蠕墨铸铁-现代发动机设计的材料

- 1 -蠕墨铸铁 - 现代发动机设计的材料史蒂夫道森博士(Dr Steve Dawson)，欣特卡斯特(SinterCast )摘要提高燃油经济性和功能以及降低排放的需求不断给发动机设计者和所选用的材料提出挑战。本文评述了蠕墨铸铁，灰铸铁和铝合金的性能并阐述了蠕墨铸铁的性能可以怎样来优化发动机的设计和功能。基于在欧洲，亚洲和美洲的生产经验，应用蠕墨铸铁铸铁可以为减轻发动机的重量，尺寸，提高动力，降低噪音，震动和改善不平顺性提供新的机会。对于重载发动机来说更是如此。在乘用车中，采用蠕墨铸铁可以生产更小更紧凑的发动机缸体，这就使得整装蠕墨铸铁发动机比同样排量的铝合金发动机重量更轻。文中以V6和 V8柴油发动机为例阐述了这种设计。本文还对蠕墨铸铁和铝给出了从开采石油到精炼汽油的能耗比较，比较结果更有利于铸铁气缸体。前言虽然在 1948 年人们就首次观察到了蠕虫状石墨铸铁，但是稳定生产蠕墨铸铁所需的狭窄控制范围妨碍了像气缸体这样复杂蠕墨铸铁零件的大批量生产;直到有了先进的过程控制技术，大批量生产才成为可能。还有，大批量生产还必须等到现代测量电子学和计算机技术的到来。随着 1990 年代铸造技术的发展和铸造方案的解决，第一款批量生产的发动机气缸体在 1999 年开始生产。今天，每个月为发动机和汽车制造商生产的蠕墨铸铁气缸体超过50,000 个，其中包括：奥迪，克莱斯勒，达夫，戴姆勒，福特，现代，美洲豹，吉普，陆虎，曼，纳维斯达，梅赛德斯，标致-雪铁龙，雷诺，斯坎尼亚，大众和沃尔沃。排放法规和对小体积高比性能的需求继续驱动柴油发动机技术的发展。虽然较高的的最高点火压力 Pmax 提高了发动机的燃烧效率，功能并使发动机更精致，所造成的增加的热负载和机械负载就需要新的设计方案。设计工程师需要在增加传统灰铸铁和铝合金零件的壁厚与重量和采用更高强度的材料，特别是蠕墨铸铁之间做出选择。鉴于新发动机设计方案通常倾向于支持 3 到 4 代的车辆，所选用的工程材料必须既能满足当前设计需求，同时又能为未来性能的提升提供潜力，而且无须改变缸体的整体结构。较之普通灰铸铁和铝合金，蠕墨铸铁具有至少高75%的抗拉 强度，高 40%的弹性模量和几乎高一倍的疲劳强度；因此蠕墨铸铁就能很好地满足当前的和将来的发动机设计和功能的需求。微观组织与性能- 2 -如图 1 所示，蠕墨铸铁中的石墨呈现为单独的蠕虫状颗粒。正如在灰铁中一样，这些石墨颗粒是任意排列的长条状的，但是长度较短，厚度较厚，并且边缘也比较圆。虽然在二维平面观察时这些颗粒呈现蠕虫状，但是经深腐蚀在扫描电镜下(图 2) 观察时，这些单独的蠕虫在共晶团内是与其近邻的石墨互相连接的。这些复杂的，珊瑚状的石墨形貌再加上不平整的表面和圆的边缘，使得石墨与铁基体之间有较强的结合力。这种蠕虫状石墨形貌阻止了裂纹的萌生和扩展。这就是为什么蠕墨铸铁比灰铸铁具有优良力学性能的原因。图 1: 蠕化率 90%的蠕墨铸铁的微观结构 图 2: 深腐蚀后在扫面电镜下显示了复杂的三维珊瑚状石墨。蠕墨铸铁不可避免地要含有一些球状石墨。当球状石墨数量增加时，强度和弹性模量增加，但是铸造性能，机加工性和导热率也随之降低。因此，微观组织的标准必须根据生产需求和产品的性能要求来选择。就气缸体来说，铸造性能，机加工性和导热率都是非常重要的，需要很窄的微观组织标准。典型的蠕墨铸铁微观组织标准摘要如下： 80%以上的蠕化率以防止渗漏缺陷，和提供最好的机加工性和导热性。 无片状石墨 -片状石墨（如灰铸铁中的一样）将造成局部弱点。 珠光体90%以提供高的强度和一致的性能。 钛0.02%以获得最好的加工性。这种通常的标准规定将在 25 mm 直径试棒上获得最小 450 MPa 的强度，与国际蠕墨铸铁标准 ISO 16112 牌号 GJV 450 的标准一致。该牌号蠕墨铸铁的典型机械性能与普通灰铸铁 (国际标准 GJL 250)，合金灰铸铁(国际标准 GJL 300)和铝合金相比在下列表 1 中摘要列出：表 1:蠕墨铸铁，传统灰铸铁和铝合金在 20C 时机械和物理性能的比较性能 单位 GJV 450 GJL 250 GJL 300 A 390.0抗拉强度 MPa 450 250 300 275弹性模量 GPa 145 105 115 80延伸率 % 1-2 0 0 1- 3 -扭转-弯曲疲劳(20C) MPa 210 110 125 100扭转-弯曲疲劳(225C) MPa 205 100 120 35泊松比 0.26 0.27 0.27 0.33导热系数 W/m-K 36 46 39 130热膨胀系数 m-m-K 12 12 12 18密度 g/cc 7.1 7.1 7.1 2.7布氏硬度 BHN 10-3000 215-255 190-225 215-255 110-150发动机设计的机会与传统灰铸铁相比，蠕墨铸铁提供了以下机会: 在当前运行负载下减小壁厚 通过提高 Pmax 和负载提高比性能 由于减少了铸态性能波动，可减小安全系数 减小缸筒的膨胀和变形 降低噪音，震动和改善不平顺性（NVH） 缩短螺纹啮合深度从而缩短螺栓长度上世纪 90 年代中期，大多数蠕墨铸铁开发活动集中在减重方面。表 2 摘要给出了不同铸造厂家和发动机制造商进行的设计研究中所获得的减重数据。括号中的减重数据指的是由发动机制造商正在生产的和已经发表的蠕墨铸铁气缸体减重百分比。那些以 xx.x 为标记的气缸体不曾用灰铸铁生产过，但是发动机制造商对每一个案例都公开表示过，如果该气缸体用普通灰铸铁来生产，需要额外增加重量以满足耐久性的需求。虽然减重潜力取决于原始气缸体的尺寸和重量，表 2 所示的数据表明，灰铸铁转换设计成蠕墨铸铁时减重 10-15%的数值是合理可行的。表 2:与灰铸铁气缸体相比，蠕墨铸铁铸铁气缸体重量降低数据发动机尺寸(升)发动机类型 灰铸铁缸体重量(kg)蠕墨铸铁缸体重量(kg)减重百分比1.6 直列-4 缸汽油机 35.4 25.0 29.41.8 直列-4 缸柴油机 38.0 29.5 22.42.0 直列-4 缸汽油机 31.8 26.6 16.42.5 V6 (赛车) 56.5 45.0 20.42.7 V6 柴油机 xx.x 厂家保密 (15)3.0 V6 柴油机 xx.x 厂家保密 (25)3.3 V8 柴油机 xx.x 厂家保密 (10)3.8 V8 柴油机 xx.x 厂家保密 (20)4.0 V8 柴油机 xx.x 厂家保密 (15)4.2 V8 柴油机 xx.x 厂家保密 (20)4.6 V8 汽油机 72.7 59.6 18.0- 4 -9.2 直列-6 缸柴油机 158 140 11.412.0 V6 柴油机 240 215 10.412.4 直列-6 缸汽油机 xx.x 厂家保密 (15)14.6 V8 柴油机 408 352 14.2虽然蠕墨铸铁提供了显著减重的机会，开发新型蠕墨铸铁发动机的主要动力在于相对于灰铸铁和铝合金，其疲劳强度增加一倍，从而能增加功率密度。一家发动机制造商的研究表明，一个以蠕墨铸铁为缸体 1.3 升发动机可以具有以灰铸铁为缸体的 1.8 升发动机的功能。为了达到这样的功能提升，P max增加了 30%，缸体的重量反而减轻了 22%。尽管提高了 Pmax，台架疲劳分析表明减重的蠕墨铸铁气缸体比原来的灰铸铁气缸体提供了更大的安全系数裕量，从而指明进一步提高加发动机的功能是可能的。与原来发动机相比，整装蠕墨铸铁发动机长度减少 13%，高度降低 5%，宽度减少 5%，重量减轻 9%。主轴承座厚度减薄从而能使气缸体变得更短，这也意味着所有其它横贯发动机长度的零部件也可以设计得更轻更短。这就使得蠕墨铸铁发动机比铝合金发动机更具重量-竞争力。蠕墨铸铁发动机的另外一个优点是抵抗气缸筒变形的能力。在高温和高燃烧压力的共同作用下，气缸筒会产生弹性膨胀。然而，蠕墨铸铁的高强度和高刚度能更好地抵抗这些作用力并维持缸筒原有的尺寸和形状。减小缸筒变形就可以减少活塞环张力和摩擦损失。改善配合度也减少了冷启动时的活塞撞击从而降低噪音，震动和改善不平顺性（NVH）；减少油耗从而延长加油周期；并且减少漏气从而防止减少转矩损失。表 3 给出了 4 种同样设计的灰铸铁和蠕墨铸铁发动机相对缸筒变形结果。表 3:灰铸铁和蠕墨铸铁发动机相对缸筒变形发动机排量(升)发动机类型 相对灰铸铁，蠕墨铸铁可以改进，%1.8 直列-4 缸汽油机 181.8 直列-4 缸柴油机 202.2 直列-4 缸汽油机 284.6 V8 汽油机 22蠕墨铸铁的高弹性模量也对降低噪音，震动和改善不平顺性做出贡献。虽然蠕墨铸铁的比震动衰减率低于灰铸铁，但是较高的弹性模量使缸体更不易变形，从而可以减少许多加强筋板。增加 40%的弹性模量增加了燃烧点火频率和气缸体共振频率之间的频率间隔。频率间隔增加的净结果就是发动机运行的更安静。在半消声室测定的几种蠕墨铸铁发动机（包括乘用车和商用车发动机）一阶扭转频率模式的增加和噪音降低水平在表 4 中给出。表 4:- 5 -同样设计的蠕墨铸铁发动机和灰铸铁发动机噪声，震动和不平顺性结果发动机排量(声)发动机类型一阶扭矩频率变化声压水平(dBA)1.8 直列-4 缸柴油机 +12% 相同2.0 直列-4 缸气油机 +8% -1.0 to -1.52.0 直列-4 缸气油机 +7% -1.0 to -1.52.2 直列-4 缸气油机 +16% -1.0 to -1.52.4 直列-4 缸柴油机 +9% -1.0 to -1.54.6 V8 汽油机 +12% 未测试5.8 V8 汽油机 +18% 未测试12.0 V6 柴油机 +8% -0.5 to -1.013.8 直列-6 缸柴油机 +8% 未测试蠕墨铸铁与合金灰铸铁相比当发动机负载开始超过普通灰铸铁(国际标准 GJL 250)的强度时，铸造厂和原始设备制造商通过加入合金元素如铬，镍，铜，锡和钼以提高抗拉强度。为了进一步提高强度以满足最低 300 MPa(国际标准 GJL 300)抗拉强度的要求，一些牌号需要将碳含量从 3.2% 降低到 3.0%以使石墨片更小以降低裂纹起始和扩展的倾向。虽然合金化和降低含碳量可以增加机械性能 10-20%，这也牺牲了普通灰铸铁的核心优点：良好的铸造性能，导热率，加工性以及非常重要的，经济的价格。铸造性能: 凝固期间普通灰铸铁中的片状石墨形成造成的膨胀效果抵消了铸铁的自然收缩倾向。然而，合金灰铸铁较低的含碳量减少了这个有益作用的效果。此外，很多合金元素(Cr, Cu, Sn, Mo) 偏析在凝固的最后区域增加了疏松和碳化物形成倾向。净效果就是合金铸铁的铸造性能，包括补缩需求从效果上看和蠕墨铸铁是一样的。导热率: 加入合金元素会降低灰铸铁的导热率。典型的灰铸铁 300(国际标准 GJL 300)合金元素加入量 (0.3% Cr and 0.3% Mo)降低导热率 10-15%。进一步，因为灰铸铁依靠长的片状石墨传导热量，合金灰铸铁较少的含碳量也降低了其导热率。净效果就是合金灰铸铁的导热率只比标准的珠光体蠕墨铸铁高大约 5%。机加工性能: 灰铸铁中加入的合金元素增加了硬度和耐磨性。虽然较之普通灰铸铁，合金灰铸铁的强度只高 10-20% ，其硬度可以高 30-40%。取决于合金含量，合金灰铸铁的硬度往往比蠕墨铸铁高(表 1)。虽然普通灰铸铁和蠕墨铸铁其机加工性的确有着显著区别，然而对于许多加工操作，加工合金灰铸铁和蠕墨铸铁的刀具寿命是一样的。- 6 -成本: 相对于普通灰铸铁(国际标准 GJL 250)，合金灰铸铁的收缩敏感性(补缩需求)和机加工性( 刀具寿命)都对成本有影响。除了这些工艺上的考虑外，还必须考虑合金元素包括铬，镍和钼的成本。噪声，震动和不平顺性（NVH）:确定 NVH 的主要性能是刚度。虽然从灰铸铁 250 (国际标准 GJL 250)到灰铸铁 300(国际标准 GJL 300)强度增加了20%，但弹性模量只增加了 10%。相比之下，蠕墨铸铁的弹性模量较之灰铸铁 250 增加了 40%，通常降低噪声大约 1.0 dB，如表 4 所列。像蠕墨铸铁一样，就铸造性能，导热率，机加工性和成本来说合金灰铸铁也面临许多挑战，但是其机械性能的提高只相当于蠕墨铸铁性能提高的一小部分。如果设计者愿意接受与合金灰铸铁有关的工艺上的缺点，他们应该确定用蠕墨铸铁以实现与发动机功能有关的机械性能，工艺优点的全面提升。蠕墨铸铁与铝合金与铝合金相比，蠕墨铸铁的机械性能提供了以下机会： 整体尺寸小 比性能高 减小缸筒变形和油耗低 无需缸套或表面刻蚀/涂层 降低噪声，震动和改善不平顺性善 生产成本较低 寿命周期能耗和 CO2 排放低 可循环性高由于蠕墨铸铁(7.1 g/cc)和铝(2.7 g/cc)的比重有相当大的差别，蠕墨铸铁缸体相对于同样排量的铝缸体要重。然而，蠕墨铸铁较高的强度和弹性模量可以减小主轴承座的厚度从而可使气缸体长度设计得更短。从而，所有那些横贯气缸体长度的零件 如气缸盖，曲轴，凸轮轴和发动机支座都能设计得更短和更轻。这对 V 型气缸体特尤其如此，因为 V 型气缸体的气缸是两列的。净结果就是对于同样排量的发动机，整装蠕墨铸铁发动机比铝合金发动机更轻。这可以由奥迪生产的 V6 和 V8 发动机证明。奥迪 3 升 V6 蠕墨铸铁发动机较之 3 升 V6 铝合金发动机短 130 mm，轻 15 kg。同样，以蠕墨铸铁为缸体的奥迪 4.2 升 V8 TDI 发动机较之梅赛德斯 4.0 升 V8 CDI 发动机短120mm 轻 4 kg。这个结果显示除了比较缸体的重量之外，比较整装发动机重量更为重要，特别是从寿命周期能耗和节油考虑。可以证明，比较生产铁和铝的能耗对于铝是非常不利的。或许有些令人吃惊，虽然铸铁的熔点大约是 1150 C 铝的熔点是 650 C，但是熔化铸铁需要 600 kWh/吨，而熔化铝需要 1,100 kWh/吨。然而，铁和铝能耗的最大差别出现在原始材料生产过程中，其中生产粗铝(粗铝锭是通过电解法而不是冶炼法来生产的)的能耗大约是生产铸铁和钢能耗的 10 倍。- 7 -对于当前的回收利用率，每吨铸铁（灰铁，蠕铁和球铁）能耗大约 10,500 MJ/吨。对于铝而言大约是 90,000 MJ/吨。对社会而言，二者净能耗差(基于缸体重量差而不是整装发动机重量差，整装发动机的重量差要比 5kg 小)大约是 2,150 MJ/缸体。考虑到汽油所含能量为 34 MJ/升。铸造能耗差 2,150 MJ 相当于 63 升汽油。进一步，假定标准