提高缸体性能的微合金搭配方案优化

■ 任良敏，杨春黎，高 超

随着汽车柴油机功率的加大，对缸体材料的性能要求也在不断提高，从HT250提高到HT300，甚至HT350，这给生产带来了相当大的难度。提高材料性能的一些工艺措施往往是降低碳当量，这样势必会增大铸铁在凝固过程的收缩倾向，造成缩孔、缩松、裂纹等铸造缺陷。通过选择微合金化Cu+Cr组合试验的方式，优化合金之间的配比，在保证力学性能的前提下提高碳当量，以此提高铸造性能。

一、试验设计

（1）16V缸体是我公司新开发的产品，铸件毛坯重量为1840kg。

（2）缸体力学性能要求如表1所示（单铸试块φ30mm）。

（3）采用多次试验对比，在上一次试验结果的基础上，在保证力学性能的前提下提高碳当量，优化Cu+Cr合金组合再次验证，确定最终化学成分工艺方案。

二、试验方案

1.生产及试验设备

生产及试验采用的设备如表2所示。

2.原材料

感应电炉熔炼不像冲天炉在熔炼过程中与空气、炽热的焦炭接触有强烈的冶金反应，烧损掉许多有害的微量元素，只是一个重熔的过程，因此使用感应电炉熔炼一定要注意炉料的纯净度。

（1）生铁 选择Q10生铁，与Z18生铁相比，该生铁微量元素含量少，一般情况下微量元素是有害的，对石墨形态、基体、硬度产生不利的影响，如Ti、Pb等。生铁是钛的主要来源，因此生铁使用量的多少会直接影响材料中钛的含量。在某生铁厂举办的一次的交流会上，从试验数据统计发现，随着生铁中Si含量的升高，Ti含量也升高，有很高的相关性，图1为生铁中Ti与Si的回归分析拟合线图。

（2）废钢 普通碳素钢或汽车板材压轧下的边角料等废钢，表面要清洁，需经过除锈处理，不允许有油漆、油污。

（3）增碳剂 在感应电炉熔炼条件下，增碳技术的核心是使用高质量的增碳剂，这是增碳工艺中最重要的环节。增碳剂的质量决定了铁液质量的好坏。经过高温石墨化的晶质增碳剂，碳原子从原来的无序排列变成片状排列，是石墨形核的最好核心，从而有利于石墨化，提高形核率。

表1 力学性能要求

表2 生产及试验设备

图1 生铁中Ti与Si的回归分析拟合线图

3.炉料配比

炉料配比如表3所示。

表3 配料配比 （%）

4.化学成分的选择

（1）碳与CE的选择 采用高的碳当量，可减小白口倾向及铸件缩松、渗漏等缺陷，但同时会降低铸件的力学性能。而对于发动机缸体这样复杂的薄壁铸件，从铸造性能考虑，一般都选择较高的碳当量。为使缸体具有良好的铸造性能与力学性能，一般选择wC＝3.15%～3.45%、CE＝3.8%～4.05%。

（2）硅与Si/C值 过高的Si/C值会导致石墨粗化，珠光体片间距增大，铁素体含量也增加。在低碳当量的情况下，当Si/C＞0.55时，共晶点左移，初生奥氏体增多，共晶液相减少，扩大了凝固区间，缸体缩孔、缩松缺陷将会增加。对于采用较高碳当量铁液的缸体铸件，高Si/C并不能提高力学性能，而且还可能由于高CE和高的Si/C双重影响而使石墨粗大和珠光体量下降，从而使抗拉强度下降，综合考虑，Si/C控制在0.5～0.6较为合适。

（3）锰 阻碍石墨化元素，增加珠光体和奥氏体枝晶数量，同时可有效降低共析转变温度，促使珠光体细化，片间距缩小。在灰铸铁中和硫的有害作用，阻碍FeS在晶粒或共晶团晶界处形成，减少或避免产生热裂。与硫两者之间含量的配合关系一般为：Mn＝1.7S+0.5%～0.6%。综合考虑控制wMn＝0.7%～0.8%。

（4）硫 早期人们一般认为硫是一种有害元素，直至近代J.F.Wailace提出硫化物核心孕育理论后，人们开始意识到其双重性。硫在铸铁生产过程中并不是越低越好，硫在铁液中溶解度很低，对铁-碳系平衡相图的影响不大，但从热力学角度分析，硫降低碳在铁液中的溶解度，增加碳的活度，理应是一种促进石墨化的元素，但实际上其与氧相似，在含量过高和过低时，都将促使铸铁组织白口化。铸铁通常控制wS＝0.06%～0.12%。

（5）磷 促进石墨化元素，作用程度与硅相似，使铸铁的共晶点左移，由于磷具有较低的熔化温度以及可以降低铸铁熔点的缘故，因此磷能增加铸铁的流动性，形成的磷共晶偏析到晶界可以提高铸件的硬度和耐磨性，但随着磷的增高，在铸件的凝固过程中，会伴随着液态凝固收缩，在晶间最后凝固的铁液空缺的体积得不到补充而形成缩松。一般控制wP≤0.08%。

（6）铜 促进石墨化的元素，石墨化能力相当于硅的1/10～1/5。铜在超过其固溶度极限时，常以显微质点或超显微质点分布于铸铁中。铜使组织致密，并细化和改善石墨的均匀分布，既能降低铸铁的白口倾向，又能促进珠光体的形成，对断面敏感性形成有利影响。铜与其他合金元素联合使用，如Cu-Cr、Cu-Cr-Mo、Cu-Mo、Cu-Mn、Cu-V等，则能获得更大的效果。

（7）铬 是强烈稳定碳化物、阻碍石墨化的元素。铬的合金化效果是非常强烈的，加铬使铁液白口倾向增大，铸件易收缩产生废品。因此，一方面希望铁液中含有一定量的铬，细化石墨，增加珠光体数量，以提高铸件的强度、硬度、耐热性和耐磨性；另一方面又将铬严格控制在下限，以防止铸件收缩而造成废品率增加。一般铬与铜搭配使用，铜可以抵消碳化物稳定元素的负面作用，减轻铸铁的白口倾向，有利于保证铁液的铸造工艺性能，改善铸铁强度和组织均匀性，提高铸铁的可加工性。

（8）钼 细化和改善石墨的均匀分布，细化珠光体，增加珠光体含量，强化珠光体中的铁素体，同时铸铁的白口倾向并不明显增强，因而能有效地提高铸铁的强度、硬度及耐磨性。由于钼是稀有贵重合金，在保证力学性能的前提下尽量少加或不加，以降低成本，减少对贵重合金资源的消耗。

通过以上对各元素的作用与分析，选择化学成分如表4所示。

5.孕育剂的选择

采用福士科公司含镧孕育剂，该孕育剂可改善石墨形态，消除或减少枝晶间缩松，提高铸件致密性。

三、试验结果

1.第一次试验结果

（1）第一次试验铸件的化学成分如表5所示。

（2）单铸试块力学性能、本体硬度如表6所示，金相组织如图2所示。

从试验结果看，化学成分控制在设计范围内，单铸试块力学性能、本体硬度比较理想，抗拉强度、本体硬度还有一定的富裕量，进一步提高碳含量（质量分数）至3.25%～3.3%，在保证力学性能前提下优化合金元素铜、铬的加入量，具体如表7所示。

2.第二次试验结果

（1）优化后铸件化学成分、力学性能、本体硬度如表8、表9所示。

图2 单铸试块金相组织

表4 选定的化学成分（质量分数） （%）

3.试验结果分析

通过两次试验对比分析，可以得到如下结论：

（1）优化C、Cu、Cr成分 为了兼顾铸造性能和力学性能，在第一次试验数据的基础上，将wC从3.21%提到至3.27%，优化Cu、Cr搭配，wCu从0.65%提高至0.73%，wCr从0.18%提高至0.23%，从试验结果、试验时间不同阶段来看，力学性能、本体硬度符合技术要求，说明化学成分选择是合适的。

（2）重点监控微量元素Ti 在不同时间阶段试验中，发现其含量在逐步增高，关于对缸体Ti含量多少的控制，通过从另外一种批量生产的缸体数据统计分析，对硬度有较大的影响，因此在生产中要严格监控Ti元素，为了稳定硬度在小范围内波动，在生产中要严格监控Ti元素，可以在料仓预存一部分低Ti废钢，一旦光谱检测铁液Ti含量超标时进行调节使用。

（3）为了保证力学性能、本体硬度在小范围内波动，缩小化学成分工艺范围为：wC＝3.25%～3.3%，wSi＝1.75%～1.90%，wMn＝0.70%～0.80%，wP＜0.08%，wS＝0.08%～0.12%，wCu＝0.75%～0.85%，wCr＝0.23%～0.27%，wTi＜0.025%，并将此作为作业指导书的参照值。目前该缸体已经批量生产，从力学性能、本体硬度、机加工反馈信息来看，质量一直非常稳定。

表5 第一次试验铸件的化学成分（质量分数） （%）

表6 第一次试验力学性能

表7 优化后控制化学成分（质量分数） （%）

表8 优化后铸件化学成分（质量分数） （%）

表9 优化后力学性能与本体硬度

四、结语

（1）微量元素Ti对灰铸铁硬度影响很大，生产过程中对原材料应加以重点监控。

（2）为了兼顾铸造性能和力学性能，在力学性能还有一定富裕量的情况下，适当地提高碳当量，对发动机缸体复杂的薄壁铸件，可减小白口倾向及铸件缩松、渗漏等缺陷。

（3）采用Cu+Cr微合金方式来提高力学性能，通过试验进一步优化Cu+Cr合金搭配比例，从试验结果上看较理想。目前该缸体已经批量生产，质量非常稳定。