新型微合金化高强度缸体材料研发

杨春黎，陈光金，宁显润

1.宜宾普什联动科技有限公司 四川宜宾 644007

2.四川省动力零部件制造工程技术研究中心 四川宜宾 644007

1 序言

灰铸铁是最常用的铸铁材料之一，由于价格低廉、生产工艺简单，迄今仍被大量采用[1]。灰铸铁中的碳大部分或全部以游离态的石墨形式存在，其断裂时断口呈暗灰色[2]。目前，大型载重汽车的发动机缸体选用材料仍然以灰铸铁为主，然而灰铸铁的最大缺点是抗拉强度较低[3]。灰铸铁的抗拉强度取决于其微观组织，如石墨和基体的形态、尺寸、含量及分布[4，5]。目前，添加合金元素是改善灰铸铁微观组织并提高其抗拉强度最经济有效的 手段[6]，其中Mo被认为是提高铸铁抗拉强度最有效的元素之一[7]。但Mo金属价格昂贵，而Cu的价格是相对较低且最为常用，在缸体铸件大批量生产中，如果能够通过技术措施，减少或取消贵金属Mo的用量，将带来一定的经济效益[8]。

我公司生产的一种发动机缸体为龙门式结构，形状复杂、壁薄、呈箱形。单件毛坯重量400kg，最大轮廓尺寸为1150mm×390mm×600mm，单铸试块要求抗拉强度≥300MPa，本体硬度181～235HBW。该缸体材质中含有昂贵的金属Mo，生产成本一直居高不下。综合考虑合金元素对灰铸铁力学性能和加工性能的影响以及生产成本等因素，本研究中用价格较低的Cu、Cr取代Mo进行合金化，通过改变缸体材质中Cu、Cr合金含量，降低生产成本，大幅提高企业生产效益。

2 试验研究方法

以我公司生产的其缸体为研究对象，材质为H T300，铸件毛坯重量为640k g，外轮廓尺寸为735mm×448mm×452mm，最大壁厚为65mm，最小壁厚为34m m。铸件结构复杂且性能要求较高，本体抗拉强度满足225～325MPa，硬度满足180～255HBW，珠光体含量≥95%，A型石墨含量≥90%。在保持原有生产条件及相关工艺参数的前提下，加入Mo、Cu、Cr等合金元素来调整CE进行试验，采用中频感应电炉熔炼，经过出铁孕育后，每炉次浇注一组单铸φ30mm试棒，随机取其中一根试棒对其进行金相组织、力学性能检测。

通过多次试验，由单件试验到批量投产，逐步优化化学成分，最终完成Cu＋Cr合金替代Mo合金。原材料为Q10生铁、废钢、回炉料、增碳剂及相关合金化金属，其中Q10生铁为20%，废钢为45%，回炉料为35%。在浇注前需进行孕育处理，其作用主要是消除白口组织，改善石墨分布，形成细小且均匀分布的A型石墨，细化共晶团，从而获得细片状珠光体[9]。

含镧孕育剂在铸铁凝固过程中可促进等轴晶生长，抑制树枝晶生长，有效地延长了铁液内部的补缩通道，降低铸件缩松[10]。75SiFe孕育剂孕育速效，1.5min内达到峰值，可减少过冷度和白口倾向，增加共晶团数，促进A型石墨的形成，改善断面组织均匀性，复合使用可充分改变单一孕育剂的不足，加强孕育效果。因此，本文使用复合孕育处理，含镧孕育剂0.2%＋75SiFe孕育剂0.2%。生产及试验设备选择见表1。

表1 生产及试验设备选择

3 化学成分设计

在灰铸铁中，高碳当量CE可减少白口、缩松、缩孔及渗漏等缺陷的倾向；Si是一种石墨化元素，固溶于铁素体，强化铁素体；Mn作为一种阻碍石墨化元素，能够增加珠光体和奥氏体枝晶的数量，同时可以有效降低共析转变温度，促进珠光体细化，减小片间距；P作为一种促进石墨化元素，具有与Si相似的作用，并使铸铁的共晶点向左移动，P的熔点很低，灰铸铁中存在P时，能够增加铸铁的流动性；S具有双重性，在铸铁生产过程中，S并不是越低越好，S在铁液中的溶解度很低，对铁碳平衡相图影响不大， 然而从热力学的角度来看，S降低了碳在铁液中的溶解度，具有增加碳活性的效果[11]；Mo的作用有很多，主要有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会明显增加；Cr作为促进碳化物形成的一种元素，会降低灰铸铁的共晶凝固温度，扩大铁液的凝固温度范围[12]；Cu能够提高共晶转变温度，降低亚稳体系的转变温度；Ti与N会形成TiN化合物，降低合金的强度，但正因为这种游离的N对灰铸铁起到了固溶强化作用[13]。

结合实际生产环境及熔炼经验，通过对各元素作用进行综合分析，采用高碳当量在保证铸造性能的前提下，稳定地控制力学性能在客户要求的中下限，增加Cu、Cr的含量，以此代替Mo的作用，设计的化学成分见表2。

表2 HT300化学成分（质量分数） （%）

4 试验结果

4.1 化学成分

严格按照设定的H T300化学成分范围进行熔炼、浇注，并随机取出5炉次铁液试样，进行光谱化学成分检测，其结果见表3。

表3 试样光谱化学成分（质量分数） （%）

4.2 金相组织及力学性能

基于HT300材质，客户对此类缸体性能要求见表4。

表4 缸体性能要求

在5炉次试样件中随机抽取一炉次试样做金相组织检测，结果如图1所示。从图1a可看出，其主要是A型石墨，含有极少部分的D型石墨，利用Image-Pro软件测量其石墨平均长度，判断其石墨等级为4级；从图1b可看出，其基体组织以珠光体为主，极少量铁素体存在，能够稳定其力学性能，利用Image-Pro软件对其珠光体含量进行统计，判断其珠光体含量为98%，均符合客户对该类缸体HT300材质金相组织的要求。

图1 试样件金相组织检测结果

根据前面所选取5炉次的试样件，分别检测其单铸试棒抗拉强度、本体硬度、石墨形态、石墨长度，结果见表5。

表5 试样件性能检测结果

通过化学成分优化，采用Cu＋Cr合金搭配可替代贵重Mo合金，在保证性能合格的前提下，取消了贵金属Mo的加入，降低了原材料成本。通过成本核算，每件可以节约182元，此缸体年订单约2万件，每年可为公司节约364万元。

4.3 硬度变化趋势

根据优化后的化学成分，采用合理熔炼工艺进行小批量生产，并随机抽取100组铸件进行硬度检测（见图2），其硬度值均符合本缸体HT300材质硬度要求。由图2可看出，本体硬度过程受控，说明小批量生产无异常出现，可进行大批量生产。

图2 硬度检测结果

5 结束语

本试验取消贵重Mo合金的加入，从生产情况上看，单铸试棒力学性能、金相组织、本体硬度稳定，满足客户技术要求。由于熔炼上采用Cu＋Cr合金配搭而取消了贵重Mo合金，因此降低了合金成本，每件节约182元左右，该机型年订单在2万件左右，每年可为公司节约364万元左右。该类型缸体采用优化后的工艺已稳定生产一年多，铸件性能稳定，未见客户异常反馈。