耐磨高强度薄壁气缸体铸铁材料的发展烧砖机

耐磨高强度薄壁气缸体铸铁材料的发展

耐磨高强度薄壁气缸体铸铁材料的发展 2011年12月09日 来源： 气缸体作为发动机中最重要的部件之一，其尺寸较大，结构复杂，壁厚较薄又很不均匀(最薄处仅为3 mm～5 mm)，而且在高温、高压及润滑条件不良且有固体微粒和腐蚀介质工况条件下作高速相对运动，零件内部产生很大的机械应力和热应力，同时承受强烈的摩擦磨损。因此，要求气缸体材料具有良好的综合性能，即应具有良好的强韧性、导热性、耐磨性、耐蚀性、加工工艺性能和经济性。另外，对材料的再循环性及环境保护的因素在国外也是要考虑的重要方面。1　灰铸铁气缸体材料　　灰铸铁由于具有良好的铸造工艺性能和机械性能，优越的耐磨性、减振性和导热性，而且生产方便，价格便宜，在很多工业领域的铁系零件中被选定为复杂形状零件的首选材料，特别是交通运输行业用作制造发动机的材料。尽管在现代出现了众多代用的新材料，但它仍是广泛用于各个工业领域的重要材料。铸铁铸件一般占各类铸件总产量的75 %以上；而灰铸铁件产量又占铸铁件总产量的75 %以上。灰铸铁的铸造性能，尤其是它的缺口敏感性、减震性及耐磨性是其他材料不可取代的。由于市场的激烈竞争，对铸铁材质的要求愈来愈高，随着现代科学技术的进步和对节能要求的提高，于是能提高性能、减轻质量、降低能耗及降低成本的高强度薄壁灰铸铁件就成为国内外研究者们进行研究的一项重要内容，并在汽车发动机等薄壁复杂件生产中得到广泛的应用。 1.1　国外概况　　国外经过几十年的研究和生产实践，对缸体的材质基本上已规范化，在化学成分、材质牌号、本体硬度和金相组织等方面变化不大［2］。国外气缸体一般采用相当于我国的HT250或更高牌号的低合金铸铁，弹性模数为105 GPa～110 GPa，金相组织为98 %以上的珠光体；为保证良好的铸造工艺性能，在化学成分的控制上采用较高的碳当量(3.9 %～4.1 %CE)，在化学成分中绝大多数含有Cr 0.15 %～0.40 %和Cu 0～0.8 %，有的还含有Mo、Ni、Sn等元素，以提高铸件本体的强度、硬度及其均匀性以及薄断面处的珠光体量(一般大于95 %)，铸件本体检测点硬度以185 HB～235 HB居多，很少低于180 HB，厚薄处的硬度差小于30 HB。灰铸铁的金相组织是影响其性能的主要因素，特别是灰铸铁中的C元素的形态直接影响到灰铸铁作为气缸体材料时的性能，当C元素以石墨形态出现时，由于石墨本身就是优良的润滑材料，因而能改善摩擦磨损性能，但由于片状石墨的缩减和切割作用，直接影响灰铸铁的机械性能，因此，国外绝大多数工厂对石墨形态控制较严，基本上为A型2级～3级，只允许有少量的B型和D型石墨出现。 1.2　国内情况　　我国在“六五”至“八五”期间，经过科研院所、大专院校与生产厂家的联合攻关，对高强度薄壁铸铁件的研究取得了较大的进展，缩短了与国外先进水平的差距。但与国外同类产品相比，在铸件的使用性能和品质稳定性方面，还存在着不小的差距，主要表现为［3］：强度低，碳当量相同时，强度比国外低1个～2个牌号。铸造工艺落后，铸件重且壁厚，如柴油机缸体铸件国内比国外重30 %以上，国外铸件最小壁厚可达3 mm，国内一般在5 mm左右。断面敏感性大，厚薄断面硬度不均匀，加工性能差。尤其是在耐磨性方面，差距是很明显的。如国外汽车第一次大修里程，汽油机为大于30万km，柴油机大于50万km，而国内分别为10万km～15万km和20万km。气缸套使用寿命国外可达到6 000 h～8 000 h，而 国 内 只 有3 000 h～5 000 h。由于耐磨性与材料的综合性能密切相关，为满足发动机的不断强化的要求，因此，改善气缸体的组织与性能和研究气缸体新材料与新工艺，提高缸体的耐磨性和使用寿命，成为当前国内外学者和工程技术人员研究的重点之一。 1.2.1　合成铸铁　　合成铸铁由郑州机械所和第二汽车制造厂合作研制［4］。采用高废钢比(60 %～80 %废钢＋20 %～40 %回炉料)；经工频电炉熔炼，炉内加电极石墨2 %～5 %及SiC增C和增Si 2 %～5 %，加入Cr 0.3 %，作FeSi0.3 %～0.5 %孕育处理，在较高碳当量(3.90 %～4.05 %CE)条件下，稳定获得HT250灰铸铁。与相同条件下的普通生铁熔炼相比，抗拉强度可提高30 MPa～50 MPa，石墨形态以A型为主，长度较小(200 μm～300 μm)且均匀，试棒硬度为194 HB～237 HB，铸件断面敏感性小，组织和硬度均匀性好，成本较低。但由于国内废钢供应困难，使其推广应用仅能在一些有条件的企业进行。 1.2.2　低合金化＋孕育处理　　低合金化加孕育处理由中国农机院和第一拖拉机厂共同研究1)。采用较高碳当量(3.90 %～4.05 %CE)，加入少量Cr(0.3 %)和Cu(0.4 %)，用冲天炉——有芯工频电炉双联熔炼，随流孕育，可稳定获得HT250灰铸铁。本体抗拉强度大于200 MPa，硬度大于180 HB，硬度差小于30 HB，石墨形态为A型(2级～4级)＋少量B型，薄断面处的珠光体含量大于90 %，全面达到英国Ricardo公司设计图纸要求。北京农业工程大

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