳、增硫处理,确定了最重要的碳、硅、锰、硫成分后,材料的性能已经从根本上提高了一个档次（抗拉强度可提高10 MPa～15 MPa，硬度上升10 HB左右，切削加工性好，白口倾向小），此时合金化的加入量不需要很大。常采用多元微合金化。

3.3 孕育处理

孕育的主要目的是为了促进石墨的析出，消除白口。对孕育技术的研究主要是对孕育剂的研究和孕育方法的研究。随流孕育技术在球铁生产中是一项非常关键的技术，但是在灰铁生产中却很少应用。生产高品质的灰铸铁尤其是生产薄壁缸体铸件离不开随流孕育技术。

采取合成铸铁方案，取消了生铁加入，消除了粗大石墨的遗传性，减小了缩松倾向，减少了缩松缺陷的产生。由于大量废钢的加入，提高了铸件的硬度；同时，增加硫含量，细化了石墨，使石墨分布更均匀，改善了铸件的切削性，减少机加过程中的缺料。从质量统计情况可以看出，缩松和夹渣缺陷明显降低，产品质量得到提高。

本厂采用合成铸铁技术生产的缸体数量已超过10万台，不仅使缸体的内在质量得到了提高，还取得非常可观的经济效益。

4 结论

1）在灰铸铁的生产过程中，采用废钢+晶体石墨增碳剂，即合成铸铁方案，消除了生铁粗大石墨带来的遗传影响，减少了铁液凝固过程中的收缩倾向，减少了铸件的缩松缺陷。

2）采取合成铸铁方案生产灰铸铁，可提高灰铸铁的硬度和硬度均匀性；同时采取提高硫含量，改善石墨形态，使石墨细化，增加石墨数量和均匀性，较好的改善了铸件的切削性。

3）利用废钢与生铁的价差，降低了生产成本。

［1］逄伟.HT300高强度缸体缸盖材料熔炼技术研究［J］.现代铸铁，2007（6）：13-18.

［2］L.lvarez,C.J.Luis,I.Puertas.Analysis of the influence of chemical composition on the mechanical and metallurgical properties of engine cylinder blocks in grey cast iron［J］.Journal of Materials Processing Technology，2004，153-154：1039-1044.

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［4］苏广才.微合金交互作用及配对比对灰铸铁组织和性能的影响［J］.热加工工艺，2004（11）：36-38.

［5］陈杰.灰铸铁缸体缸盖的材质选择与控制［J］.内燃机，2006（3）：14-17.

［6］蔡启舟，魏伯康，周楚清，等.灰铸铁缸体切削加工性能的影响因素分析［J］.现代铸铁，2008，28（1）：33-37.

Production Technique of Cylinder Casting Using Synthetic Casting Iron YE Tian-han1,CHEN Yi-qing2,SU Yong2，Huang Ghang-wei1

（1.JAC Automotive Casting Co.,Ltd.,Hefei 231137,China；
2.School of Material Science&Engineering,Hefei University of Technology,Hefei 230009，China）

It is considered that using pig iron in large fraction would increase shrinkage tendency of the molten iron and decrease properties of castings and the price of pig iron is continually rising.To resolve the problems above,the synthetic cast iron,i.e.scrap steel with carburant,was applied to the cylinder's production.It is necessary,in order to produce hi-strength gray iron castings, increase sulphur content to prevent the graphite from growing into coarse flakes,proper alloying and inoculation can obviously decrease the shrinkage tendency of the molten iron.Results of trial production show that both the mechanical property and microstructure of cylinder castings produced with the synthetic cast iron are better than that of the traditional ones.

synthetic cast iron;carburant;mechanical property;metallographic structure

TG251

A

1674-6694（2010）0021-03

2010-07-08

叶天汉（1962-），男，硕士，高级工程师。

安徽省2008年重大科技专项（8010202012）