白 飛，黃進(jìn)達(dá)

（廣西玉柴機(jī)器股份有限公司，廣西玉林 537005）

灰鑄鐵材質(zhì)具有非常優(yōu)越的鑄造性能和良好的綜合性能，而且成本相對較低，所以在很多柴油機(jī)氣缸體氣缸蓋鑄造生產(chǎn)廠家依然把灰鐵材質(zhì)作為首選材質(zhì)之一。本文就提高灰鑄鐵力學(xué)性能與降低材料成本方面進(jìn)行了試驗(yàn)。

1 試驗(yàn)過程

1.1 試驗(yàn)設(shè)計

試驗(yàn)采用正交實(shí)驗(yàn)設(shè)計針對Mn、S兩個因子在三個水平上對抗拉強(qiáng)度、硬度的影響。根據(jù)以往經(jīng)驗(yàn)及降成本的需求，試驗(yàn)將錳合金質(zhì)量分?jǐn)?shù)水平分別選為0.3%、0.6%和0.9%；硫質(zhì)量分?jǐn)?shù)水平分別選為0.04%、0.06%和0.10%.具體見表1.

鐵水熔煉時，要求成分公差小于主單位的0.5個單位。

1.2 試驗(yàn)實(shí)施

分別在1#、2#、3#工頻爐熔化鐵水，4#爐進(jìn)行鐵水調(diào)均勻使用。鐵水熔化后檢驗(yàn)成分，3臺中頻爐的成分要求按照正交試驗(yàn)要求進(jìn)行控制。

表1 w（Mn）與 w（S）因子水平設(shè)定 （質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%）

將1#爐內(nèi)鐵水倒出2包，分別從2、3#爐倒1包鐵水到1#爐內(nèi)。分別將2、3#爐內(nèi)鐵水倒出1包倒入另1臺爐內(nèi)，然后將1#爐內(nèi)的2包鐵水倒入2、3#爐內(nèi)，成分調(diào)整均勻。

成分按要求調(diào)均勻后，分別根據(jù)實(shí)驗(yàn)要求調(diào)整錳硫合金，升溫到1 510℃以上進(jìn)行鐵水精煉保溫處理，出鐵過程使用稀土鈣鋇孕育劑孕育，加入量0.35%.澆注溫度控制1 400℃～1 420℃.試驗(yàn)結(jié)果如表2所示。

1.3 試驗(yàn)結(jié)果

根據(jù)以上編號分別統(tǒng)計和求其平均值得到抗拉強(qiáng)度響應(yīng)表和趨勢圖以及硬度響應(yīng)表和趨勢圖見表3和表4。

表2 硫錳正交試驗(yàn)結(jié)果

表3 試棒抗拉強(qiáng)度均值響應(yīng)表 MPa

表4 試棒硬度均值響應(yīng)表 HBW

根據(jù)表3所示的響應(yīng)表繪制出試棒抗拉強(qiáng)度走勢如圖1.

圖1 試棒強(qiáng)度走勢圖

在抗拉強(qiáng)度趨勢圖上我們發(fā)現(xiàn)，錳、硫越高抗拉強(qiáng)度卻反而越小，抗拉強(qiáng)度是隨著錳、硫增加而降低的，且錳對試棒抗拉強(qiáng)度的影響大于硫。

根據(jù)試棒硬度均值響應(yīng)表繪制試棒硬度走勢圖如圖2所示。

由圖2正交試驗(yàn)我們可以看出，硬度與錳、硫的波動不大，整個波動范圍都是在10 HB以內(nèi)。在10 HB范圍內(nèi)硬度是在錳和硫處于兩個極端時最高，錳、硫處于中間時硬度最低。

圖2 試棒硬度走勢圖

2 生產(chǎn)試驗(yàn)跟蹤

為了進(jìn)一步驗(yàn)證試驗(yàn)結(jié)果，我們在工廠生產(chǎn)4110缸蓋過程中進(jìn)行鐵水調(diào)整并小批量試驗(yàn)驗(yàn)證。使用沖天爐與工頻爐雙聯(lián)熔煉，澆注包澆注，最后澆注30 mm試棒。

沖天爐內(nèi)調(diào)整原鐵水中錳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)在0.4%～0.5%，硫控制在0.04%，然后原鐵水在工頻爐保溫精煉，出鐵后在出鐵槽內(nèi)加入質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.4%的稀土鈣鋇進(jìn)行孕育處理。出鐵后進(jìn)行澆注試棒和鑄件，同時工頻爐內(nèi)鐵水進(jìn)行增硫處理使原鐵水中硫達(dá)到0.06%左右，然后繼續(xù)保溫精煉，出鐵孕育。我們根據(jù)控制錳質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.47%，分別對硫進(jìn)行0.04%、0.06%和0.08%調(diào)整處理后總共澆注3包鐵水，分別對試棒的抗拉強(qiáng)度和硬度進(jìn)行檢測，檢測結(jié)果如表5所示。

表5 不同硫錳質(zhì)量分?jǐn)?shù)試驗(yàn)結(jié)果

試驗(yàn)數(shù)據(jù)基本上驗(yàn)證了正交試驗(yàn)的結(jié)果，當(dāng)錳穩(wěn)定控制在0.47%的時候，隨著硫從0.04%增加到0.08%的過程中30 mm試棒檢測強(qiáng)度在逐漸下將，而硬度有一定的提高。

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 錳對鐵水質(zhì)量的影響

錳一直被作為合金化元素，在鑄造生產(chǎn)過程中得到廣泛的應(yīng)用。但是，錳又是穩(wěn)定碳化物，阻礙石墨化的元素[1]。通過試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，錳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)從0.3%增加到0.9%過程中并沒有增加灰鑄鐵材質(zhì)的強(qiáng)度，反而是下降的。同時通過查閱資料發(fā)現(xiàn)，一汽鑄造有限公司也曾經(jīng)做過相關(guān)對比試驗(yàn)。隨著錳的提高，材料強(qiáng)度反而降低[2]與我們所做的試驗(yàn)結(jié)果非常吻合。

所以，根據(jù)生產(chǎn)成本和力學(xué)性能結(jié)合鐵水流動和致密性考慮，選擇合適的錳含量非常重要，在汽車缸體缸蓋生產(chǎn)過程中我們建議錳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)控制在0.3%～0.5%.錳太低鑄件流動性下降，鐵水易氧化，而且隨著對鑄件的后續(xù)跟蹤我們發(fā)現(xiàn)鑄件的硬度也是有所下降的。錳含量太高不僅對鑄件的性能沒有提高反而浪費(fèi)成本。

3.2 硫?qū)﹁F水質(zhì)量的影響

硫，是一種曾經(jīng)在國內(nèi)引起廣泛爭議的元素之一，過去常常被認(rèn)為硫是有害元素，但是后來人們漸漸發(fā)現(xiàn)硫在灰鐵材質(zhì)中也是有一些積極作用的。

目前，國內(nèi)外一些鑄造專家認(rèn)為高硫（0.08%～0.12%）可以促使灰鐵材質(zhì)中片狀石墨鈍化、彎曲，而且高硫有利于保證鐵水的流動性和促進(jìn)孕育效果。但是硫是僅次于氧元素的活潑的元素，較高的硫在鐵水中無法穩(wěn)定存在，硫會和其他金屬元素相結(jié)合形成相對穩(wěn)定的硫化物夾雜。

3.3 錳硫相互作用的影響

硫在灰鑄鐵中，往往是因?yàn)殄i的存在所以才使硫的積極作用表現(xiàn)出來。硫在高溫鐵水中非常親錳，兩者反應(yīng)形成固體MnS彌散分布在鐵水中，隨著鐵水孕育、澆注進(jìn)入鑄型，這些彌散分布的固體MnS就可以成為非自發(fā)形核的核心，促使鐵水快速非自發(fā)形核從而達(dá)到一定的提高鑄鐵強(qiáng)度的作用。

硫并不是在任何時候都是越高越好，相反在低錳的情況，高硫反而會使鑄件的致密性下降。而且，太高的硫不利于成本的控制和獲得穩(wěn)定的鑄件材質(zhì)性能，但是硫太低鐵水易發(fā)生氧化。試驗(yàn)證實(shí)，在低錳的情況下，硫含量在0.04%～0.07%范圍，灰鐵材質(zhì)的性能比較穩(wěn)定。

4 結(jié)論

1）試驗(yàn)證實(shí)，錳硫?qū)?qiáng)度影響相對較大，隨著錳、硫質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加灰鐵強(qiáng)度出現(xiàn)了較大幅度的下降，錳對灰鐵強(qiáng)度的影響大于硫，但是對硬度影響較小。

2）在柴油機(jī)缸體缸蓋生產(chǎn)過程中為了獲得穩(wěn)定高強(qiáng)度灰鐵材質(zhì)，建議錳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)控制在0.3%～0.5%，硫的質(zhì)量分?jǐn)?shù)控制在0.04%～0.07%范圍較為合適。

［1］中國工程機(jī)械工程學(xué)會鑄造分會.鑄造手冊［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2002.

［2］逄偉.HT300高強(qiáng)度缸體缸蓋材料熔煉技術(shù)研究［J］.現(xiàn)代鑄鐵，2010（S1）：26-32.