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中期报告题目：锑元素对柴油机缸盖用灰铸铁力学性能的影响西安工业大学北方信息工程学院毕业设计（论文）中期报告01. 设计（论文）进展状况1.1实验原料 本实验原料详见表1.1表1.1实验原料 成分（%）序号名称 C Si Mn P S1 生铁 4.13 1.42 0.55 0.07 0.552 废钢 0.45 0.35 0.5 0.05 0.053 75 硅铁 72 0.5 0.04 0.021.2 实验合金实验合金成分详见表 1.2 表 1.2 锑对缸盖材料组织的影响合金元素加入量 显微组织编号Sb(百分含量）石墨类型石墨长度（mm）珠光体含量（%）珠光体片间距（级）1 0.00 B 810 98 122 0.02 A 810 98 13 0.05 A 79 98 11.3 熔炼及浇注工艺熔炼在 GGW-0.012 中频感应熔炼炉中进行。先将生铁与废钢置于炉内进行升温、熔化，至 1300左右时加入合金 Sb，当升温至 14001450左右出炉。孕育剂采用冲入法，即孕育剂埋入浇包底部凹坑内，用铁液冲溶吸收。故孕育处理也是非常重要的一个环节，作用主要有：1）消除结晶过冷倾向，减少自由渗碳体;2）提供足够的石墨晶核，增加共晶团数，使石墨呈细小均匀分布，提高力学性能;孕育剂采用 75 硅铁，一次孕育。在出炉前，加入孕育剂（其中，孕育剂的量为 0.5%、粒度为 58mm） 。浇注时，采用冲入法。浇铸过程操作人员要穿戴好防护服，防止灼伤。浇铸速度要迅速防止铁液在浇包内凝固。1.4 造型西安工业大学北方信息工程学院毕业设计（论文）中期报告1制成直径为 18mm 的圆棒状试样，如图 2.1 所示：（a）试样侧视图 （b）底箱浇道图 2.1 圆棒状试样该试样选取砂型，将石英沙、粘土、水按一定比例在混沙机中混合均匀，抗拉伸试样的砂型采用四箱造型，在箱底挖直浇道。制成四层厚度为 40、20、10、5mm，宽度 45mm 阶梯试样。如图所示：该型采用砂型，将石英沙、粘土、水按一定比例在混沙机中混合均匀，采用三箱造型，在试样的侧面做浇道。 图 2.2 阶梯试样及厚度1.5 试样的制备1、金相试样的制备：金相试样：在阶梯试样的四个不同层截取矩型块。经过砂轮打磨平整后，试样逐一由粗砂纸，240，600，1000，1500。磨过之后，再将试样在抛光机上进行抛光，为达到良好的抛光效果，抛光过程中使用粒度为 2.5 的研磨膏。试样抛好后，在光学显微镜下观察并照金相照片。再将试样在 4%的硝酸酒精中腐蚀 5 秒，在光学显微镜下观察基体组织并照金相照片。2、拉伸试样的制备：根据中华人民共和国航空工业标准 HB5143-96金属室温拉伸实验方法将浇注好的圆棒试样加工成如图 2.3 所示的拉伸试样：西安工业大学北方信息工程学院毕业设计（论文）中期报告2图 2.3 金属室温拉伸试样1.6 显微组织记录锑是表面活性元素,原子半径较铁的大(Rsb=1.47Rfe=1.17),熔点低(Tm=63O),分配系数小,在灰铸铁凝固时易产生偏析圈。锑偏析主要在共晶团的晶界及石墨片周围,另有一部分固溶于奥氏体中,奥氏体向珠光体转变后,由于渗碳体中基本上不含锑,所以易固溶于珠光体的铁素体中,并在渗碳体和铁素体的界面富集，如图 2.3 所示。加入 0.02%Sb 加入 0.05%Sb 图 2.3 Sb 对珠光体稳定性的影响1.7 测量数据 表 2.4 Sb 对棒状试样硬度和拉伸强度的影响试样号 因素（Sb 加入量%）布氏硬度 抗拉强度 延伸率1 02 0.023 0.05西安工业大学北方信息工程学院毕业设计（论文）中期报告3表 2.5 Sb 元素对阶梯试样硬度影响不同厚度下的布氏硬度试样号 因素（Sb 加入量%） 10 20 30 401232.存在的问题及解决措施加入足量锑后使次生氧化皮变得很薄的主要原因是什么？3.后期工作安排1）分析灰铸铁合金化前与后显微组织图，并做详细讨论。2）继续完成力学性能测试及拉伸试样后的宏观断口分析，得到其延伸率。指导教师签字： 年 月 日西安工业大学北方信息工程学院毕业设计（论文）中期报告4开题报告题目：锑元素对柴油机缸盖用灰铸铁力学性能的影响西安工业大学北方信息工程学院毕业设计（论文）开题报告01. 毕业设计（论文）综述（题目背景、研究意义及国内外相关研究情况）1.1 题目背景及研究意义在高温环境中，非合金铸铁力学性能显得不容乐观，为提高其力学性能诸如刚度和强度要求给予合金化处理。合金化 7是提高铸铁性能的重要手段之一，随着生产日益发展，铸铁合金化必将发挥重要的作用。必须结合当地资源不断开拓合金铸铁新品种，利用先进手段不断加深对现用合金铸铁的认识。目前在铸铁市场上，因灰铸铁有良好的铸造性、加工性和低成本常常被推广。另外，由于铸铁件固有特性（热应力）的存在，无论是机械性能或者物理性能，都会影响铸铁的热疲劳性能。因此本文研究在灰铸铁原有性能基础上添加一些合金元素来改善其微观组织结构。这些措施对高功率合金柴油机缸盖的抗热疲劳、机械载荷性能等都有着深远意义。1.2 国外研究现状20 世纪 80 年代初，铸铁材料发展进入顶峰期，随后，世界的铸铁产量便出现急剧递减，然而铸铁仍是当今金属材料中应用最广泛的基础材料，在铸造合金材料中占据重要地位。1997 年美国铸造协会成立薄壁铸铁集团来完善高强度铸件及薄壁件的技术。德国 MTU 公司将特殊的合金强化技术用于发动机缸盖铝合金,使其抗拉强度达到 400MPa,伸长率达到 5%,代表了目前发动机铸造铝合金的最高水平。英国在缸盖铸件凝固过程中施加高压实现致密化,材料的疲劳性能显著提高,达到 70MPa 以上。奥地利 AVL 公司将 HIP 技术用于 AlSi7CuMg 合金,使其抗拉强度达到 300MPa,伸长率达到 5%,疲劳强度达到 70MPa。俄罗斯采用的缸盖材料具有很高的高温性能,300时瞬时抗拉强度(Rm)达到 230MPa 以上,350瞬时抗拉强度(Rm)达到 190MPa 以上。1.3 国内研究现状高强化 11、薄壁化 15-17是我国灰铸铁的发展方向。铸铁薄壁化、轻量化、强韧化 2是为了满足工程界对工程材料节能性、回用性两方面的要求，适应“人类可持续发展战略”的需要。铸件的“薄壁高强化 1”正在工程界成为一种趋势，在将来，3-5mm 的高强度薄壁球墨铸铁将会大量出现在一般机电产品中。我国在“七五”期间将高强度薄壁灰铸铁技术列为攻关项目，进行了大量的研究，取得了丰硕的成果。南昌柴油机厂长期大量生产 X85、X105 与 Xll0 系列柴油机 10，采用 2239A 多触头高压造型线与 Z141OA 造型线成批生产铸件;熔炉由 st/h 三排风口曲线炉膛冷风冲天炉改为 7t/h“大双”冷风冲天炉;焦炭由冶金焦改用镇江铸造焦;采用低磷铸造生铁 13，出铁温度大于 1410用便携直读式双铂锗插人式热电偶测温。出铁 1/3 一 2/3 后，在出铁槽中加人 75 硅铁粒进行孕育，孕育量为铁液量的 0.2%-0.4%。每包铁液重量900-1700kg，先浇铸件，后浇一组的直径为 30mm 试棒，试棒铸型为合脂砂干型，立浇底注。西安工业大学北方信息工程学院毕业设计（论文）开题报告1表 1.1 化学成分对 X4105 型柴油发动机汽缸体力学性能的影响化学成分% 力学性能C Si Mn P S CE 抗拉强度 b HB3.29 1.95 0.66 0.051 0.084 3.94 310 2293.26 1.85 0.51 0.066 0.087 3.88 327 2443.11 1.68 0.56 0.053 0.095 3.67 321 2293.14 1.96 0.55 0.064 0.085 3.78 334 2441.4 我国高强度灰铸铁研究的目标提高铁液温度，改善铸铁冶金质量，采用合成铸铁熔炼工艺。 研究和推广低合金化孕育铸铁 9。 调整化学成分、控制铸铁的 Si/C 比 12，以获得高强度低应力铸铁。实践证明，控制 Si/C 比值在 0 .50.9，再加以适当的孕育和合金化，可获得综合力学性能良好的高强度灰铸铁。另外，调整 Mn、Si 含量，使锰含量比硅含量高 0.2%1.3%，可以得到高强度低应力铸铁。目前，我国的工厂大多无炉前快速测定 C、Si 含量的仪器，因而不能及时掌握碳、硅的波动及变化情况 18，致使铸件质量难以稳定，这是今后应急需解决的一个问题。1.5 合金元素对缸盖材料显微组织及机械性能 8的影响碳是铸铁的重要元素，它不仅决定石墨的数量和分布形态，而且对流动性、收缩性、白口倾向等铸造工艺性能影响很大。从改善铸造工艺性出发，量应选取技术验收标准允许范围的上限，但受到出现碎块状石墨的限制。在灰铸铁中通常以自由碳(片状石墨 )和共析渗碳体（构成珠光体）两种形式存在。化合碳的最大值为0.8（全珠光体基体灰铸铁） ，因为一般情况下，不允许有自由渗碳体存在。石墨的强度和硬度极低，相对于铁来说可以忽略不计，加之片状石墨对灰铸铁的割裂作用，故灰铸铁中C量越高，一般来说其强度和硬度越低（还与片状石墨的形态有关） 。灰铸铁的含碳量一般在3.1-3.5内。硅是灰铸铁中仅次于碳的具有重要影响的元素。虽然硅对灰铸铁的固溶强化作用很高，但它可粗化石墨且在共析转变时具有强化铁素体的作用，同时还提高转变温度，减少并粗化珠光体，因此总体而言，其结果是降低了灰铸铁的强度和硬度。但硅含量过低，灰铸铁又易产生白口或过冷石墨，还易造成浇不足、气孔和收缩缺陷，通常其含量控制在 2左右。Cr 是球铁的重要元素，少量Cr 能熔于奥氏体基体，有利于稳定奥氏体，并因西安工业大学北方信息工程学院毕业设计（论文）开题报告2Ni 与Cr 的综合作用获得更好的耐热性和耐蚀性。Cr 应控制在标准下限。锰与铬的作用相近，程度相对弱一些，但锰能中和硫的有害作用，形成的Mn S 是灰铸铁中既不能太多又不能太少的异质相，其强度极低。通常锰含量在0.5-0.8%内可分别溶于基体及碳化物中即强化基体 15-18，又增加碳化物的弥散度和稳定性 .降低A 1温度，促使形成细珠光体，索氏体，甚至是马氏体。使C曲线右移，同时使M s下降Mn7% 时得到奥氏体基体。表 1.2 铜、锡、铬、锰对缸盖材料组织的影响合金元素加入量 显微组织编号Cu Sn Cr Mn 石墨类型石墨长度（mm）珠光体含量（%）珠光体片间距（级）1 0.6 - - - A 810 95 22 0.8 - - - A 69 98 123 1.0 - - - A 68 98 14 - 0.06 - - A+少量 B 810 98 125 - 0.08 - - A 810 98 16 - 0.10 - - A 79 98 17 - - 0.1 - A 810 90 28 - - 0.2 - A 810 95 29 - - 0.3 - A+少 D+少 E 69 98 1210 - - - 1.8 A+少量 B 69 98 111 - - - 2.0 A+少量 B 57 98 112 - - - 2.2 A+少量 B 36 98 12.本课题研究的主要内容和拟采用的研究方案、研究方法或措施2.1 本课题主要研究的内容：1) 掌握灰铸铁原有力学性能，合理配比灰铸铁元素 11优化其力学性能（灰铸铁成分设计） ；2）引入合金元素锑 3-6，控制其引入量来改善高温力学性能；3) 试样显微组织观察、拉伸断口分析。2.2 拟采用的研究方案、研究方法或措施通过控制在灰铸铁中加入合金元素的含量，分别在不同温度下利用 SEM 观察金相试样评价石墨形态、分布；测试试样的抗拉强度、伸长率、硬度等力学性能。西安工业大学北方信息工程学院毕业设计（论文）开题报告3一实验材料：本实验所选用的原材料见表 2.1表 2.1 实验材料序号 C Si Mn S P Sb（kg）1 3.14 2.2 0.87 0.01 0.01 02 3.14 2.2 0.87 0.01 0.01 0.023 3.14 2.2 0.87 0.01 0.01 0.05说明：Sb 为加入量，其余为含量。二实验条件：用 1kg 的中频感应炉熔制成表 2.1 所示成分的合金，将其分别浇注 mm:30x400的型腔中，早一点打箱，使三种成分合金的铸态组织尽可能转化为珠光体（加热温度低、保温时间短，将加速珠光体的转变） ，然后加工成 mm:25x20 的试样，放在电阻炉内，然后将试样放在电阻炉内在 700下分别保温 5 小时，10 小时。将保温 5小时的试样磨去 0.5mm，制成金相样品，观察其基体组织的变化。将保温 10 小时的试样切去一块，观察表面边缘上的氧化皮和次生氧化皮及基体组织的变化情况。2.3 主要测量数据表 2.3 测量数据保温时间 试样序号 抗拉强度 断面收缩率 伸长率12 保温前345 保温 5h678 保温 10h92. 本课题研究的重点及难点，前期已开展工作 本课题研究的重点是控制实验条件，在该实验条件下，分析比较试样基体组织的变化，总结铸铁中加入合金元素后在高温环境中整体的力学性能变化。本课题研究的难点是控制热处理温度得到尽可能多的珠光体组织。前期的工作主要是了解课题并进行文献查阅，制定实验方案，撰写开题报告。西安工业大学北方信息工程学院毕业设计（论文）开题报告43. 完成本课题的工作方案及进度计划（按周次填写）（1）第 1-2 周2013 年 11 月 20 日至 2013 年 12 月 5 日查找并阅读参考文献，完成开题报告，准备开题答辩；（2）第 3 周2013 年 12 月 5 日至 2013 年 12 月 12 日开题答辩；（3）第 4-7 周2013 年 12 月 13 日至 2014 年 01 月 10 日查找并阅读参考文献、进一步确定并优化实验方案；（4）第 8 周2014 年 02 月 28 日至 2014 年 03 月 8 日撰写中期报告，准备中期答辩；（5）第 9-10 周2014 年 03 月 9 日至 2014 年 03 月 31 日查找并阅读参考文献，基本完成合金灰铸铁各项性能的表征，完善实验数据；（6）第 11-12 周2014 年 04 月 1 日至 2014 年 04 月 15 日查找并阅读参考文献，结合所做实验，使课题进一步完善，整理实验所得数据准备撰写学士论文；（7）第 13-14 周2014 年 04 月 16 日至 2014 年 05 月 8 日整理实验结果并写出完整的毕业论文；（8）第 15 周2013 年 05 月 9 日至 2014 年 05 月 15 日毕业答辩。西安工业大学北方信息工程学院毕业设计（论文）开题报告55 指导教师意见（对课题的深度、广度及工作量的意见）指导教师： 年 月 日 6 所在系审查意见：系主管领导： 年 月 西安工业大学北方信息工程学院毕业设计（论文）开题报告6参考文献1 司乃潮, 孙少纯, 付明喜, 等. 高强度灰铸铁在薄壁缸体上的应用J.农业机械学 报,2002,33(5) : 97-1002 胡开华, 蔡启舟, 魏伯康, 等. 高强度厚壁大型合金灰铸铁压缩机气缸体材质的试验 研究J.现代铸铁, 2001, (3) : 24-27.3 熊仲明, 张锁梅, 石东崖. 稀土、锑对灰铸铁的作用J.中国稀土学报, 1994, 12(2) : 150-153.4 朱玉龙, 沈定钊. 锑对灰铸铁断面敏感性的影响J.热加工工艺,1999, (1): 25-28.5 沈定钊, 朱玉龙. 锑对灰铸铁高温性能的影响J.钢铁研究, 1994,（5）: 23-26.6 王宝秋. 微量锑对灰铸铁显微组织和性能的影响及应用 J.现代铸铁, 2003, (2) : 3-67 王珊玲, 魏伯康, 蔡启舟 , 等. 合金化对灰铸铁强度及组织均一性的影响J.现代铸 铁, 1996, (4) : 12-16.8 肖丽丽，任凤章，李锋军，等. 灰铸铁不同合金化同等强度下的加工性能对比研究J. 铸造技术，2012， 33(5): 512-515.9 胡家聪, 袁亚娟. 对提高缸体和缸盖铸件材质的几点看法. 现代铸铁, 1998 ( 2) : 6010 NickelO.AustenitischesGueisenEigenschaftenund.AuwendungKonstruierent+Gissen ,198 4(4);1-86.11 司乃超,张亮,孙少纯,等.高强度灰铸铁汽车发动机缸体铸件的究与应用J.铸造,2 005,(5):501-505.12 夏青,刘亚民,姚定邦.Si/C对灰铸铁组织和性能的影响J.铸造技术, 2003,(1):16-17.日西安工业大学北方信息工程学院毕业设计（论文）开题报告713 MartinTetal.DuennwandigeZylinder-bloeckeausGusseisenJ.Giesserei,2003,90（6）:9096. 14 刘兴鹏等.铸铁热疲劳性能的研究铸造,1985(5).15 罗志键,张伯明等.高强度薄壁件铸造技术的综述球铁,l988(3).16 子澍.灰铸铁中石墨形态分级及其特点J.铸造设备与工艺,2009, (5) :53-54.17 陆文华.李隆盛.黄良余，等.铸造合金及其熔炼；机械工业出版社；2002.818 Morrison JC. Practical Production of Ni- Resistant CastingsJFoundry M&T1998 ,128 (8) : 55.锑元素对柴油机缸盖用灰铸铁力学性能的影响锑元素对柴油机缸盖用灰铸铁力学性能的影响摘 要本文简述了合金元素 Sb 在柴油机缸盖用灰铸铁中的作用，通过实验，利用光学显微镜对基体组织的组成进行分析并测定其力学性能等一系列的实验得知，合金元素是影响灰铸铁力学性能的主要影响因素，其主要影响了石墨的大小形态和珠光体的量以及片层间距。并通过正交试验确定了一组最优的合金成分：Sb=0.05、Cu=0.6 、Cr=0.2、Mn=1.8。其性能达到： b 大于 280MPa；硬度大于240HB。在灰铸铁中加入足量的锑，可以稳定珠光体，提高了灰铸铁的机械载荷性和其综合力学性能。相同成分不同壁厚灰铸铁的组织不同相同成分不同壁厚灰铸铁的组织不同，薄壁处石墨细小、组织均匀。关键词：灰铸铁；力学性能；珠光体；基体组织；壁厚IResearch on the mechanical properties of Sb with gray cast iron cylinder headAbstractThis paper describes the elements Sb alloy cylinder diesel engine with gray cast in the role，through experiments，using an optical microscope，the composition of the matrix organization to analyze and determine the mechanical properties of a series of experiments such as that，the impact of gray cast iron alloy elements the main factors affecting the mechanical properties, the main impact of the shape and size of the amount of graphite and pearlier lamellar spacing. A group of optimal alloy composition was determined by the experiment: Sb=0.05，Cu=0.6，Cr=0.2，M n=1.8. Its performance reaches the expected: b=280MPa; hardness is 240HB.Adding a sufficient amount of antimony in gray cast iron，stable pearlier can significantly reduce the thickness of iron oxide and a secondary oxide scale.Different components of the same organization different wall thickness of gray cast iron, graphite thin wall small, homogeneous.Key words: Gray cast iron; Mechanical properties; Pearlier; Matrix organization;Thickness; II目 录1 绪论 .11.1 前言 .11.2 国外研究现状 .21.3 国内研究现状 .21.4 灰铸铁的发展历史 .31.5 灰铸铁的组织、性能特点及应用 .41.5.1 组织特点 .51.5.2 性能特点 .71.5.3 灰铸铁的应用 .81.6 合金元素对缸盖材料显微组织及机械性能的影响 .91.7 合金元素对灰铸铁的影响 .91.8 我国高强度灰铸铁研究的目标 .121.9 本课题主要研究的内容 .122 实验内容与方法 .132.1 实验条件 .132.1.1 本实验所选用的原材料 .132.1.2 本实验所采用的实验方法 .132.2 熔炼及浇注工艺 .132.3 造型 .142.3.1 圆棒状试样 .142.3.2 阶梯试样 .142.4 试样的制备 .152.5 力学性能的测定 .153 实验结果及分析 .163.1 Sb 元素对灰铸铁力学性能的影响 .163.2 显微组织分析 .193.2.1 Sb 对灰铸铁显微组织的影响（腐蚀前） .193.2.2 Sb 对灰铸铁显微组织的影响（腐蚀后） .203.2.3 灰铸铁显微组织放大图 （放大 500 倍） .203.2.4 Sb 对灰铸铁力学性能的影响 .213.3 阶梯试样分析 .223.3.1 显微组织分析（不同壁厚） .24 III3.3.2 显微组织分析（不同合金成分） .243.4 正交试验直观分析 .253.4.1 宏观硬度 .253.4.2 抗拉强度 .264 结论 .274.1 结论 .27参考文献 .28 01 绪论1.1 前言改革开放以来，我国经济的飞速发展，交通运输走在了国民经济发展的先行行业，重型货车成了运输的主要交通工具。它其与中、轻型货车相比所具有的油耗低、省人工、运输成本低、经济效益高等优势成为公路运输的主力军。今后重型货车发展的主要趋势是：大吨位、高功率、低污染、专业化运输，并在经济性、动力性、安全性、舒适性、可靠性方面有所提高，特别要适应未来的交通法规，满足未来更加严格的环保要求。发动机的性能决定了重卡市场的运行情况的好坏，而发动机的核心部件发动机缸体决定者发动机的使用性能和寿命。发动机缸体普遍采用的材质为灰铸铁。目前铸铁市场上，因铸铁有良好的铸造性、加工性和低成本常常被推广，另外灰铸铁的耐磨性和吸震性都优于其它各类铸铁，故此在发动机缸体上被广泛应用，目前在各类铸铁的总产量中点 80%以上，大型载重汽车和拖拉机的发动机缸体选用材料仍然以灰铸铁为主。但是在复杂的工作环境中，灰铸铁力学性能显得不容乐观。尤其是它的抗拉强度较低。为提高其力学性能要求给予合金化 1处理。由于汽车工业低排放的要求，对材料强度提出更高要求。因此，在生产发动机缸体灰铸铁铸件时，通常加入一定量的 Cu、Cr、Mo 和 Ni 合金元素以提高灰铸铁的性能。在这些合金元素中，Cu 的价格是相对较低的也最为常用。但是 Cu 的加入仍然较多地提高了缸体铸件的生产成本，在大批量的生产中，如果能够通过技术措施，减少或取消 Cu 的用量，将带来一定的经济效益。为满足使用性能而加入各种合金元素使铸铁件强度增加的同时势必导致切削抗力的增加，从而导致刀具磨损加剧。目前轿车生产普遍采用数控机床和自动加工线、高速切削工艺，刀具的磨损和使用寿命对生产效率有很大影响。发达国家早在 20 世纪 40 年代就开展了灰铸铁材料加工性能研究，主要是针对低强度灰铸铁的研究。而国内关于灰铸铁加工性能的研究相对较少，并且国产灰铸铁铸件加工性能与国外的相比较差。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合金添加剂（含 Sb、Cr、Mn 、Si、Fe）取代 Cu 进行合金化，研究在相同孕育剂下两者的强度、硬度、组织以及切削加工性的差别，初步探索多元合金取代 Cu 合金化工艺。同时，研究多元合金添加剂合金 1化时，不同孕育剂处理孕育的情况下灰铸铁的强度、硬度、组织以及切削加工 2性的差别，从而选择合适的孕育剂。柴油机的气缸体、气缸盖、飞轮、飞轮壳、主轴承盖、排气管与联接器盘等零件均为灰铸铁件，其牌号为 HT200、HT250 与 HT300。气缸体在柴油机工作时承受很复杂的负荷，应采用足够刚性和强度的铸铁。气缸盖在工作中还承受很大的热负荷，排气道的排气温度可达 600900，应采用强度与热疲劳性能好的铸铁。气缸体与气缸盖结构复杂，尺寸较大，壁厚差大（薄壁处 3.5-6.0mm，厚壁处 25-35mm） ，整体壁厚较薄，砂芯多且复杂，大批量生产这种复杂薄壁的柴油机关键零件，不仅要求灰铸铁有良好的力学和物理性能，还要求有较佳的铸造性能和切削性能。 1.2 国外研究现状20 世纪 80 年代初，铸铁材料发展进入顶峰期，随后，世界的铸铁产量便出现急剧递减，然而铸铁仍是当今金属材料中应用最广泛的基础材料，在铸造合金材料中占据重要地位。1997 年美国铸造协会成立薄壁铸铁集团来完善高强度铸件及薄壁件的技术。德国 MTU 公司将特殊的合金强化技术用于发动机缸盖铝合金，使其抗拉强度达到 400MPa，伸长率达到 5%，代表了目前发动机铸造铝合金的最高水平。英国在缸盖铸件凝固过程中施加高压实现致密化，材料的疲劳性能显著提高，达到 70MPa 以上。奥地利 AVL 公司将 HIP 技术用于 AlSi7CuMg 合金，使其抗拉强度达到 300MPa，伸长率达到 5%，疲劳强度达到 70MPa。俄罗斯采用的缸盖材料具有很高的高温性能，300时瞬时抗拉强度（R m）达到 230MPa 以上，350瞬时抗拉强度（R m）达到 190MPa 以上。1.3 国内研究现状高强化 2、薄壁化 3-5是我国灰铸铁的发展方向。铸铁薄壁化、轻量化、强韧化 6是为了满足工程界对工程材料节能性、回用性两方面的要求，适应“人类可持续发展战略”的需要。铸件的“薄壁高强化” 7正在工程界成为一种趋势，在将来，3-5mm 的高强度薄壁球墨铸铁 8将会大量出现在一般机电产品中。我国在“七五”期间将高强度薄壁灰铸铁技术列为攻关项目，进行了大量的研究，取得了丰硕的成果。南昌柴油机厂长期大量生产 X85、X105 与 Xll0 系列柴油机 9，采用 2239A 多触头高压造型线与 Z141OA 造型线成批生产铸件；熔炉由st/h 三排风口曲线炉膛冷风冲天炉改为 7t/h“大双 ”冷风冲天炉；焦炭由冶金焦改用镇江铸造焦；采用低磷铸造生铁 10，出铁温度大于 1410用便携直读式双铂锗插人式热电偶测温。出铁 1/3-2/3 后，在出铁槽中加人 75 硅铁粒进行孕育，孕育量为铁液量 0.2%-0.4%。每包铁液重量 900-1700kg，先浇铸件，后浇一组 3的直径为 30mm 试棒，试棒铸型为合脂砂干型，立浇底注。 表 1.1 化学成分对 X4105 型柴油发动机汽缸体力学性能的影响1.4 灰铸铁的发展历史1879 年到 1988 年美国，日本、西德等工业发达国家的铸铁产量统计表明，随着球铁应用的不断扩大，灰铸铁件产量占铸铁件产量的比例基本呈下降趋势，美国从 77.65 %下降到 60.08%日本 65.92%下降到 64.6% 西德从 76.74%下降 到 69.6%英国 80.26%下降到 55.79% 法国从 67.84%下降到 54.35%。随着机械工业向精化、强化，轻型化方向发展在灰铸铁产量中，高强度灰铸铁所占比例越来越重。西德 1982 年的铸铁生产为例，低牌号灰铸铁 GG15（相当于我国的HT150）产量只占全部铸件的 3.2%，而 GG20 到 GG35 的总和却 45%以上。法国CTIF 指出，机床的基础件尽量采用抗拉强度 343-422N/mm2 、硬度 HB220-240的高强度灰铸铁。国外柴油机缸体、缸盖的材料牌号都在 HT250 以上，西德机床床身和日本 K 系列机床铸件材质的抗拉强度均要求 343N/mm2 以上。液压件要求抗拉强度在 HT300 牌号以上的比例越来越高。目前，国外高强度灰铸铁已广泛用于汽车，拖拉机、机床、液压件，通风机械，精密机械，试验仪器、农业机械等各行各业。我国铸铁件约占铸件总产量的 84%，灰铸铁约占铸铁总量的 86-89%，高强度铸铁灰的比例却很少。长期以来，我国对高强度灰铸铁的研究工作没有给予重视，致使高强度灰铸铁的生产技术比先进国家落后十多年。我国高强度灰铸铁件与国外相比有较大差距。50 年前，灰铸铁铸件约占铸造金属总量的 3/4 ，但目前却只占约 1/2。减少的主要原因是，金属材料的生命力主要在于强度，而灰铸铁的强度相对较低，所以受到冲焊件、球（蠕）铁、轻有色金属和塑料等材料的竞争。尽管如此，灰铸铁仍不失为一种主要的铸造金属材料。这是因为，其价格较低且生产设施和成形过程比较简便；此外，迄今某些工件的选用材料仍然非灰铸铁莫属，再者，灰铸铁铸件的生产及其性能仍处于不断改进与提高的过程中。有必要提及的是，要生产出高质量的灰铸铁件，化学成分% 力学性能C Si Mn P S CE 抗拉强度 b HB3.29 1.95 0.66 0.051 0.084 3.94 310 2293.26 1.85 0.51 0.066 0.087 3.88 327 2443.11 1.68 0.56 0.053 0.095 3.67 321 2293.14 1.96 0.55 0.064 0.085 3.78 334 244 4如优质发动机部件并非易事，因为不论从工艺过程还是所涉及的理论都比较复杂，其难度时常超出预料。汽车制造行业一直是灰铸铁件的大用户，这些部件一般集中在发动机上。出于对环保和减轻汽车自重的考虑，上世纪 60 年代，国外一度兴起铝材缸体热，但由于高压压铸铸件的针孔缺陷和铝材与缸套、气阀座等零件嵌合后，因热膨胀系数不同引起的棘手难题，加上生产成本等因素的原故，人们不得不将视线转回到铸铁材质上。此后，人们以采用薄壁铸件生产工艺 和获得高性能铸铁件为目标，以求得缸体铸件的大幅度减重。灰铸铁强度与硬度的关系提高灰铸铁强度是拓展灰铸铁应用的前提，为此，还需要同时解决铁液的工艺性和铸铁的切削性等问题。根据国外汽车发动机厂的核算，生产成本中最大的支出是刀具费用。因为缸体、缸盖等主要零部件的加工工序浩繁，加工精度和切削速度又极高，使用及消耗的特制刀具十分昂贵。高强度铸铁的硬度较高，通常情况下，对同一金属而言，硬度高则切削性差，这是个难题。就常规而言，高强度灰铸铁的共晶度 Sc 较低，铁液工艺性（白口倾向、流动性和收缩性）恶化，这对生产薄壁铸件极为不利，这也是个难题。人们从长期生产实践中发现，由于冶金因素的存在，试验数据表明，在相同化学成分和冷却状态下，灰铸铁的强度并不绝对地取决于其硬度，在一定条件下，可以生产出高强度低硬度铸铁（近期试验研究和实际生产还表明，灰铸铁的切削性和耐磨性也不完全决定于其硬度） 。亚琛工业大学有人经过长期的试验研究和工厂数据的统计分析以及数学推导，得出可由灰铸铁的成分推导出它的正常度（亦称成熟度或质量指标） ，从而发现，各铸造车间由于对冶金因素的理解和控制程度的不同，铸铁的正常度最大波动可达20%。我国从 1950 年我国灰铸铁件是采用原苏联的标准经过修订于 1967 年制订并颁布了我国的灰铸铁国家标准 GBT/976-1967 即灰铸铁件分类及技术条件并于1968 年 1 月施行，到了 80 年代改革开放促进了铸造业的发展。1.5 灰铸铁的组织、性能特点及应用灰铸铁的金相组织由金属基体和片层石墨所组成。主要的金属基体形式有珠光体、铁素体及珠光体+铁素体三种。石墨片可以不同的数量、大小、形状分布于基体中。此外，还有少量非金属夹杂物，如硫化物、磷化物等。灰铸铁通常是指断面呈灰色，其中的碳主要以片状石墨形式存在的铸铁。灰铸铁的金属基体与碳钢的一般基体相比没有多大区别，但是由于灰铸铁内的硅、锰含量较高，它们能溶于铁素体中能使铁素体得到强化，硅的作用更强大些。因此，铸铁中的金属体部分的强度性能比碳钢的要高得多。珠光体的数量和分散度与铸铁共析转变时的过冷度有关，过冷度越大，则 5珠光体的比例越大，分散度也越大。普通灰铸铁的金属基体是又珠光体与铁素体按不同比例组成的，其分布特征是铁素体大多出现在石墨周围。高强度灰铸铁则主要是珠光体基体或是索氏体基体。此时，铁素体与渗碳体的片间距很小，由于这种层状组织排列紧密，因此抗拉强度和硬度也较高。由于灰铸铁具有良好的减震性、良好的减摩性、较低的缺口敏感性，通常用于大型机床的床身以及复杂的铸件和具有较多孔洞、键槽的铸件。1.5.1 组织特点石墨的分类：灰铸铁中片状石墨的 6 种分布形态的特点1) A 型石墨，它呈均匀分布，无方向性。由于这种类型石墨相对来说对金属基体割裂作用较小，机械强度较高，所以用户中多希望得到 A 型石墨。2）B 型石墨，也称菊花状石墨，这种类型石墨发生在碳当量高，且结晶核心较少的情况下，共晶团比较大，而结晶初期冷却速度比较大，所以中心石墨长不大，片较细小。3）C 型石墨，它出现在过共晶铁水的铸件中，有粗大的片状初生石墨，可增加材料热导率、降低弹性模量，由于钢锭模子要求有高的导热性，所以在钢锭模中常出现这种石墨。由于 C 型石墨会降低铸铁的机械性能，所以具有 C 型石墨的铸件机械加工表面会出现麻点。4）D 型石墨，石墨于奥氏体枝晶间析出，呈无方向的点状分布。当铸铁件在快速冷却时（如壁很薄） ，铁水有很大的过冷度，但由于硅含量较高，使其免于出现白口，由于在共晶凝固前，有奥氏体先结晶折出，形成无石墨的奥氏体枝晶。这表明铸铁成分是亚共晶，大多数情况也的确如此，但是，共晶成分铸铁会出现 D 型石黑。当冷却速度大时，合金液过冷度增大，共晶温度线下移，Fe-C 相图上的液相线向右下方延伸，原共晶点也向右下方移动，原共晶成分成为亚共晶成分，出现奥化体初晶及 D 型石墨。金属型铸件易出现 D 型石墨，共晶成分铸铁会出现 D 型石黑。当冷却速度大时，合金液过冷度增大，共晶温度线下移，它与相同硬度的 A 型石墨铸件相比，机械强度较高。 D 型石墨铸件出现的问题是难以得到没有铁素体的铸件，内于密集的点状石墨之间距离很近，共晶成分铸铁会出现 D 型石黑。当冷却速度大时，合金液过冷度增大，共晶温度线下移，所以奥氏体在共析转变时析出的碳很容易聚集到点状石墨上去，碳化铁难以形成。 5）E 型石墨，发生在碳含量很低的铸铁中，冷凝时，首先形成奥氏体初次晶，余下铁水在树枝晶间发生共晶反应，石墨片呈方向性分布。6）F 型石墨，这是一种星形石墨和短片状石墨均匀混合的石墨分布形状，常出现在碳当量高的薄壁铸件中，例如单体活塞环的显微组织中。加微量硼的 6含硼灰铸铁中也会出现 F 型石墨。图 1.1 石墨的类型珠光体分类：珠光体分为片状珠光体，粒状珠光体，片状珠光体是糖化物和白色的铁素体呈现片层交替近似平行排列。粒状珠光体是白色的铁素体上分布着点状的碳化物。白色的块状组织为铁素体。石墨对灰铸铁基体组织的影响：石墨片可以不同数量、大小、形状分布于基体中。此外，还有少量非金属夹杂物、如硫化物、磷化物等。在灰铸铁组织中，石墨与金属基体是决定铸铁性能的主要因素。一般来说，石墨是这两个因素中的主要方面。一是灰铸铁的强度性能较差，由于石墨的缩减作用和切割作用，使得铸铁的金属基体的强度不能充分发挥，因此表现出了灰铸铁的拉伸强 7度很低：二是灰铸铁具有较低的缺口敏感度，由于有大量的石墨片存在，等于在内部存在有大量的裂开，因而就减少了对外来缺口对力学性能影响的敏感性；三是具有良好的减震性，由于存在大量的片状石墨，它割裂了基体，因而阻止了振动的传播，并能把它转化为热能而发散，因而具有良好的减震性；四是具有良好的减摩性，因为在石墨被磨掉的地方形成大量的显微袋口，可以储存润滑油以保证使用过程中油膜的连续性，并且石墨本身也是良好的润滑剂。1.5.2 性能特点灰铸铁的性能与其他学成分和组织有密切的联系。1）优良的铸造性能由于灰铸铁的化学成分接近共晶点，所以铁水流动性好，可以铸造非常复杂的零件。另外，由于石墨比容较大，使铸件凝固时的收缩量减少，可简化工艺，减轻铸件的应力并可得到致密的组织。2）优良的耐磨性和消震性石墨本身具有润滑作用，石墨掉落后的空洞能吸附和储存润滑油，使铸件有良好的耐磨性。此外，由于铸件中带有硬度很高的磷共晶，又能使抗磨能力进一步提高，这对于制备活塞环、气缸套等受摩擦零件具有重要意义。石墨可以阻止后动的传播，灰铸铁的消夸大能力是钢的 10 倍，常用来制作承受振动的机床底座。3）较低的缺口敏感性和良好的切削加工性能灰铸铁中由于石墨的存在，相当于存在很多小的缺口时表面的缺陷、缺口等几乎没有敏感性，因此，表面的缺陷对铸铁的疲劳强度影响较小，但其疲劳强度比钢要低。由于铸铁中的石墨可以起断屑作用和对刀具的润滑起减障作用，所以其可切削加工性能是优良的。4）灰铸铁的机械性能灰铸铁的拉伸强度、塑性、韧性及弹性模量都低于碳素钢，如表所示。灰铸铁的抗压强度和硬度主要取决于基体组织。灰铸铁的抗压强度一般比拉伸强度高出三四倍，这是灰铸铁的一种特性。也是广泛用作缸体材质的原因。灰铸铁的拉伸强度和弹性模量均比钢低得多，通常约 b 为120250MPa，抗压强度与钢接近，一般可达 600800MPa ，塑性和韧度近于零，属于脆性材料，不能锻造和冲压；焊接时产生裂纹的倾向大，焊接区常出现白口组织，焊后难以切削加工，焊接性差；灰铸铁的铸造性能优良，铸件产生缺陷的倾向小；由于石墨的存在，切削加工性能好，切削加工时呈崩碎切屑，通常不需加切削液；灰铸铁的减振能力为钢的 510 倍，是制造机床床身、机座的主要材料；灰铸铁的耐磨性好，适于制造润滑状态下工作的导轨、衬套和活塞环等。5）影响灰铸铁性能的因素：基体组织和石墨的分布。珠光体越多，石墨分 8布越细小均匀，强度、硬度也越高，耐磨性越好。要想控制铸铁的组织和性能，必须控制铸铁的石墨化程度。6）灰铸铁的力学性能：灰铸铁的力学性能与基体的组织和石墨的形态有关。灰铸铁中的片状石墨对基体的割裂严重，在石墨尖角处易造成应力集中，使灰铸铁的拉伸强度、塑性和韧性远低于钢，但抗压强度与钢相当，也是常用铸铁件中力学性能最差的铸铁。同时，基体组织对灰铸铁的力学性能也有一定的影响，铁素体基体灰铸铁的石墨片粗大，强度和硬度最低，故应用较少；珠光体基体灰铸铁的石墨片细小，有较高的强度和硬度，主要用来制造较重要铸件；铁素体- 珠光体基体灰铸铁的石墨片较珠光体灰铸铁稍粗大，性能不如珠光体灰铸铁。故工业上较多使用的是珠光体基体的灰铸铁。7）灰铸铁的其他性能：良好的铸造性能、良好的减振性、良好的耐磨性能、良好的切削加工性能、低的缺口敏感8）灰铸铁性能的改善，硅是强烈促进石墨化的元素。实践证明，若铸铁中含硅量过少，即使含碳量很高，石墨也难以形成。硅除能促进石墨化外，还可改善铸造性能，如提高铸铁的流动性、降低铸件的收缩率等。灰铸铁中碳的存在状态及其基体组织决定于铸件冷却速度铁水以很快速度冷却时，第一阶段石墨化过程（共析温度以上）及第二阶段石墨化过程（共析温度下）完全被抑止将得到共晶渗碳体二次渗碳体珠光体组织，即白口铸铁组织。铁碳相图：铁水当温度冷却到液相时，开始从液相析出（） 。 1147 共析温度。L=Fe 3C（共晶渗碳体）温度下降， A 的饱和固溶碳量随温度下降而降低，因而析出二次渗碳体，此反应持续到共析温度。在共析反应中，A 转变为珠光体。冷却到室温后，组织由共晶渗碳体二次渗碳体珠光体组成。铁水以很慢的速度冷却时由于渗碳体是不稳定相，而石墨是稳定相。第一阶段和第二阶段石墨化过程都进行得很充分，最后得纯铁素体的灰铸铁组织。若石墨化的第一阶段进行很完全，第二阶段石墨化过程进行得不完全，则得珠光体铁素体、灰铸铁组成。1.5.3 灰铸铁的应用根据灰铸铁的牌号下面给出了几例灰铸铁的应用：HT100，工作条件：负荷极低；磨损无关重要；变形很小用途举例：盖、外罩、油盘、手轮、手把、支架、座板、重锤等形状简单、不堪重要的零件，这些铸件通常不经试验即被采用，一般不须加工，或者只须经过简单的机械加工。HT150，工作条件：承受中等负荷的零件；摩擦面间的单位面积压力不大于490kPa HT300，HT350 ，工作条件：承受高弯曲力及高拉力的零件；摩擦面 9间的单位面积压力1960kPa 或需进行表面淬火的零件；要求保持高度气密性 10-13的零件。用途举例：1）机械制造中重要的铸件，如：剪床、压力机、自动车床和其它重要机床的床身、机座、机架和大而厚的衬套、齿轮、凸轮；大型发动机的汽缸体、缸套、气缸盖等；2）高压的气液压缸、水缸、泵体、阀体等；3）圆周速度大于20-25m/s 的带轮以及符合上述工作条件的其它零件。1.6 合金元素对缸盖材料显微组织及机械性能的影响表 1.2 铜、锡、铬、锰对缸盖材料组织的影响1.7 合金元素对灰铸铁的影响碳（C ）碳是铸铁的重要元素，它不仅决定石墨的数量和分布形态，而且对流动性、收缩性、白口倾向等铸造工艺性能影响很大。从改善铸造工艺性出发，量应选取技术验收标准允许范围的上限，但受到出现碎块状石墨的限制。在灰铸铁中通常以自由碳( 片状石墨) 和共析渗碳体（构成珠光体）两种形式存在。化合碳的最大值为0.8（全珠光体基体灰铸铁） ，因为一般情况下，不允许有自由渗合金元素加入量 显微组织编号Cu Sn Cr Mn 石墨类型石墨长度（mm）珠光体含量（% ）珠光体片间距（级）1 0.6 - - - A 810 95 22 0.8 - - - A 69 98 123 1.0 - - - A 68 98 14 - 0.06 - - A+少量 B 810 98 125 - 0.08 - - A 810 98 16 - 0.10 - - A 79 98 17 - - 0.1 - A 810 90 28 - - 0.2 - A 810 95 29 - - 0.3 - A+少 D+少 E 69 98 1210 - - - 1.8 A+少量 B 69 98 111 - - - 2.0 A+少量 B 57 98 112 - - - 2.2 A+少量 B 36 98 1 10碳体存在。石墨的强度和硬度极低，相对于铁来说可以忽略不计，加之片状石墨对灰铸铁的割裂作用，故灰铸铁中C量越高，一般来说其强度和硬度越低（还与片状石墨的形态有关） 。灰铸铁的含碳量一般在3.1-3.5内。硅（Si）硅是灰铸铁中仅次于碳的具有重要影响的元素。虽然硅对灰铸铁的固溶强化作用很高，但它可粗化石墨且在共析转变时具有强化铁素体的作用，同时还提高转变温度，减少并粗化珠光体，因此总体而言，其结果是降低了灰铸铁的强度和硬度。但硅含量过低，灰铸铁又易产生白口或过冷石墨，还易造成浇不足、气孔和收缩缺陷，通常其含量控制在2左右。磷（P）、硫（ S）P在奥氏体中溶解度极低，一般以磷共晶形式存在于晶界，恶化高镍球铁的性能，则w ( P) 7%时得到奥氏体基体。表1.3合金元素对棒状试样硬度和拉伸强度的影响因素试样号 CE Cu Cr Mo 布氏硬度 抗拉强度1 3.9 0.4 0.2 0.15 213.6 279.62 39 0.5 0.3 0.25 239.6 308.33 3.9 0.6 0.4 0.35 226.6 290.04 3.95 0.6 0.4 0.15 223.7 275.45 3.95 0.4 0.3 0.25 226.5 283.46 3.95 0.5 0.2 0.35 218.8 260.07 4.0 0.5 0.3 0.15 206.5 210.08 4.0 0.6 0.2 0.25 202.5 222.59 4.0 0.4 0.4 0.35 211.5 202.7表 1.4 合金元素对阶梯试样硬度影响因素 布氏硬度 不同厚度(mm)试样号 CE Cu Cr Mo 40 30 20 101 3.9 0.4 0.2 0.15 208.8 218.1 220.3 241.32 39 0.5 0.3 0.25 215.1 221.8 224.2 235.43 3.9 0.6 0.4 0.35 210.2 220.3 231.2 241.44 3.95 0.6 0.4 0.15 196.2 204.6 216.5 235.85 3.95 0.4 0.3 0.25 198.5 206.3 212.5 221.96 3.95 0.5 0.2 0.35 194.7 203.2 218.4 246.97 4.0 0.5 0.3 0.15 184.4 189.2 196.0 217.3 128 4.0 0.6 0.2 0.25 187.4 200.0 210.8 222.69 4.0 0.4 0.4 0.35 194.7 209.7 217.3 241.91.8 我国高强度灰铸铁研究的目标1）提高铁液温度，改善铸铁冶金质量，采用合成铸铁熔炼工艺 19。 2）研究和推广低合金化孕育铸铁 20。3）调整化学成分、控制铸铁的 Si/C 比 21，以获得高强度低应力铸铁。实践证明，控制 Si/C 比值在 0 .5-0.9，再加以适当的孕育 22和合金化，可获得综合力学性能良好的高强度灰铸铁。另外，调整 Mn、 Si 含量，使锰含量比硅含量高 0.2%-1.3%，可以得到高强度低应力铸铁。目前，我国的工厂大多无炉前快速测定 C、Si 含量的仪器，因而不能及时掌握碳、硅的波动及变化情况 23，致使铸件质量难以稳定，这是今后应急需解决的一个问题。1.9 本课题主要研究的内容1) 掌握灰铸铁原有力学性能，合理配比灰铸铁元素 24-25优化其力学性能（灰铸铁成分设计） ；2）引入合金元素锑 26，控制其引入 Sb 元素量来改善力学性能；3）研究不同壁厚材料的力学性能； 132 实验内容与方法2.1 实验条件2.1.1 本实验所选用的原材料表 2.1 为实验的原材料表 2.1 实验材
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