气缸套中D型石墨的生成与影响

严继斌

摘要：在离心铸造气缸套的生产中，由于低碳当量和较大过冷度，组织中会出现D型石墨，根据D型石墨的生成条件，从铁水成分﹑生铁组织﹑过热温度﹑孕育处理﹑快速冷却等方面分析了D型石墨的生成原因，阐述了D型石墨对气缸套的影响，并提出了生产中防止D型石墨产生的工艺措施。

Abstract： In the production of centrifugal cast cylinder liner， due to low carbon equivalent and large supercooling degree， D-type graphite will appear in the structure.  According to the formation conditions of D-type graphite， the formation reasons of D-type graphite are analyzed from the aspects of molten iron composition， pig iron structure， overheat temperature， inoculation treatment， rapid cooling， etc.， the influence of D-type graphite on the cylinder sleeve is described， and the technological measures to prevent the production of D-type graphite are put forward.

关键词：气缸套;D型石墨;碳当量;过冷度

Key words： cylinder liner;D type graphite;carbon equivalent;degree of super-cooling

0  引言

船用柴油机的气缸套，由于工作时直接与高温高压燃气接触，在恶烈的工况条件下，既要承受机械应力和热应力的作用，又要承受冷却介质的腐蚀，因此对气缸套的内在质量有较高的要求，规定气缸套不仅具有较高的强度和耐磨性，同时要有耐腐蚀和抗疲劳性能。要求气缸套金相组织中的石墨组织应为细片状A型石墨，不允许或限制其他类型存在。在离心铸造气缸套的生产中，因其工艺特性常会出现D型石墨，人们通常认为D型石墨是有害的类型，会影响铸铁机械性能下降，但对其产生的原因﹑如何影响机械性能，未作进一步的研究。从气缸套的生产出发，本文对D型石墨的生成及对气缸套的影响进行了研究。

1  生产条件

气缸套采用金属型离心铸造的方法生产，这样能获得组织致密﹑性能优良的铸件。熔炼设备采用0.5T中频感应电炉，易于分析控制成分。气缸套的材料为高强度合金灰铸铁，铁水为亚共晶成分CE%=3.6～4.3%，常用合金微量元素有V、Cu、B、Mo、Cr、Nb、Ni、Ti等。生产中生铁废钢加入炉中熔炼，调整成分合格，达到出炉温度后，经过孕育处理，浇入高速运转的金属模具中，待铁水结晶凝固后脱模，完成毛坯生产。从毛坯本体切取环片，在断口处观察金相组织。

2  D型石墨的特征及生成条件

GB7216—87对灰铸铁石墨形态进行了分类说明，指出了D型石墨的基本特征：D型石墨为点﹑片状枝晶间石墨，呈无向性分布。灰铸铁的D型石墨，又称为“过冷石墨”，是在成核条件较差（如碳当量低），冷却速度快，较大过冷度的情况下形成的。在结晶温度下，石墨在较大的过冷度下成长，铁液首先结晶出发达的初生奥氏体，剩余的铁液在初生奥氏体枝晶间快速共晶生长，形成许多细小的无一定排列方向的石墨核心，这些石墨核心进行微小生长，成点﹑片状分布。这种细小的D型石墨常在较高牌号（碳当量低）﹑壁薄（冷却较快）的灰铸铁铸件中出现。

3  D型石墨的生成原因

3.1 低碳当量铁水成分

气缸套较高强度和耐磨性的条件要求，使灰铸铁化学成分偏向于低碳当量（亚共晶铸铁），在低碳当量成分条件下，铁水中预埋石墨结晶核心减少，石墨成核能力差，过冷度也有所加大，石墨只能是在初晶奥氏体枝晶内共晶形成和长大，生成D型石墨的倾向加大。而且碳当量越低，这种倾向越大。为获得更好的强度和耐磨性，加入一定的微量元素是比较好的途径，添加微量合金元素，有利于碳化物的形成，改善组织，提高耐磨性，但同时部分合金元素的反石墨化作用，也阻碍石墨的析出和生长，而且提高了过冷度，为D型石墨的形成创造了条件。为防止D型石墨的产生，获得理想的铁水质量，低碳当量选择适当的铁水成分，要注意碳﹑硅的配比Si/C，硅是促进石墨化的元素，Si/C较低时，促进石墨化的能力弱，容易形成E型石墨，同时会出现白口组织，Si/C过高时，促进石墨化的能力增强，石墨核心增多，容易形成D型石墨。恰当的碳﹑硅量，可以提高灰铸铁的机械性能，同时也是良好孕育处理的前提。生产气缸套时，C为3.0%，Si/C在0.7～0.75，是比较理想的结果。

3.2 生铁的组织遗传

炉料的组织遗传是客观存在的，尤其是生铁。生铁是生产灰铸铁的主要原材料，生产中使用较多。在生铁冶炼生产过程中，出炉温度低及炉内成分的不均匀，为D型石墨的生成提供了条件。在灰铸铁熔炼过程中，由于石墨的熔点比较高，要改变生铁组织中原有的石墨形态，获得理想的A型石墨是比较困难的。在铁水熔炼时，通过较高的熔炼温度可以改善石墨的形态，但仍有部分的石墨会以原始状态的形态D型石墨存在下来，从而遗传到灰铸铁的组织中。

3.3 过热温度与保温时间

在灰铸铁熔炼过程中，可以通过提高铁水熔炼温度和静置保温来达到净化铁水的目的。同时，对改变生铁原始石墨形态，消除D型石墨也有好处。但较高的过热温度，使碳处于烧损状态，妨碍了游离碳的聚集。从铁水的成核能力来说，无疑是减少了铁水中原有的预存石墨结晶核心，成核能力下降。如果过热温度太高，则过冷度增大，同时也加大了D型石墨的生成倾向。所以，熔炼铁水过热温度不宜太高，在静置相当的时间即可出炉。在生产中，推荐过热温度为1450℃～1500℃，过热時间不超过5min。

3.4 孕育处理

铁水出炉后，浇注之前，把孕育剂以适当的方式添加到铁水中进行孕育处理。生产中75SiFe是比较常用的孕育剂。孕育处理的作用是不言而喻的，可以细化晶粒﹑细化组织，对铸铁的力学性能和使用性能有显著的改善。铁水经过过热处理，碳元素出现烧损，伴随而来必然是成核能力的下降，通过孕育剂的加入，Si含量提高，加大了异质晶核的数量，石墨化的能力增强，增加了铁水本身缺乏的石墨形成基底，从而降低了石墨共晶凝固的过冷度，破坏了D型石墨的形成条件，有效地消除组织中的D型石墨，对石墨形态发生积极的影响，值得注意的是，生产中应防止孕育衰退的出现，孕育衰退会导致铸铁的白口倾向增加。除了加入量和孕育处理后的保持时间影响孕育效果以外，孕育剂的颗粒度也对孕育衰退作用有明显的影响。因此，孕育剂的颗粒度也要合理地选定，常规下颗粒度在8～10mm即可满足生产要求。

另外，瞬时孕育和复合孕育工艺也被人们所重视，越来越广泛地应用在实际生产中。

3.5 冷却速度和过冷度

气缸套采用金属模离心铸造的的方法制造，铁水浇注进入旋转的金属模中，在离心力的作用下结晶凝固，由于铁水直接接触金属模，冷却速度极快，过冷度较大，容易形成过冷石墨。为追求更加致密的铸造组织，有些企业甚至采用水冷金属模的方式来提高冷却速度，这样就更加大了过冷石墨的形成，极易导致白口。为尽量避免这种情况的出现，在离心铸造的生产工艺上有必要对铁水的浇注温度、浇注速度、金属模的预热温度、水冷时间、脱模温度等工艺参数进行控制。

通常情况下，浇注温度：1320℃，浇注速度约：15kg/s，金属模的预热温度：200℃，水冷时间视冷却效果确定，脱模温度：800℃。

4  D型石墨对气缸套的影响

金属模离心铸造气缸套时，金属型大大提高了凝固速度，增大了过冷度，在气缸套的金相组织中，比较容易出现D型石墨。由于D型石墨的存在，其不同于A型片状石墨的形态、大小和数量，也会对气缸套的力学性能和使用性能产生影响。

灰铸铁中组织中，石墨的存在对基体造成缩减和切割作用，使铸铁金属基体受到削弱，表现为灰铸铁的强度大大降低。

从形态上来看，D型石墨为点﹑片状枝晶间石墨，呈无向性分布，同时D型石墨的片状比A型石墨细小，而且钝边，不容易引起较大的应力集中，比A型石墨对基体的切割作用要小得多，相对于A型石墨，组织中石墨为D型的灰铸铁抗拉强度比较高，在国外，高强度的D型石墨灰铸铁也得到了应用。那么D型石墨的存在是不是要优于A型石墨，而不加以限制呢？其实不然。有关文献说明，D型石墨和A型石墨铸铁有着不同的强化机理，A型石墨提高铸件性能的途径主要是通过细化共晶团，而D型石墨组织强化的途径是对奥氏体骨架网络结构进行固溶强化，A型石墨和D型石墨混合共存时强化机制得不到充分发挥，反而使灰铸铁的强度降低。另外，铸态组织中出现D型过冷石墨，同时伴生多量鐵素体，而铁素体增多降低了铸件的硬度，增大了咬合磨损，降低了耐磨性，从而降低材料的力学性能。

从石墨的大小来看，D型石墨相对于A型石墨更加细小，润滑油的贮存能力较弱，对气缸套的耐磨性的影响也是不利。

因此，从气缸套材料的力学性能和使用性能来讲，对以A型石墨组织为主的气缸套，在金相组织中对D型石墨的含量进行控制是很有必要的。

5  结论

①金属模离心铸造气缸套，灰铸铁组织中会产生D石墨。

②D型石墨的存在，对气缸套的抗拉强度和耐磨性有影响，对其在铸铁组织中的含量必须加以限制。

③在气缸套的生产过程中，通过采取一些工艺措施，可以减少或消除D型石墨，获得力学性能和使用性能良好的气缸套。

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