汽车缸体缸盖高强度灰铸铁材料研究进展

■ 金通，曹琴，王林

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1. 概述

随着日益严格的排放标准和商用车限载政策的出台，商用车发动机向着大功率和轻量化方向发展，缸体、缸盖必须要有足够高的强度才能满足未来的要求。当前，国内外大部分企业采用高强度灰铸铁生产大功率柴油发动机缸体、缸盖，极少数企业采用蠕墨铸铁材料。与蠕墨铸铁相比，灰铸铁作为更廉价的材料，拥有更好的导热性能、减振性能、可加工性、耐磨性能及铸造工艺性能等优点，而蠕墨铸铁虽然拥有更高的强度和刚度，但生产蠕墨铸铁缸体、缸盖质量稳定性很难控制，工艺窗口较窄，必须要有可行的控制手段来消除工艺变化和人为操作的误差。蠕墨铸铁大批量用于复杂部件有很大的风险和难度，生产成本较高。因此，开发高强度灰铸铁缸体、缸盖材料具有重要的意义。

2. 高强度灰铸铁的组织

灰铸铁的强度主要由组织决定，通过对灰铸铁组织转化规律进行分析，高强度灰铸铁的组织一般包含以下几个方面：有较多的初生奥氏体枝状晶；石墨细小且是A型；基体组织以珠光体为主，珠光体细小。

（1）初生奥氏体 初生奥氏体的比例和分布对灰铸铁性能有重要的影响。一般情况下，初生奥氏体比例越高，组织越均匀细小，二次枝晶间距越短，灰铸铁的强度越高。初生奥氏体与碳当量有直接的关系，碳当量越低于共晶点，初生奥氏体比重越大，强度越高。但这也增加了缸体缸盖因缩松而引起的泄漏等风险。化学元素可以通过影响共晶点碳含量，从而改变初生奥氏体的析出量，Si、P能够明显地降低共晶点碳含量，降低初生奥氏体的比重。在一定的碳当量情况下，添加Zr、Ti、V、N等合金元素可使初生奥氏体细化，进而使石墨细小弯曲、个数增多，提升材料性能。但Ti和V加入量较多会引起可加工性恶化，并影响缸盖致密性。另外，通过控制冷却速度也可以影响初生奥氏体形核与长大。

（2）石墨组织 石墨的分布形态及尺寸是决定灰铸铁力学性能的重要因素，石墨越均匀细小弯曲，端部越钝，灰铸铁的力学性能越高，反之，性能越低。石墨的形态和尺寸主要决定于液相生核、冷却速率及C元素扩散等因素。因此，通过孕育处理、合金化和冷却工艺等措施可以改变石墨的形态、大小和分布。

（3）基体组织 基体组织一般主要含有珠光体、铁素体、少量的渗碳体及磷共晶。基体组织中珠光体含量越多，珠光体片间距越小，其强度硬度越高。奥氏体的转变可通过合金元素来控制，合金元素通过不同的方式来影响转变过程。珠光体促进和细化元素的加入，可使缸体、缸盖在较高的碳当量情况下，提升材料强度，满足缸体缸盖致密性、工艺性和高温性能的要求，但也增加了铸件的白口倾向、残余应力和生产成本。因此，尽量采用低的合金用量。

3. 调整化学成分

缸体、缸盖这样薄壁复杂的铸件，对铸造工艺性能和零件致密性有一定的要求，需要选择较高的碳当量。在一定的碳当量情况下，改变Si/C比可以提高材料性能。在 CE=4.0%～4.2%时，改变Si/C 比对强度影响不大，而CE＜4.0%时， Si/C 比在 0.6～0.7 时有一个最高值，而且改变Si/C 值，CE=3.6%～3.8% 比CE=3.8%～4.0%对抗拉强度的影响更明显。另外，高的CE 和高Si/C比，可减少白口倾向，可加工性更好，铸件残余应力更低，加工后尺寸稳定性更好，这一特性在高牌号的铸铁中更为明显。Si/C比过高，石墨粗大，珠光体量下降，片层间距增大，强度反而会降低。目前，国内外生产的缸体缸盖材料Si/C比一般控制在0.55～0.75。

在高碳当量下调整Si/C比难以满足发动机大功率的要求，需要添加合金元素提升力学性能和热疲劳性能等。对灰铸铁抗拉强度影响的元素由强到弱排列为V、Mo、Cr、Cu、Ni。V虽然对强度的提升最大，但白口倾向也很大，因此缸体、缸盖一般限制V的含量。Mo是抗热疲劳和抗高温蠕变等方面是最有效的合金元素之一，可以细化珠光体，增强基体，但不能促进珠光体生产，Mo的价格较高，与珠光体促进元素Cr、Cu、Ni等配合使用效果更好。Cr和Cu是稳定珠光体的元素，一般wCu＞0. 5%时强度才有明显的提高，Cr提升强度的效果比Cu好，但含量较高容易出现碳化物和缩松，造成缸盖加工恶化和漏气。Cu还可促进石墨化，可以抵消碳化物稳定元素的白口作用。Ni与Cu的作用相似，既是石墨化元素，又可以促进珠光体生成，还可以细化珠光体，Ni的价格较高，一般以Cu代Ni。

国内外对微合金化方面做的大量研究表明，Nb、V、Ti 可以与铁液中的非金属元素C 和N 发生反应，形成碳化物、氮化物、碳氮化物等微小质点，能够细化初生奥氏体、共晶团和基体中的珠光体。美国卡勒彼特公司通过Nb代替部分Mo，降低了生产成本，零件强度达到290～360MPa。玉柴开发出一种铌微合金化高强度灰铁气缸盖，本体强度均在300 MPa以上。N作为一种微量元素，能够使石墨变短、变钝和弯曲，同时能够稳定珠光体，促进共晶团和初生奥氏体形核，使强度明显提高。相对于添加常规合金元素，通过微合金化进行强化能够产生更好的经济效益，但也存在加工硬化和气孔缺陷等风险，应该通过严格的工艺过程进行控制。

4. 孕育处理

孕育技术对提高力学性能、降低白口倾向、改善组织和可加工性有重要的作用，是提升灰铸铁性能不可缺少的工艺。硅系孕育剂是最常用的孕育剂，近年来针对缸体、缸盖零件开发了一些特殊孕育剂（为了改善铸件壁厚敏感性、提高抗衰退能力和满足产品性能，添加少量Ba、Sr、Ca、Nb、N、Zr等元素的孕育剂）。国内外对复合孕育剂也进行了大量的研究，使用该种孕育剂可以综合发挥不同元素的孕育能力，在强化孕育效果的同时，可以改善基体组织。一汽无锡柴油机厂在较高碳当量（3.9%～4.1%）采用复合孕育剂和低合金化工艺，强度达到250MPa以上。司乃潮等用HT250铁液，通过60%BaSi+40%75SiFe复合孕育，其抗拉强度均超过HT250，最高值达到335MPa。

对于缸体、缸盖铸件，孕育过度会使共晶团数过高，增加缩松倾向而导致渗漏。可采用含Sr孕育剂，在减少白口的同时并不增加共晶团数量，改善发动机铸件的致密性和耐水压能力。另外，孕育剂加入量相同的情况下，SiSr孕育后的硬度也降低，有利于改善薄壁缸体等零件可加工性。

国内外的研究已经表明，稀土孕育对铸铁组织和性能有重要的影响，稀土硫化物等可作为石墨形核基底，可以细化石墨和共晶团，同时稀土作为强烈的脱氧剂和脱硫剂可净化铁液，但稀土相对于S过量，易形成白口组织。日本三菱汽车公司在高碳当量（3.9%～4.15%）的情况下添加稀土，能够明显降低合金化带来的激冷作用，并通过增加Cr含量，缸盖强度提高到369MPa以上。稀土复合孕育剂可实现合金强化和孕育双重作用，使用稀土铬系孕育剂，当wCr＞0.35%时铁液的白口倾向和收缩并不会显著增加。稀土铬锰硅铁孕育剂在缸体铸件上大批量使用，代替部分铬铁、铜的加入，明显降低了成本。在稀土锰硅的基础上，复合了促进初生奥氏体枝晶生长的多种元素以及氮化物，在不改变成分和合金处理工艺的情况下，铸铁的强度提高到310～345MPa，缸体铸件硬度在210～220HBW。

5. 熔炼工艺

同样的化学成分，熔炼工艺不同、配料不同，铁液的冶金质量也完全不同。产生性能差异的原因主要表现为石墨形态的差异，其中最根本的原因是碳的获得方式不同。生铁中有许多粗大的过共晶石墨，这种石墨具有遗传性，因此生铁熔炼容易导致材料的性能下降。全废钢加增碳剂熔炼可使铁液更加纯净，石墨化能力更好，提升了材料的性能。目前国内一些厂家如一汽和东风股份用此熔炼方法，石墨形态得到改善，提高了缸体缸盖性能并降低了缩松倾向，具有明显的经济效益。

在缸体、缸盖铁液熔炼过程中，温度控制很重要，一定的温度下过热并保温，可以净化铁液，细化石墨，降低炉料的不良影响。但温度过高，烧损很严重，一般控制出炉温度在1500～1550℃、浇注温度l390～1420℃为宜。另外，去除铁液中的夹渣、气体等杂质也很重要。

为了保证稳定地获得符合要求的铁液，国外汽车铸造厂普遍采用双联熔炼，熔化铸铁多数用冲天炉，具有熔速快、出渣方便、能耗低、降低激冷倾向和收缩倾向等优点。采用感应电炉对铁液进行升温、调制，可使粗大的石墨细化，铁液杂质得以熔解去除，减少炉料遗传的危害。双联熔炼可发挥炉子各自的优势，保证在大批量生产缸体、缸盖时材质成分的均匀性、稳定性和熔炼的经济性。

6. 展望

国内缸体、缸盖的铸造技术虽取得了很大的进步，但与国外汽车工业发达国家的水平相比还有较大差距。国内有关工厂应从各方面找出差距，对适合自己的先进工艺方法应加以借鉴和推广应用，在合金化、孕育处理和熔炼工艺等方面开展多方面的研究，在保证力学性能的前提下，同时还要兼顾铸造性能、可加工性、热疲劳性能、残余应力和经济成本等因素，实现经济效益最大化。