Si/C比对硼铸铁气缸套力学性能的影响

(武汉船舶职业技术学院， 湖北武汉 430050)

Si/C比对硼铸铁气缸套力学性能的影响

严继斌

(武汉船舶职业技术学院， 湖北武汉 430050)

通过试验研究了在碳当量CE=3.8%时，Si/C比值对抗拉强度和硬度的影响，确定了生产硼铸铁气缸套理想的Si/C比值。

硅碳比；硼铸铁；抗拉强度；硬度

硼铸铁是最近应用发展较快的一种新型的耐磨材料，因其优良的耐磨性能，为众多企业广泛地应用于内燃机的气缸套和活塞环等零件。目前国内气缸套大多采用离心铸造生产，离心铸造生产时，由于铸型是金属型，冷却速度比较快，使得组织中容易形成共晶莱氏体、D型和E型晶间石墨，又由于硼铸铁中硼元素反石墨化的能力较强，容易产生白口组织，并使硼复合物呈枝晶状分布，导致气缸套的抗拉强度降低，硬度明显升高，给气缸套的切削加工和使用造成一定的困难。气缸套是内燃机的核心零件之一，一般要求抗拉强度σb≥250 MPa。为改善硼铸铁气缸套的力学性能，我们就Si/C比值对硼铸铁气缸套抗拉强度和硬度及切削加工的影响进行了研究，选定碳当量为3.8%，只改变Si/C比例，对各种Si/C下的拉伸强度、硬度进行观察和测定，期望获得理想的力学性能。

1 试验方法

1.1 试样制备

选定碳当量为3.8%，Si/C分别定为0.5、 0.6、 0.7、 0.8、 0.9，进行五组数据的试验。按此条件要求将生铁、废钢、回炉料、硅铁、锰铁和硼铁等依配料比例加入500 kg中频感应电炉中熔化，取得铁水试样的化学成分，升温至1 450～1 500 ℃，铁水出炉，经孕育处理后浇注干型单铸试棒，得到5组15根Φ30 mm×300 mm的试棒，作拉伸试验使用。剩余铁水经称重、静置、打渣处理后，浇入高速运转的铸型中进行离心铸造，经冷却，内孔呈暗红色约900 ℃时，停机脱模，获得气缸套毛坯。五组试样的化学成分见表1。

表1 试样的化学成分 ( wb%)

1.2 抗拉强度的测定

根据GB9439-88要求，试验试棒经机加工后制成Φ20×225 mm的拉伸试棒，使用万能拉伸试验机ZDM-30t,在室温下进行拉伸试验，测定并计算每组3根试棒的拉伸强度的平均值。

1.3 硬度的测定

根据GB231和GB230规定，在气缸套本体距上端面50～80 mm范围内截取环片，磨平后使用布氏硬度机HB-3000在气缸套环片横截面上均匀打出3个压痕，查表后取其平均值。

2 试验结果和分析

Si/C比值在0.5、0.6、 0.7、0.8、0.9之间5个试验数值，测量出它们的抗拉强度σb和布氏硬度HB，见表2。

表2 Si/C比值在0.5-0.9之间的σb值和HB

Si/C对抗拉强度和硬度的影响，结果见图1。

图1 Si/C对抗拉强度和布氏硬度的影响

2.1 Si/C对抗拉强度的影响

从图1中可以看出，碳当量一定时(CE=3.8%)， Si/C对抗拉强度的影响还是比较大的，当Si/C从0.5增加到0.6时，抗拉强度从190 MPa增加到251 MPa，从0.6增加到0.7时，抗拉强度继续上升到285 MPa，这是由于随着 Si/C的提高，Si含量增加，C含量减少，基体组织中珠光体数量有所增加，Si固溶于基体中，起到固溶强化珠光体的作用，而C含量的降低，也在一定程度减少了石墨数量，对基体的割裂作用减小，所以抗拉强度增高。而当Si/C提高到0.8时，抗拉强度降为268 MPa，Si/C继续增加到0.9时，抗拉强度下降到232 MPa。这是因为Si是强烈的促进石墨化元素，当Si含量达到一定程度时，接近促进石墨化的临界值以后，固溶铁素体中的硅量增多，强化了铁素体(包括珠光体中的铁素体)；Si/C比值的不断提高，共析转变的温度也在升高，使珠光体在高温下生成，片间距增大，易粗化而降低强度；又因高硅使碳在奥氏体中的溶解度急剧下降，并扩大了铁素体+奥氏体+石墨三相区的范围，使奥氏体向铁素体的转变量增多。因此当Si/C达到一定值时，抗拉强度随着 Si/C的提高反而下降。

2.2 Si/C对硬度的影响

从图1中也可以看出，随着 Si/C的不断提高，布氏硬度HB是呈下降的趋势，只是在Si/C=0.7以后，下降的趋势比较平缓，差别不大。这说明Si/C比值对布氏硬度是有重要影响的。在CE=3.8%时，提高Si/C，铁素体析出不断增多，珠光体含量降低，故而使布氏硬度降低，当Si/C=0.7以后，铁素体增加不再明显，硬度变化也就不大。

2.3 Si/C对切削加工的影响

硅是强烈石墨化促进元素，随着 Si/C的提高，硅含量增加，引起石墨片粗大﹑增多。石墨越多，基体承载面积越少，石墨片越粗大，使基体更易于切削加工。硅的强烈石墨化作用，有利于碳原子的扩散﹑聚集，使石墨长大，数量增多，而石墨的强度极低，均匀分布会使基体的硬度降低。硅含量增加，使白口组织明显减少，提高了零件的切削加工性能。

3 结 语

在碳当量CE=3.8%时，可以得出如下结论：

(1)Si/C对气缸套的抗拉强度﹑硬度有很大影。Si/C比值从0.5→0.6→0.7→0.8→0.9变化时，抗拉强度先升后降，硬度呈下降趋势。在Si/C=0.7时，抗拉强度为285MPa，硬度为HB241，力学性能较为理想。生产硼铸铁气缸套时Si/C为0.70-0.75比较合适。

(2)提高Si/C比值，有利于改善铸件切削加工性能。

1 陆文华，李隆盛. 铸造合金及其熔炼[M].北京：机械工业出版社，1996.

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5 中国机械工程学会铸造分会.铸造手册(第一卷)铸铁[M].北京：机械工业出版社，1994.

EffectofSi/CRatioOnMechanicalPropertiesofBoronCastIronCylinderLiner

YANJi-bin

(Wuhan Institute of Shipbuilding Technology，Wuhan 430050，China)

In this paper，the effect of Si/C ratio on tensile strength and hardness is studied by experiment withthe carbon equivalent CE=3.8%，the ideal Si/C ratio for producing boron cast iron cylinder liners is determined.

silicon-carbon ratio；boron cast iron；tensile strength；hardness

TG24

A

1671-8100(2017)04-0036-03

2017-06-11

严继斌，男，高级工程师，主要从事材料工程技术方面的教学和科研工作。

(责任编辑：谭银元)