（材料加工工程专业论文）灰铸铁汽缸套毛坯铸造余热等温淬火的工艺、组织与力学性能的研究.pdf

h j， 一雠一l 嬲煳 论文作者签名： 强婀 i 学位论文使用授权说明 加抄年占月即日 本人完全了解广西大学关于收集、保存、使用学位论文的规定，即： 按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版本： 学校有权保存学位论文的印刷本和电子版，并提供目录检索与阅览服务； 学校可以采用影印、，缩印、数字化或其它复制手段保存论文； 在不以赢利为目的的前提下，学校可以公布论文的部分或全部内容。 请选择发布时间： 团即时发布口解密后发布 ( 保密论文需注明，并在解密后遵守此规定) 敝储戳却聊獬：虿么p 撕 b i q 灰铸铁汽缸套毛坯铸造余热等温淬火的工艺、组织 与力学性能的研究 摘要 本文探讨了普通灰铸铁利用离心铸造余热直接进行等温淬火工艺，考察 了该工艺处理后的组织和性能，以及孕育处理和w 、m o 、c u 微合金化对 该工艺处理后组织和性能的影响。采用光学显微镜，扫描电子显微镜和x 射线仪对不同工艺条件下的汽缸套毛坯试样的组织进行了分析。测试了不 同工艺条件下汽缸套毛坯试样的硬度、冲击韧性以及耐磨性能。研究表明： 普通成分灰铸铁通过离心铸造铸造余热等温淬火工艺有关阶段冷却速 度的控制，可以获得以贝氏体为主的混合基体组织灰铸铁汽缸套毛坯。毛 坯的硬度可由普通铸态下的h v 2 2 8 提高到h v 4 1 3 ，耐磨性和冲击功均提高 2 倍以上。 孕育处理可以使该工艺处理后汽缸套毛坯的基体组织以及石墨尺寸、形 态和分布得到改善，硬度、冲击功和耐磨性均得到明显提高。 孕育处理辅以w 、m o 、c u 微合金化可以进一步改善该工艺处理后的硬 度、冲击功以及耐磨性。 对于普通灰铸铁，推荐实验室离心铸造等温淬火工艺为：浇注温度 1 3 5 0 ，9 5 0 出模，移至8 7 0 保温炉中保温2 5 h 后，3 0 0 盐浴炉等温 淬火1 5 h 。该工艺在减少经济成本、减轻劳动强度及改善工作环境上具有 一定的优越性。 关键词：铸造余热贝氏体等温淬火汽缸套组织性能 i i p r o c e s s ，a sw e l la st h ee f f e c t so fi n o c u l a t i o na n dw jm o ，c um i c r o a l l o y i n go n m i c r o s t r u c t u r ea n dp r o p e r t ya r ei n v e s t i g a t e d w h a t sm o r e ，o p t i c a lm i c r o s c o p y , s c a n n i n ge l e c t r o nm i c r o s c o p ya n dx - r a y i n s t r u m e n ta r eu s e dt o s t u d yt h e c o m p o s i t i o na n dm i c r o s t r u c t u r eo ft h eb l a n ks a m p l e sw h i c ha r eu n d e rd i f f e r e n t p r o d u c t i o np r o c e s s e s i na d d i t i o n ，m e c h a n i c a lp r o p e r t i e s ，a b r a s i o nr e s i s t a n c ea n d i m p a c tt o u g h n e s s o fd i f f e r e n ts a m p l e sa r ea n a l y z e d t h er e s u l t ss h o wt h a t ： c y l i n d e rb l a n k ，am i x e dm i c r o s t r u c t u r ew h i c hw a sm a i n l yb a i n i t ew i t hg r a y c a s ti r o n ，c a nb eo b t a i n e db yc o n t r o l l i n gt h ec o o l i n gr a t ei nt h es t a g eo f c e n t r i f u g a lc a s t i n gh e a ti s o t h e r m a lq u e n c h i n g t h eh a r d n e s so ft h eb l a n kc a nb e i m p r o v e df r o mh v 2 2 8t oh v 4 6 7 ，a n dm e a n w h i l et h ea b r a s i o nr e s i s t a n c ea n d i m p a c tt o u g h n e s sb o t hw e r ei n c r e a s e dm o r e t h a nt w ot i m e s a f t e ri n o c u l a t i o n ，t h ec y l i n d e rb l a n km i c r o s t r u c t u r ea n dg r a p h i t es i z e ， s h a p ea n dd i s t r i b u t i o ng e ts o m ei m p r o v e m e n t s t h eh a r d n e s s ，i m p a c tt o u g h n e s s a n da b r a s i o nr e s i s t a n c ea r ei m p r o v e d t h eh a r d n e s s ，i m p a c tt o u g h n e s sa n da b r a s i o nr e s i s t a n c ea r ef u r t h e r i m p r o v e da f t e rt h ep r o c e s so fi n o c u l a t i o ns u p p l e m e n t e dw i t hw ：m o ，c u n l m i c r o a l l o y i n g f o rc o m m o ng r e yi r o n ，t h er e c o m m e n d e dc e n t r i f u g a lc a s t i n ga u s t e m p e r i n g p r o c e s s i n gu n d e rl a b o r a t o r yc o n d i t i o n si sa sf o l l o w s ：a f t e rt h e13 5 0 。cg a t i n ga n d 9 50 。cm o u l du n l o a d i n g t h ei r o ni sk e p ta t8 7 0 。cf o r2 5 hi nt h eh o l d i n gf u r n a c e ， a n dt h e nw a sa u s t e m p e di nb r i n ea t3 0 0 。cf o r1 5 h t h i sp r o c e s sh a sc e r t a i n a d v a n t a g e so nr e d u c i n ge c o n o m yc o s t ，l a b o ri n t e n s i t ya n di m p r o v i n gw o r k i n g e n v i r o n m e n t k e y w o r d s ：c a s t i n gh e a t ； b a i n i t i c ；a u s t e m p e r i n g ；c y l i n d e r ； m i c r o s t r u c t u r e sa n dm e c h a n i c a lp r o p e r t i e s - 0 1 2 2 汽缸套的研究现状与发展。4 1 2 3 贝氏体铸铁在汽缸套方面的研究5 1 3 本文的研究目的、路线和主要内容7 1 3 1 本文的研究目的和路线7 1 3 2 本文的主要内容8 第二章汽缸套毛坯工艺方案的制定与实施：9 2 1 汽缸套毛坯工艺的制定9 2 1 1 热出模保温温度的理论依据及制定9 2 1 2 等温淬火温度的理论依据及制定1 0 2 2 汽缸套毛坯的制备1 1 2 2 1 材料成分选择1 1 2 2 2 离心铸造铸型转速的选择1 2 2 2 3 离心铸造涂料的制备1 4 2 2 4 铸铁的熔炼及试样的制备：2 15 2 4 本章小结一1 9 第三章汽缸套毛坯的组织结构分析2 0 3 1 实验方法2 0 3 1 1 显微组织观察2 0 3 1 2x 一射线衍射分析2 1 3 2 实验结果2 1 3 2 1 试样显微结构观察2 1 3 2 2x 一射线衍射2 4 4 3 1 实验方法：3 7 4 3 2 实验结果3 9 4 3 3 实验结果分析与讨论4 1 4 4 结j 沧4 2 4 5 本章小结i 4 2 第五章工艺经济成本分析4 3 5 1 工艺经济成本分析理论依据与方法4 3 5 2 汽缸套毛坯工艺经济成本分析4 4 5 2 1 汽缸套毛坯生产工艺4 4 5 2 2 工艺成本分析4 5 5 3 本章小结4 8 第六章结论及展望4 9 6 1 论文结论4 9 6 2 展望4 9 参考文献5 1 致谢5 6 攻读学位期间发表论文情况5 7 广西大学硕士掌位论文灰铸铁汽缸套毛坯铸造余热等温淬火的工艺、组织与力学性能的研究 1 1 引言 第一章绪论 随着社会经济的高速发展，汽车工业在国民经济振兴的地位变得尤为重要。发动机 是汽车的心脏，而汽缸套又是发动机关键零部件。因此，汽缸套性能的优劣性直接影响 着发动机的动力性能和使用寿命。高性能、高质量、低消耗是对汽缸套标准化的要求， 也是适应发动机行业发展的要求。汽车工业作为广西工业发展的重要支柱性产业之一， 对广西经济的发展和腾飞起着相当重要的推动作用，因此研制开发出适用于实际生产 的，组织稳定的，高性能的贝氏体灰铸铁汽缸套对广西汽车工业的发展有着极其重要的 意义和影响。随着生产技术的进步，发动机正向大功率、高性能、高精度的方向发展， 相应对发动机零部件的性能要求也越来越高，从服役时间到缸体精度，都提出了更严格 的标准现在普遍运用的生产工艺如碳氮共渗、等离子淬火处理、激光淬火等表面处理 方法及等温淬火热处理工艺、孕育处理的运用和合金元素的添加都可以提高汽缸套的性 能和寿命。目前，国内外各生产厂家都在致力于研究如何在成本增加不大的情况下，生 产高性能的铸铁汽缸套【1 4 】。贝氏体铸铁是当前先进的汽缸套材料，具有更高的强度和 硬度、更良好的韧性及耐磨性，延长了汽缸套的使用寿命2 - - - 3 倍，进而满足了发动机企 业日益提高的大修期要求【9 】。因此，采用铸态下直接得到贝氏体铸铁的技术来制造内燃 机汽缸套，不仅能够显著提高汽缸套的机械性能和使用寿命，而且也使相对成本大大降 低，这对提高产品在市场中的竞争力具有重要的作用【5 j 。本论文旨在通过在离心铸造中 对灰铸铁浇注后冷却速度的控制，利用铸造余热进行等温淬火、辅以孕育处理和添加微 量合金元素等处理工艺，来探讨在铸造后直接获得以贝氏体为主的混合基体组织的灰铸 铁汽缸套毛坯的工艺生产方法。希望得到成本提高不大，甚至有所降低，且适用于工业 化生产的贝氏体汽缸套制备工艺。 1 2 汽缸套的基本概况 1 2 1 汽缸套的工作概况及性能要求 汽缸套作为汽车内燃机的关键零部件之一，它与活塞环、气缸盖、活塞构成了内燃 广西大学硕士掌位论文灰铸铁汽缸套毛坯铸造余热等温淬火的工艺， 机的燃烧室【6 7 】。如图1 - 1 所示： 图1 1 内燃机图 f i g1 - 1i n t e r n a lc o m b u s t i o ne n g i n e 在汽车行驶过程中，汽缸套与活塞环在做高速相互运动，零件内部产生极大的热应 力以及机械应力，其工作条件有着独有的特殊性，特点如下： ( 1 )温度高：活塞环和汽缸套与火焰频繁接触，工作环境温度比较高。一般情况 下，汽缸套上部的温度可达到2 0 0 度左右，在高温中，零件表面的机械性能和硬度有所 下降，机油会变稀或者燃烧掉，从而导致磨损加剧。 ( 2 )高压：活塞环在自身弹力以及背压的作用下紧压在汽缸套缸壁上，并且具有 冲击性，因而很难建立和保持稳定的润滑膜，导致机械磨损加剧，从而极其容易造成缸 套损坏。 ( 3 ) 高速以及上下死点速度为零：活塞在汽缸套里面的速度可以达到十几米每 秒，但是尤为注意的是，活塞在上下死点时，速度为零，并且瞬时改变运动方向。活塞 环由一侧迅速靠向另一侧，造成润滑油膜的破裂，从而导致汽缸套基体磨损破坏。 ( 4 ) 存在腐蚀介质和机械杂质：汽缸套内可燃混合气体燃烧引起生成的矿物酸 和有机酸对汽缸套表面产生腐蚀作用，造成汽缸套变形。在汽缸工作时，空气中的灰尘 和润滑油中的杂质会进入汽缸套内部，随活塞在汽缸中高速往复运动，使汽缸套内表面 发生破坏。 由上可知，汽缸套的工作条件是极其恶劣和复杂多变的。正是因为汽缸套这种极端 广西大学硕士学位论文灰铸铁汽缸套毛坯铸造余热等温 事火的工。 ；、组织与力学性胄皂的研究 苛刻的工作环境，使得对其性能的标准提出了更高的要求。汽缸套不但应该具有高的强 度和硬度，还需要良好的冲击韧性和耐磨性能，这样才能够满足汽车内燃机行业的发展 需求。 国外一般采用抗拉强度大于2 5 0m p a 的灰铸铁和合金铸铁制造，也有采用q t 5 0 0 7 球墨铸铁进行制造，并采用高频感应表面淬火，整体淬火以及等温淬火等工艺，以及经 调质、渗氮或硬质镀铬等特殊处理，以减少磨损。 而我国汽缸套标准g b l l 5 0 8 2 要求汽缸套材料的强度应不低于h t 2 0 0 牌号，对各 类汽缸套的硬度要求见表1 1 【8 】： 表1 - 1 汽缸套硬度要求 t a b l e1 一lt h eh a r d n e s so f t h ec y l i n d e rb l a n k 目前，国内应用的部分汽缸套成分和力学性能见表1 2 ： 表1 - 2 汽缸套铸铁部分成分、性能及应用 ! 垫! ! ! ：! 垒! 竺2 巴2 2 1 i ! i 竺翌：巳! 堕_ o 翌! 垒里里曼苎型垒p ! i 竺型1 2 竺2 1 呈兰! ! 1 2 翌 类别 磷铬铸铁磷铸铁铬铝铜铸铁硼铸铁 硼钒钛铸铁 广西大学硕士学位论文灰铸铁汽缸套毛坯铸造余热等温淬火的工艺、组织与力学性冀毛的研究 因此，为了提高汽缸套的耐磨性，国内多采用硼铸铁，高磷铸铁等合金铸铁来改善 汽缸套的硬度和磨损性能。其中，j b 2 3 3 0 7 8 对内燃机高磷铸铁汽缸套金相组织的要求 是：石墨应为片状、菊花状，允许有过冷石墨，基体应为细片状或者中等片状珠光体， 允许有少量游离铁素体( 5 ) 和小块游离渗碳体( 3 ) 存在；磷共晶为均匀断续 网状或者分散分布。 1 2 2 汽缸套的研究现状与发展 由于汽缸套工作条件的苛刻性，为了避免汽缸套变形破坏以及过早疲劳损坏，汽缸 套必须具有良好的耐磨性、抗疲劳强度以及抗咬和性能。灰铸铁因其本身所具有的减磨、 自润滑、减震、容易加工、价格低等因素而普遍被用于汽缸套生产。随着技术进步，汽 缸套材料多是耐磨铸铁，如硼铸铁：高磷铸铁等新型材料。另外，下贝氏体铸铁以它特 有的优越机械性能受到越来越多的材料研究者的关注，众多研究者认为下贝氏体铸铁将 成为未来最有发展前景的汽缸套材料。根据缸套的应用需要，还需添加镍，铬，铜，钼 等元素，以提高汽缸套的使用性能1 2 】。随着对汽缸套性能要求的不断提高，其新材料和 新工艺不断涌现。 最近，日本某建筑机械制造企业用高精度尺寸电焊钢管取代了最初使用的无缝钢 管，应用于所生产的推土机和铲土机等缸体中。日本现在开发出的汽缸用的高精度尺寸 钢管，在生产时采用二段式顶头的拔管扩管法，其结果可以确保稳定残余应力，内压疲 劳极限提高了1 7 。 日本本田公司采用压力铸造法在铝合金缸体的内表面形成纤维体积含量为1 3 左 右的2i l l m 厚的纤维混合物为增强层，因为铝合金良好的导热性，缸体的冷却效率得以 提高，同时，缸体的滑动摩擦性能大幅度得到提升，汽车的回转响应以及操作性等性能 得到了大为改善，油耗降低，功率提高。此工艺自1 9 8 9 年投入生产以后，取得很好的经 济效益。 另外，有研究者提出利用消失模铸造汽缸套毛坯工艺方法。通过该工艺生产的汽缸 套毛坯经过测试，金相组织和机械性能均达到了汽缸套的标准要求。采用消失模铸造生 产壁厚小于2 0i l n l 的汽缸套毛坯，材料利用率提高2 0 ，机械加工余量减少5 0 ，节约 工时1 0 2 0 ，汽缸套的综合生产成本降低1 0 以上，经济效益明显。 由于缸套零件比较简单，其毛坯形状是一个圆筒状，离心铸造以其组织致密、工效 高的特点，特别适合作为规则回转体的汽缸套毛坯浇注，因此，利用离心铸造工艺生产 4 广西大学硕士掌位论文灰铸铁汽缸套毛坯铸造余热等温淬火的工t ；、组织与力学性胄邑的研究 汽缸套已被世界上大约有9 0 的汽缸套制造商所采用。目前，我国约有8 0 0 0 万只缸套是 通过离心铸造工艺来生产的【1 3 】。汽车、拖拉机的汽缸套生产量最大，一般毛坯内径在8 0 - - , 1 9 0r n r n ，属于小型缸套。对于小型缸套一般采用单体的金属型卧式离心铸造机进行铸 造，部分企业则应用多工位离心机。而船舶和机车的汽缸套，则尺寸较大，有些内径可 超过3 5 0m m 。对于此类型的汽缸套则多采用砂型和滚胎型离心铸造机【1 4 】。近来德国提 出了使用离心机铸出较长的圆筒件，然后切割成缸套的工艺方法。 在汽缸套的表面处理工艺方面，由于汽缸套在与活塞环进行相互运动的过程中，汽 缸内部的摩擦压力是非常大的，因此，对汽缸套进行表面处理，提高其表面硬度和耐磨 性能是相当必要的。传统的表面处理方法主要是进行渗碳表面处理、渗氮处理以及碳氮 共渗处理等几种处理工艺。后来随着汽缸套表面处理技术的不断发展，电镀技术、激光 表面处理、等离子处理等先进的表面处理工艺也逐渐得以推广。这几种表面处理工艺在 研究以及使用过程中各有各自的特点。汽缸套表面经过碳氮共渗后，其耐磨性能是未经 过处理的汽缸套的2 倍，表面硬度也得到了很大的提升。不过离子碳氮共渗的硬化层低 于气体碳氮共渗，因此，采用气体碳氮共渗进行汽缸套表面处理比离子碳氮共渗更为理 想【9 】。而激光表面处理就是一种经济、有效的技术，它利用激光扫描缸套，使其表层金 属迅速加热到某一较高的温度，然后再使其迅速冷却，能够大幅度提高气缸套的耐磨性 能和使用寿命。有文献表明经过激光处理的汽缸套比未处理的汽缸套硬度提高3 倍左右， 耐磨性能提高3 倍以上，可使得内燃机的工作寿命提高2 倍以上i l 引。当前，采用等离子束 在缸套内壁喷涂一层耐磨损、耐高温的陶瓷层，即陶瓷汽缸套是目前最先进的汽缸套， 但如果将其进行广泛地运用，还存在着很多技术上的问题没有解决。 1 2 3 贝氏体铸铁在汽缸套方面的研究 贝氏体铸铁具有优越的综合机械性能，延长了汽缸套的使用寿命，非常适用于作为 汽缸套的基体材料，所以受到了国内外众多汽车企业越来越广泛的关注。一般说来，由 于硬度对材料的耐磨性有很大影响，铁素体的硬度比珠光体低，珠光体的硬度比贝氏体 低，因此耐磨性是按铁素体珠光体贝氏体的顺序提高的。贝氏体尤其是其所 具有的优异强韧性，一直受到人们的重视。贝氏体铸铁主要以贝氏体组织为基体，再 加上残余奥氏体和石墨( 或碳化物) ，另外由于获得贝氏体组织工艺的不同，有些组织 中还存在着少量马氏体组织。目前，为了获得贝氏体基体组织的灰铸铁材料普遍采用以 下三种方法：通过添加合金元素，利用合金元素的作用阻碍奥氏体向珠光体的转变，在 5 广西大学硕士学位论文灰铸铁汽缸套毛坯铸造余热等温淬火的工艺、组织与力学性能的研究 铸态下直接获得以贝氏体组织为主的铸铁；利用传统贝氏体等温淬火工艺获得贝氏体铸 铁：通过微量合金化和热处理工艺获得贝氏体铸铁。 西安交通大学的毛永卫等人提出通过m o 、n i 合金化可以得到铸态贝氏体组织汽缸 套，其m o 、n i 含量为1 o 1 5 c u 可以部分代替m o 、全部或者部分代替n i ，当 m o 含量为1 0 1 5 ，c u 含量为1 3 1 9 时也能够得到铸态贝氏体汽缸套，其 综合机械性能能够达到康明斯汽缸套技术要求6 】。 吉林工业大学贾树盛等人通过在普通灰铸铁中加入钨、钼两种合金元素，铸态下可 获得贝氏体基体。该铸铁的抗拉强度可达到4 5 0 - - 6 1 3m p a ，h b 达到2 8 0 - - - 3 6 0 ，所得铸 铁的组织为：针条状贝氏体+ 类蠕虫状石墨+ 残余奥氏体和马氏体混合物。实验结果表明 钨和钼的加入量对铸铁的组织及力学性能有明显的影响。较低的w 、m o 加入量不能完 全抑制珠光体形成，过高的w 、m o 加入，特别是m o 量过多，会导致碳化物增多，这 对综合力学性能不利【1 羽。 有研究表明在9 0 0 奥氏体化保温2 小时，3 2 5 。c 进行等温淬火1 5 小时，灰铸铁、 蠕墨铸铁和球墨铸铁的基础组织为贝氏体为主，还存在2 5 左右的残余奥氏体，经过等 温淬火处理后，三种铸铁的硬度和抗拉强度提高5 0 ，冲击韧性是未经过等温淬火处理 的2 倍【1 9 】。 有文献提出普通灰铸铁经过8 6 0 奥氏体化保温2 小时，然后经过3 0 0 等温淬火 1 5 小时，可以获得以贝氏体为基体的组织，硬度和冲击韧性分别提高1 倍和2 倍，抗 拉强度由2 4 5m p a 提高到3 28 m p a ，显著提高其力学性能，能够应用于贝氏体铸铁汽缸 套的生产【2 0 2 。 有研究者提出通过添加合金元素，在8 5 0 9 5 0 。c 奥氏体化温度范围和2 6 0 , - - - , 4 2 0 。c 等 温温度范围的条件下，对球墨铸铁进行等温淬火处理。实验结果表明，在此条件下能够 获得奥氏体和贝氏体的复合基体，其力学综合性能有了一个很大的提高，尤其是在其耐 磨性这方面【2 2 1 。 综上所述，通过各种处理工艺都能够获得贝氏体基体的铸铁汽缸套，都可以较大程 度地提高气缸套的综合机械性能和工作寿命，提高汽车的整体性能指标，但是在不同程 度上都提高了生产成本。因此，生产出高性能的铸铁汽缸套并能减少成本，已经开始成 为各大汽车厂商越来越关注的重要课题。 6 广。西大学硕士学位论文 灰铸铁汽缸套毛坯铸造余热等温 攀火的工艺组织与力学性冀岂的研究 1 3 本文的研究目的、路线和主要内容 1 3 1 本文的研究目的和路线 本文的研究目的是探讨在离心铸造条件下，利用铸造余热直接进行等温淬火以得到 贝氏体铸铁汽缸套的实验室生产工艺。 研究路线如下： 1 、探讨普通灰铸铁在三个不同热出模温度保温温度下，利用铸造余热进行等温淬 火的汽缸套毛坯生产工艺，并分别对毛坯的组织与性能进行了观察和测试。 2 、通过对毛坯的组织与性能的检测，选择毛坯性能最优的一个热出模保温温度的 生产工艺，在此生产工艺基础上进行孕育处理，观察其组织与性能的变化。 3 、在毛坯性能最好的热出模保温温度的生产工艺的基础上，辅以微合金化和孕育 处理，并对所得毛坯的组织与性能进行观察与测试。 图卜2 研究路线 f i g 卜2r e s e a r c hl i n e 8 广西大学硕士掌位论文灰铸铁汽缸套毛坯铸造余热等温淬火的工艺、组织与力学性冀邑的研究 第二章汽缸套毛坯工艺方案的制定与实施 本章主要研究普通灰铸铁汽缸套毛坯的生产工艺方法，并采用不同的生产工艺方法 进行了汽缸套毛坯的制备。 2 1 汽缸套毛坯工艺的制定 2 1 1 热出模保温温度的理论依据及制定 石墨化过程就是铸铁中析出碳原子形成石墨的过程。铸铁在结晶和冷却过程中，随 着温度的降低，各温度阶段都会有石墨析出。石墨既可以从液态中产生，也可以从奥氏 体中析出，还可从渗碳体分解得到。在凝固完成时，第一阶段石墨化过程也基本完成， 并随着温度的降低，开始进行第二阶段石墨化过程。另外，渗碳体也在此温度区间分解 出一定量的石墨，形成二次石墨，二次石墨化程度对最终基体组织的形成有着直接的影 响。另外，合适的奥氏体保温温度和保温时间不仅能使组织中右墨化过程相对充分进行， 而且使得组织中奥氏体的碳含量接近于共析成分，从而为贝氏体的产生提供了有利条 件，所以选择适当的热出模保温温度和保温时间是获得所需组织的关键。 影响奥氏体形态及其均匀化程度的因素主要有以下两点： ( 1 ) 奥氏体化温度 由于温度的升高，碳原子的扩散系数也逐渐变大，因而加快了奥氏体均匀化的进程。 扩散方程为： d = d 0e x p ( - q ，尺d ( 2 1 ) 。 方程中，d 一温度为t 时的扩散系数； r 一常数( 值为8 3 lj m o l k ) ； 卜绝对温度； d 厂碳原子扩散系数； 9 一扩散激活能量( j m 0 1 ) ( 2 ) 保温时间 奥氏体化保温时间不足，则碳原子就没有充分的时间进行扩散。奥氏体化温度越高， 9 广西大学硕士学位论文灰铸铁汽缸套毛坯铸造余热等温淬火的工艺i 、组织与力学性冀乏的研究 扩散速度越快，奥氏体化所需要的保温时间就越短，如果温度较低，则需要较长的保温 时间。 由此，奥氏体化温度以及保温时间是奥氏体均匀化的两个关键原因。但是，有关奥 氏体化温度以及奥氏体化保温时间的选择问题，众多研究者的观点却有所不同，有研究 者指出，为了获得尽可能多的残余奥氏体，应该选择相对较高的奥氏体化温度；有的文 献认为奥氏体化保温温度越高，则奥氏体中含碳量越高，从而使得形成下贝氏体的下限 温度越低，这样有利于形成性能较为优越的组织；有的文献则认为奥氏体化温度应选择 刚超过临界温度最好；另外还有一些研究者指出，在不使基体中的奥氏体晶粒长大的前 提下，可以适当提高奥氏体化温度或者延长保温时间，从而获得相对比较均匀的组织 2 4 ，2 5 ，2 7 1 o 考虑石墨化过程和奥氏体对组织性能的影响，本实验选取的热出模温度范围为 8 3 0 - - - , 9 3 0 。c ，保温时间为2 5 小时。在这个温度区间内选取3 个不同的热出模保温温 度，即8 3 0 ，8 7 0 ，9 3 0 。 2 1 2 等温淬火温度的理论依据及制定 贝氏体相变温度处于中温区，故称为中温转变，如图2 一l 所示f 3 们。不同等温淬火温 度和时间对所获铸件组织以及综合机械性能的影响很大，是极为重要的处理工艺参数， 对铸件贝氏体的生成以及石墨化都有着极大的影响。 对同 图2 - 1 贝氏体典型等温转变曲线( t t t 曲线) f i g 2 1t y p i c a li s o t h e r m a lb a i n i t i ct r a n s f o r m a t i o nd i a g r a m ( ”丌c u r v e ) 当等温淬火温度升高，动力学曲线向左推移，转变速度加快，碳的扩散速度也增快， l o 广西大学硕士学位论文灰铸铁汽缸套毛坯铸造余热等温淬火的工艺、组织与力掌性能的研究 奥氏体易于富碳而趋于稳定，残留奥氏体量增多，因而延伸率提高，同时拉伸强度和硬 度下降。d ，a ，h a r r i s 等人就不同条件下贝氏体形核生长的微观现象做了探讨性的研究， 经研究表明3 3 0 c 5 0 0 c 为上贝氏体区，3 3 0 。c 以下至m s 点为下贝氏体区。当等温淬 火温度相对较低，处于形成下贝氏体温度范围时，贝氏体型铁素体本身固溶部分碳，向 奥氏体排碳相对较少，并且由于温度较低导致碳在奥氏体内扩散比较缓慢，较难形成均 匀的高碳奥氏体，冷却至室温后，则得到下贝氏体、少量马氏体和残留奥氏体组织。当 等温淬火温度处于上贝氏体形成的温度范围内，温度增高，则碳的扩散速度越快，因而 形成高碳奥氏体时间越短，同时温度越高，高碳奥氏体分解成碳化物和铁素体的转变增 快，故获得的奥氏体贝氏体组织对时间的敏感性强，容易得到奥氏体分解的组织，即 铁素体和碳化物。关于等温时间，研究表明等温淬火时间短，会产生部分马氏体组织， 而等温淬火时间过长，则会有碳化物析出的典型上贝氏体形成，所以选择一个适当的处 理时间对铸铁的性能和组织的也是有着很大影响的1 2 昏 j 。 我们在前期阶段关于等温淬火温度和时间的工艺研究中进行了一系列实验，在同样 奥氏体化条件下，分别进行不同温度和时间的等温淬火工艺的生产试验，实验表明在普 通灰铸铁在3 0 0 进行等温淬火1 5 小时，性能最好。 考虑等温淬火温度和时间对基体组织与性能的影响，本实验选取的等温淬火温度为 3 0 0 ，保温时间为1 5 小时，淬火介质为5 0 k n 0 3 + 5 0 n a n 0 3 。 2 2 汽缸套毛坯的制备 2 2 1 材料成分选择 i 、基本元素 本实验采用的普通灰铸铁成分，将生铁、普通碳素钢、硅铁、按照比例进行配比， 熔炼后所得化学成分见表2 一l ： 表2 - i 原材料化学成分( 训) t a b e l2 1t h ec h e m i s t r yc o m p o s i t i o no fr a wm a t e r i a ls 化学元素 cs im nps 化学成份( ) 3 0 3 31 6 2 0 0 8 1 0 o 1 5 0 1 2 、合金元素 在铸铁中添加合金元素是生产高性能铸铁的重要手段，通过添加合金元素，能够提 高基体的淬透性，为下贝氏体的形成创造有利条件，有利于贝氏体的生成；抑制奥氏体 广西大学硕士学位论文灰铸铁汽缸套毛坯铸造余热等温淬火的工 ：组织与力学性冀邑的研究 晶粒的长大，细化晶粒；提高硬度，生成碳化物，有助于提高基体的耐磨性能。本文主 要考察了铜、钼、钨三种合金元素对汽缸套毛坯基体组织和性能的影响。 ( 1 ) 铜 铜在灰铸铁中呈现负偏析，能够抵消部分由于钼等正偏析元素所引起的显微组织不 均匀性。铜主要目的是促进组织细化，使c 曲线右移，提高灰铸铁汽缸套毛坯的淬透性， 有利于下贝氏体组织的生成。本试验中铜的范围为0 4 0 6 1 3 5 】。 ( 2 ) 钼 钼是形成碳化物较强的元素，在奥氏体中产生正偏析，同时，钼具有能够大幅度提 高淬透性的功能，分离上，下贝氏体相变区，为获得下贝氏体组织创造有利条件。试验 中采用的钼含量范围为0 5 o 6 ( 3 ) 钨 钨属于强碳化物形成元素，其碳化物硬度较高，而且稳定性较好，能够溶于奥氏体 中，抑制珠光体转变，推迟贝氏体转变，并且w 促进白口的作用平缓，提高铸件的红 硬性及耐磨性。试验中采用的钨含量为0 5 2 2 2 离心铸造铸型转速的选择 离心铸造属于特种铸造。其特点是依靠铸型旋转产生离心力，使浇入铸型的金属液 克服自身的重力充满于铸型，最终在离心力作用下凝固而获得铸件。我国习惯上将离心 铸造按照旋转轴位置分类，分为立式离心铸造和卧式离心铸造。如图2 2 所示： 图2 - 2 离心铸造示意图 f i g 2 - 2c e n t r i f u g a lc a s t i n g 1 2 在地心引力中，单位体积( y ) 物质所受的重力( r a g ) 被称为重度，用r 表示；同 样，在离心力场中，作用于旋转状态单位体积物质上的离心力，7 = m w e r v o 为了与地 心引力相区别，我们将) ，7 称为“有效重度”。 显然，离心铸造时，离心力的大小取决于铸型转速的大小。离心铸造为了克服金属 液重力，铸型必须具有一定的转速：转速过高，则产生很大的凝固压力，增加能耗，金 属液更易偏析，使铸件产生纵向纵向裂纹，使用砂型时容易产生粘砂，胀砂等缺陷；转 速过低，则会导致离心力不足，卧式离心铸造时会引起雨淋现象，铸件还容易产生夹渣， 内表面凹凸不平，疏松等缺陷。因此，在选择转速时，原则是在保证其铸件质量的前提 情况下，选取最低的铸型转速【3 6 】。 在通常情况下可采用各种经验公式来选择铸型的转速。因为生产条件不一样，各种 经验数据都有其局限性，所以在实际生产中只可进行参考，并根据生产出的铸件的实际 情况进行调整。本试验以生产内径为1 1 0 r a m 的汽缸套毛坯样品为例，选择转速。 前苏联康斯坦丁洛夫j i c 认为为了获得组织致密的铸件，可以根据金属液自由表 面上的有效重度) ，7 来确定铸型的转速。这是因为铸件内表面上的r7 值最小，如果已 能够满足其质量的要求，则在其它部位的质量相应肯定能够得到保i i e 3 7 】。 其经过试验后提出：无论液体金属的种类如何，只要在液体金属自由表面上的有效 重度值) ，7 = 3 4 x 1 0 6 n m 3 ，就能够保证获得组织致密的铸件。据此可推导出铸型转速的 计算公式 俨节5 4 5 7 0( 2 3 ) 皿 式中，刀一铸型转速( r r a i n 。1 ) ；7 一合金重度( n m 。3 ) ； 2 2 3 离心铸造涂料的制备 离心铸造用铸型一般都需要使用涂料，涂料所占的比例虽然很小，但是其对铸件的 表面和内在质量却有着非常大的影响。由于铸件材质，铸造方法，铸件大小的不同，对 涂料的要求也不尽相同。离心铸造金属型使用涂料的目的主要为： ( 1 ) 防止铸件金属的激冷。涂料可以阻止铸件表面因为激冷所产生的白口，免去 了热处理工序，便于机械加工； ( 2 ) 使铸件脱模容易； ( 3 ) 增加其与金属液的摩擦力，减短浇入金属达到铸型旋转速度所需要的时间； ( 4 ) 降低铸件表面的粗糙度，可获得表面光洁的铸件。 涂料的组成一般由耐火材料、载液、粘结剂、悬浮剂和助剂配制而成1 3 8 4 0 1 。 根据有关资料查询和多次试验、改进，选择如表2 - 2 所示成分的涂料，该成分涂料 性能稳定均匀，使用后铸件表面情况良好。 表2 - 2 涂料成分表 t a b l e2 - 2 t h ec o m p o siti o no fd o p e 涂料配制流程如图2 3 ： 1 4 r i 匹 采用刷涂法进行施涂，刷涂时涂层厚度一般为2m m - - 一2 5i i l m ，若一次无法保证要求的 厚度，可涂刷2 次或3 次。 2 2 4 铸铁的熔炼及试样的制备 进行了六种生产工艺进行普通灰铸铁汽缸套毛坯的制备，总体方案如表2 3 ： 表2 - 3 试样编号与处理工艺 t a b l e2 - 4t h en u m b l ea n dtr e a t m e n tp r o c e s so fs a m p l e s ( i ) 熔炼 普通灰铸铁原铁水质量对铸铁件性能和铸造缺陷的形成都有着非常重要的影响。因 此获得优质的铁水质量是至关重要的。优质铁水应符合以下几点要求： 1 基本化学元素( 包括合金元素) 符合即定要求。有害杂质元素含量不超过所允许 广西大学硕士学位论文灰铸铁汽缸套毛坯铸造余热等温淬火的工艺组织与力学性冀已的研究 的极限含量； 2 有适当的出炉温度，能够确保实验所需要的炉前处理温度和浇注温度。 将材料成分配制好的原料放入z g - 珈0 l 型感应电炉中进行熔炼，炉前用红外线温 度测试仪测量铁水温度。为保证铁液充分脱氧，应在1 5 0 0 。0 以上保温一段时间。具体操 作应遵循“高温出炉，低温浇注”的原则，控制铁水出炉温度在1 4 5 0 1 5 0 0 ，浇注 温度为1 3 5 0 为了促进金属基体的贝氏体形成程度，改善铸件基体组织性能，细化组织，提高基 体的机械性能，本实验对采用钨，钼，铜进行微合金处理。 为了消除铸件的白口倾向，避免出现过冷组织，并改善石墨形态，获得细小而且均 匀的a 型石墨，增加共晶团数量，本试验采用硅铁7 5 进行孕育处理，孕育剂块度要均 匀，大小为3m m - - 一5r l l l n 。 ( i i ) 浇注 在自制的离心铸造机铸型内涂覆配制好的涂料，保证其自然凝固干燥，涂料表面光 滑j 结实紧凑无裂痕。通过煤气喷枪对钢铸型进行预热至3 0 0 以上，保证铸型整体温 度均匀，且所涂覆涂料干燥。当原材料在感应电炉中完全溶化，并精炼五分钟左右后， 立即进行浇注。浇注时间约为1 0s ，在浇注过程中将自制离心铸造机速度控制在3 0 0 r m i n ，当浇注结束后，通过变频器迅速将速度调至要求转速，并利用煤气喷枪对钢铸型 持续加热保温，控制冷却温度。 ( i i i ) 奥氏体化保温 通过红外测温仪对灰铸铁件凝固和冷却过程进行温度跟踪测量。在9 5 0 停机，进 行热出模，并快速取出铸件利用铸造余热，放入一定温度的箱式电阻炉中进行奥氏体化 保温一定时间。 ( i v ) 等温淬火 奥氏体化一定时间后，迅速将铸件放入温度恒定的自制低温盐浴炉中进行等温淬 火，盐浴液成分为5 0 k n 0 3 + 5 0 n a n 0 3 ，保温一定时间后后出炉空冷。 自制简易型离心铸造机如图2 4 所示，图2 5 为试验用电阻炉保温。 1 6 图2 - 4 悬臂离心铸造机 f i g 2 - 4t h ec a n t i l e v e rc e n t r i f u g a lc a s t i n gm a c h i n e 图2 - 5 电阻炉 f i g 2 5t h er e s i s t a n c ef u r n a c e 本试验汽缸套生产工艺简图2 - 6 如下： 1 7 图2 - 6 汽缸套生产工艺过程 f i g 2 - 6c y l i n d e rp r o d u c t i o np r o c e s s 分别对六种不同的生产工艺进行了汽缸套的制备生产，通过离心铸造，所得铸件毛 坯形状规则，内外表面光滑，无缩松、缩孔。经过测量，重量为3k g ，外径1 2 4m l i ， 内径1 1 0m i n ，总长1 1 5m f l l ，如图2 7 ： 嚣，墨 “ ! 。i 凌i 童7 兹。厶。i ：。么之z 貌矗蕊蠢i 。藏潞：黼妇。：。森。：毒：；。蠢，& 城勰i 毙，童，么渤 图2 - 7 汽缸套试样 f i g 2 7t h es a m p l eo fc y l i n d e rl i n e r 广西大学硕士掌位论文 2 4 本章小结 本章主要介绍了灰 定，对灰铸铁汽缸套毛 工艺进行了详细的研究 真实性。主要的制备过程如下： ( 1 ) 显微观察试样的取样 将经过冲击试验后的冲击试样未发生塑性变形部分，截取为金相试样，进行显微组 织观察。 ( 2 )显微观察试样的研磨与抛光 取样后，由于获得的表面十分粗糙，变形层较深，必须经过磨平。通过用砂轮的侧 面进行试样磨光，能够获得平整的磨面。磨光时需要注意受力平衡，对试样所用的压力 不宜过大，而且需要经常将试样放入冷水进行冷却，避免过热。随后进行粗磨和细磨， 将水砂纸放在水平的玻璃板上，右手持试样，左手压着砂纸，施加合适的压力在砂纸上 作单向移动。通过逐道磨制，使磨削变形层不断减小，使试样在抛光时能够快速消除变 形层，腐蚀后可显示出试样的真实组织。 试样的抛光采用机械抛光，机械抛光时，转速不宜过快，试样上施加的压力要轻而 均匀，在抛光盘上不断浸入抛光液，以防止磨面过热。抛光液为在水中加入粒度为0 3 - - 1 0 微米的a 1 2 0 3 悬浮液，配制比为5 1 0 克升。每种试样抛光时间不宜过长，以磨 痕全部消除试样表面呈现镜面即可，正常情况，大约抛光l - - 5 分钟即可完成。 ( 3 ) 显微观察试样的浸蚀 对于铸铁材料一般都采用4 的硝酸酒精溶液作为腐蚀剂。我们采用浸入法进行腐 2 0 广西大学硕士学位论文灰铸铁汽缸套毛坯铸造余热等温；李火的工艺、组织与力学性胄皂的研究 蚀，将试样用夹子夹住，浸入到盛有4 的硝酸酒精溶液的容器中，在腐蚀过程中，应 摇动试样，使磨面受蚀程度均匀。大约1 0 s 2 0 s ，然后用水冲洗，再用无水酒精清洗， 最后用吹风机吹干，然后进行观察。 采用了由o l y m p u s 公司生产的c k 4 0 n 金相显微镜，对制备好的显微观察试样进 行显微组织观察。 采用了日本生产的j s m 5 6 1 0 l v 扫描电子显微镜对各工艺制备气缸套的试样基体 显微组织以及冲击断口形貌进行观察分析。 3 1 2x _ 射线衍射分析 采用日本( r i g a k u ) 公司生产的d m a x 一2 5 0 0 v 型) ( _ 射线衍射仪，对不同工艺制备