硼对高强度灰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)

在特殊的工况条件下，高强度铸铁的应用正在普及，合金化是获得高强度特殊性能要求铸铁的有效途径。硼铸铁是最近应用发展较快的一种新型的耐磨材料，较多应用于柴油机气缸套等零件，为了生产的需要，作者研究了硼对高强度灰铸铁气缸套力学性能的影响。

1 试验条件和方法

1.1 试验条件

用于试验的铸件是G03型气缸套，毛坯重量300 kg。采用500 kg中频炉熔炼，电炉出水温度>1 450 ℃，浇注温度>1 300 ℃。铸型转速>800 rpm。凃层厚度2.5～3.5 mm。 凃料成分见表1。

表1 凃料成分(%)

1.2 试验方法

在满足气缸套高强度要求的情况下，控制碳当量CE在一定范围内，研究硼含量在0.01%～0.10%范围内变化时对抗拉强度和硬度的影响。

依据化学成分要求，以生铁、废钢、回炉料、硅铁(75SiFe)、锰铁(65MnFe)和硼铁(20BFe)为原材料，经计算配比后，在GWT-0.5型中频感应电炉内熔化。

抗拉强度测定：炉前化验成分合格后，采用包底孕育法进行孕育处理，再浇注拉伸试棒，每组3根，经机加工制成Φ20×225 mm拉伸试棒，使用万能拉伸试验机ZDM-30t进行拉伸试验，测定并计算每组3根试棒拉伸强度的平均值，作为试验数据。

硬度的测定：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HB3000在环片横截面上打出3个压痕，查表得出硬度值，试验结果均取3次测试的平均值作为试验数据。

2 试验结果与分析

试验结果测试的数据如表2所示。

表2 试验铁液化学成分及力学性能

2.1 硼在铸铁组织中的存在形式

硼的溶点比较低，在铸铁组织中是以硼碳化物的形式存在，呈孤立小块状分布，固溶于珠光体基体组织中，是一种硬质相。硼是强烈的碳化物形成元素，只要在铸铁组织中加0.02%的B，就开始析出含硼碳化物，存在磷含量的情况下，硼碳化物与磷共晶交错生成特殊斯氏体，同样以硬质相的形式固溶于基体组织中。

2.2 硼含量对抗拉强度的影响

硼含量与抗拉强度的关系如图1所示。

图1 硼含量与抗拉强度关系

从图1中可以看出，随着含硼量的变化，对抗拉强度的影响呈现先升后降的趋势，在B=0.01%～0.06%时，试样抗拉强度呈上升的趋势，在含硼量为0.06%时抗拉强度达到最高点σb=295MPa，随硼含量继续增加，在B=0.06%～0.10%时，抗拉强度反而呈下降的趋势。这是因为硼是阻碍石墨化的元素，虽然影响不是很明显，但仍起到一定作用。在硼铸铁中，随着含硼量的增加，石墨片变短、变细，分散度增加，仍可得到A型、B型石墨，且分布均匀，它减少了对基体的割裂作用，珠光体片间距减小，也强化了基体，抗拉强度随含硼量增加而增大。同时，由于含硼碳化物是一种脆性相，当B>0.06%以后，较多含硼碳化物的出现，使铸铁的抗拉强度下降。从硼铸铁气缸套的高强度要求来讲，在生产硼铸铁气缸套时，硼含量在0.02%～0.08%范围内时，抗拉强度比较合适。

2.3 硼含量对硬度的影响

从图2中可以看出，随着含硼量的增加，气缸套环片的硬度呈现上升的趋势，HB=210～270。这是由于硼在铸铁组织中是以硼碳化物的形式存在，而硼碳化物是一种硬质相，固溶于珠光体基体组织中，呈孤立小块状分布。不仅使试样横截面上硬度分布均匀，而且使壁厚、壁薄试样硬度偏差减小。随着硼含量的增加，硼碳化物的数量增多，基体中硼碳化物的支撑作用加强。而硼碳化物的硬度很高，显微硬度高达HV988～1206，使得铸铁的宏观硬度随之增大。在硬度增加的同时，机械加工性能显著恶化，刀具磨损较快，给切削加工造成困难。因此，在硼铸铁气缸套生产时，从机加工性能考虑，硼含量在0.03%～0.06%的范围内时，硬度HB=240～248，切削加工较为理想。

图2 硼含量与硬度关系

2.4 硼含量对耐磨性的影响

硼在铸铁组织中是以硼碳化物的形式存在，随着含硼量的增加，硼碳化物的数量增多，固溶于基体组织中，使基体中硼碳化物的支撑作用加强，磨损时硬度较高的硼碳化物支撑载荷，形成第一滑动面，硬度较低的基体形成第二滑动面，第二滑动面在磨损下形成的凹槽有储油作用，保证硼碳化物不断得到润滑而减少磨损量，从而提高耐磨性。但是，当含硼量过高时，硼碳化物不再呈孤立小块状均匀分布，而是呈大块状或网状分布，基体对它的支撑作用减弱，磨损时容易脱落，脱落后的硼碳化物成为磨粒，在滑动面上产生程度不同的犁削，从而加剧了磨损。因此，硼含量对铸铁耐磨性的影响不是越高越好。

2.5 硼含量对切削加工性能的影响

硼铸铁中硼碳化物的数量随硼含量的增加而增多，从而使铸铁的硬度提高，硬度越高，加工难度越大。同时，硼是阻碍石墨化的元素，因硼阻碍石墨化而使铸件的白口倾向增大，在金属模离心铸造气缸套，冷却速度大时，常会出现D、 E型石墨，特别是E型石墨，使含硼碳化物呈枝晶状分布，在铸铁组织中产生白口，加工性能恶化，造成切削困难。而且，硼含量越高，这种不确定性越大。

3 结 语

(1)硼铸铁具有良好的力学性能，是一种比较好的耐磨材料，适合生产柴油机气缸套。

(2)生产硼铸铁气缸套时，综合考虑其性能要求和机械加工，硼含量在0.03%～0.06%范围内比较合适。