新型高强合金孕育剂对灰铸铁强化机制的研究- .pdf

I ton li 眦qui d I 铁 液 处 理 新型高强合金孕育剂对 灰铸铁强化机制的研究 李孝艳 乔进国 彭业密 孙帆 摘要 研 究了新型 高强合金孕育剂对WP 1 2 气缸体 力学性能及金相组织的影响 同时对比分析不同合金化工 艺的WP l 2 气缸 体的力学性 能 试验结果表明 高强合金孕育剂加入量达到0 5 时效果最佳 石墨形态均匀 珠 光体 片间距细小 WP 1 2 气缸体 本体抗拉强度最高 较 C u C r N i S n 合金化工艺稳定提 高3 0 MP a 灰铸铁与其他合 金铸 铁相 比 具有熔点低 充型性好 成形过 程 简单以及成本低廉 同时具有 耐热 耐磨及 良好的减振性 被 广泛 用于发动机上 随着汽车工 业 的不断发展 发动机对功率的 要 求不断提高 发动机 的爆发压 力越来越高 因此对发动机上重 要铸件气缸体提 出更高的使用性 能和工艺性能要求 要求在高碳 当量条件下 具有高强度和 良好 的可加工性 随着我公司欧 V 发动机 的不断推 出 对灰铸铁 件性能提 出更高 的要求 提高灰 铸铁 的强度成为我们追求的主要 目标 而提高灰铸铁强度是通过 控制石墨形态及基体组织的方法 达到 的 因此我们希望通过提高 孕育效果并结 合合金化处理达到 预期要求 本文研究了新型高强 合金孕育 剂对灰铸 铁W P 1 2 气缸 体 力学性能及金相组 织的影响 1 背景 我公司生产的WP 1 2 气缸体 技 术要 求 A型石 墨 片 长 4 6 1 8 参蔼 工 级 珠 光体 含 量 9 8 铸 件 本 体抗拉 强度 2 2 0 MP a 由于 WP 1 2 气缸体结构 复杂 且 取样 位 置壁厚4 9 mm左右 属 于高强 度薄壁复杂铸件 连续生产 中铸 件 本体性能不稳定 当铁液碳 当 量 达 到3 9 以 上时 采 用现 有 Cu Cr Ni S n 合金化工艺的WP1 2 气缸体本体金相组织石墨片长仅 能 达到3 级 抗拉强 度仅能 达到 2 0 0 MP a 无法满 足技术要 求 图1 为WP 1 2 气缸体 2 试验方法及过程 采用 冲天 炉和工频感应 电炉 双 联 熔 炼 冲天 炉 用 于熔 化 铁 液 感应 电炉用于保温和调 质 冲天炉 出铁温度 1 5 0 0 1 5 3 0 电炉 保温温 度 1 4 3 0 1 4 6 0 炉前处理试验用新型高强合金孕 育剂加C u C r S n 合金化工艺 试 验过程 中采用同一炉铁液 其化 学 成分如表 1 所示 高强合金 孕 育剂 铬铁及锡粒在炉前随流加 入浇包内 高强合金孕育剂加入 量 分别为0 3 0 4 0 5 0 6 根据硅含量要求补充相应 的硅钡孕育剂 满足试验的铸件 硅 含量一致 并在浇包 内加入 电 解铜进行合金化处理 铸件浇注 温度 1 4 0 0 1 4 1 0 每组浇注两 台 高强合金孕育剂从长春南湖 炉料有限公司购买 其化学成分 如表2 所示 用 S PECTRO MAX x 直 读 光 谱 仪 分 析 铁 液 化 学 成 分 图1 WP 1 2 气缸体 表1 原铁液化学成分 质量分数 C S i f M n f S P 3 3 0 3 3 5 1 5 l 7 0 6 0 7 0 1 0 O 6 I nron l i mqu i d I 铁 液 处 理 比较 由表 4 可看 出 随高 强合 金 孕育剂加入量的增加 铸件本 体抗拉 强度提高 硬 度相应提高 在技术要求范围内 当孕育 剂加 入 量 为0 5 时 铸件 抗拉 强度达 IJ 2 4 5 MP a 相 同条件 下 C u Cr Ni S n 合金化 工艺的WP 1 2 气缸 体 本 体 抗拉 强度 下 瓦 口为 2 1 0 MP a 高强合金 孕育剂 工艺 铸件性能提 高3 0 MP a 以上 当孕 育剂加入量 为0 6 时 加入量过 高 孕育剂量过剩 会对铁液产 生不 良影响 降低铁液温度 形 成铸件夹渣缺 陷等 导致铸件 力学性能下降 对 比 分 析 不 同炉 前处 理 的 WP 1 2 气缸体抗拉 强度趋势 如 图5 所示 发现采 用 C u C r Mo S n 合金化工艺和0 5 高强 合金孕育 工艺的WP 1 2 气缸 体本 体抗拉 强度较 Cu C r Ni S n 合金化工艺 的高 但 采用 Cu C r Mo S n 合金化工艺的铸件抗 拉 强度 虽然高 但波动较大 影 响铸件 的可加工性 而采用高强 合金孕 育剂的铸件抗拉强度波动 小 所 以采用高强合金孕育剂能 够稳定提高铸件本体 力学性能 高强合金孕育剂工艺较C u C r Ni S n 合金化工艺的区别在于应用 中去掉 了合金Ni 但高强合金孕 育剂 中钒的强化作用优于镍 且 高强合金孕育剂 中添加 了稀土 锆 钙 降低孕育剂的衰退 孕 育性增 强 当灰铸铁 中钒的加入 量在0 3 以下时 钒 的作用为可 以有效地使石墨细小并使珠光体 增 多 对于厚大截面的铸件 加 入钒可使整个截面上的组织较为 均匀 从而提高铸铁的强度 灰铸铁 中加入 合金元 素来提 高 强度 的主要机理表现在 细 2 0 造 参磊 工 B热 加 工 化 石 墨 和 共 晶 团 增 加 基 体 中珠光体 的含量 并使珠光体的 片间距细化 提高渗碳体的热 稳定性 防止珠光 体在高温下分 解 生成碳化物 或含合金元素 的硬化 相 图6 为 各种常 用合金 元素与灰铸铁抗拉 强度之 间的关 系 由图可见 灰铸铁 中加入少 量的钒即可显著提高铸件性能 4 高强合金孕育剂的作用 机理 高强合金孕育剂 中含稀 土元 素C e 其孕育机理一般认为是 由 于稀土 元 素和铁 液 中的S 0反 应生 成稀土硫化物 氧化物和氮 化物微粒 这些微粒可作为石墨 的形核基底 由于这些微粒的熔 点高于铁液温 度 因此 稀土孕 八 7 一 J J j i C u一 高 强 合 金 化 C u C 卜 N j Sn 孕 育 剂 工 艺 工 艺 5 1 7 l 9 2l 2 3 2 5 2 7 2 9 3 样品数 WP I 2气缸体抗拉强度 强度下限 图5 不同合金化处理的WP 1 2 气缸体抗拉强度趋势 元素加入量 图6 合金元素对灰铸铁抗拉强度的影响 表4 不同高强合金孕育量的铸件力学性能 技术标准要求 序号 孕育剂加 入量 抗拉强度 MP a 硬度H B W 抗拉强度 MP a 硬度HBW 2 1 0 2 0 3 1 0 3 2 0 5 2 0 7 2 2 0 21 3 2 0 l 4 2 0 5 2 05 2 2 0 1 9 0 2 3 0 2 4 5 21 0 3 0 5 2 3 5 1 9 8 2 3 0 2l 5 d 0 6 2 2 0 2 2 0 加 2 2 2 2 2 B d 魁隈辑憾 育的形 核数量不仅多且抗衰退时 间长 因而能确保孕育效果 使 石墨更加细小 从而提高强度 当稀土元素加入量适 中时 稀土 表现 出较强的孕育能力 促进石 墨的析 出 但稀土对灰铸铁 的石 墨化能 力具 有双重影 响 稀土本 身是反石墨化元素 它能使铸铁 的共晶点右移 以降低铸铁的共 晶转变温 度 提高铁液的共晶转 变的过冷度 促使铁液结 晶 铁 液冷 却速度越快 其反石墨化作 用越 强烈 根据 我公 司WD6 1 5 气缸体 的生产经验 炉前处理稀 土硅 铁的加入量控制 在0 0 5 0 1 0 时 气缸 体试棒抗拉 强度 最高 增加稀土硅铁的加入量 试棒 抗拉强度 降低 WP 1 2 气缸 体加入0 0 5 0 1 0 稀土硅铁 稀土 含量在 0 0 0 7 0 0 1 2 高强合金孕育剂加入量0 5 时 稀土含量为0 0 1 0 9 在最佳控 制比例内 孕育效果较好 珠光体基体 的改善 是孕育剂 中的合金钒起 了重要作用 在凝 固过 程中 铸铁 中的钒有相当一 部分以碳化物 氮化物及碳氮化 物状 态析 出 高熔点的碳化物 氮化物及碳氮化物等微小硬质相 在铁 素体相界面析 出 有效地阻 止了铁素体 晶粒的长大 使基体 中的珠光体细化 同时 厚大截 面的铸件 加入钒可使整个截 面 上的组织较为均匀 铸铁 中钒的存在有 以下三种 状态 固溶于 O 一 F e 中 二次 碳化物析 出相 一次块状碳化 物 相关研究表明 铸铁中钒 分 布在 F e 渗碳体 碳化物及氮 化物中 氧化物中几乎不含钒 钒 与碳 氮具 有很强的亲和 力 铸铁中含碳量较高 在各温 度 范 围 内均 可 形成 碳 化 物 同 时 铸铁中存在一定的氮 在形 成钒 的碳化物 的同时 也 易形成 氮化 物和碳 氮化物 在凝 固过程 中 铸铁 中的钒有相 当部分以块 状碳化物 氮化物及碳氮化物状 态析 出 凝 固结束后 随温度的 降低 钒的溶解度逐渐下降 促 使在冷却过程 中不断有含钒碳化 物 析 出 弥 散 分布 在 铸 铁 基体 中 从而起到弥散强化作 用 提 高铸铁的强度 日本岩手大学的 堀 江浩 等 人 的研 究 表 明 加 入 l 钒 时的灰 铸铁 抗拉 强度 高达 4 0 0 M P a 5 结 语 1 高 强合金 孕 育剂加 入 量在0 5 以下与加入量在0 5 的 铸件 本体石墨形态 大都为A型 基体组织为9 8 珠光体 孕育量 0 5 以上 时 石 墨变 得细 小 均匀 珠光体组织的均匀性得到 改善 高强合金孕育剂加 入量 在 0 5 时WP 1 2 气缸体本体抗拉 强 度最高 相同条件下较C u C r Ni s n 合金化工艺稳定提高3 0 MP a 2 高 强合金 孕育剂 中 的 稀土元素和钒元素在提 高铸铁 强 度方面有重要作用 稀土元素 能 够改善铸 铁中石 墨数量 形态 分布 钒能够在 灰铸铁 中形成微 小硬质相 细化珠光体 从而提 高铸铁强度 参考文献 1 Ba t a s CE Ef f e c t s o f Al l o y El e m e nt s on t he St r engt h a n d M i c r O S t r u c t u r e of G r aY C a st I r on s A FS T r a n s 1 9 8 4 9 2 9 2 3 9 4 6 2 胡开华 蔡启舟 等 高强度 厚壁 合金灰铸 铁压 缩机 气缸 I I 铁 液 处 理 体材 质的 实验研究 J 现代铸 铁 2 0 0 1 3 2 4 2 7 3 Aa r o n s o n H I P r e c ip it a t io n a t in t e r ph a s e bo un d a r ie s M et a l T r a n s 1 9 7 8 9 3 6 3 3 7 1 4 宗俊峰 汽车发 动机 高强度灰 铸 铁 铸 件 的研 究 J 铸造 1 9 9 3 3 1 7 2 1 5 曾大本 唐靖林 灰铸铁研究 和生产的新进展与展望 J 现 代铸铁 2 0 0 5 1 3 3 4 0 6 GLADMAN T Ef f e c t 0 f Sec o nd Phas e Pa r t iCl es on t he M ec ha nic al Pr ope r t ies o f