■ 張加中，戚娟娟，高金剛

“十二五”期間，我國(guó)內(nèi)燃機(jī)行業(yè)將應(yīng)對(duì)國(guó)內(nèi)外發(fā)展環(huán)境的重大變化，保持全行業(yè)經(jīng)濟(jì)效益的穩(wěn)定增長(zhǎng)，同時(shí)堅(jiān)決履行節(jié)能減排的重大社會(huì)責(zé)任。船舶大功率發(fā)動(dòng)機(jī)是主要的燃油消耗源和污染排放源，在全行業(yè)節(jié)能減排中將肩負(fù)重大的歷史責(zé)任和社會(huì)責(zé)任，同時(shí)船舶發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸套作為主要易損件，制造過(guò)程中消耗大量原材料和煤電能源。因此研發(fā)高強(qiáng)度、高耐磨性能的船舶發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸套，延長(zhǎng)氣缸套正常使用壽命具有重要意義。

一、合金鑄鐵與奧貝球墨鑄鐵的比較

目前，船舶發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸套材質(zhì)多采用磷銅鈦、釩鈦、鎳鉬銅等合金鑄鐵，熱處理選用滲氮處理，氣缸套抗拉強(qiáng)度為250～300MPa，硬度為230～290HBW，強(qiáng)度及耐磨性差，缸套使用壽命短，發(fā)動(dòng)機(jī)能耗高，排放超標(biāo)。

等溫淬火球墨鑄鐵是通過(guò)等溫淬火處理得到以?shī)W氏體、貝氏體組織為基體的球墨鑄鐵，也稱(chēng)之為奧貝球墨鑄鐵，簡(jiǎn)稱(chēng)ADI。奧貝球墨鑄鐵具有以下優(yōu)點(diǎn)：①?gòu)?qiáng)度高，韌性好。②耐磨性、抗磨性好。③減震性好。④成本低、具有較好的經(jīng)濟(jì)性能。

鑒于上述優(yōu)點(diǎn)，奧貝球墨鑄鐵越來(lái)越廣泛地被應(yīng)用于發(fā)動(dòng)機(jī)零部件上，如果奧貝球墨鑄鐵材質(zhì)被應(yīng)用于船舶發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸套上，將極大地提高船舶發(fā)動(dòng)機(jī)耐磨性及使用壽命，降低船舶發(fā)動(dòng)機(jī)的燃油消耗，減低發(fā)動(dòng)機(jī)廢氣污染物的排放。

二、熱加工工藝選擇

奧貝球墨鑄鐵的熱加工工藝過(guò)程分為鑄造和熱處理兩個(gè)部分。在鑄造過(guò)程中主要控制：鑄鐵的成分、熔煉與澆注溫度、球化與孕育工藝；熱處理主要控制的參數(shù)是：奧氏體化溫度、等溫淬火的溫度和時(shí)間等。

1. 化學(xué)成分的選擇

化學(xué)成分的選擇是獲得奧貝球墨鑄鐵的一個(gè)重要因素，有關(guān)文獻(xiàn)推薦的化學(xué)成分見(jiàn)附表。

奧貝球墨鑄鐵各組成元素的作用及其對(duì)力學(xué)性能的影響如下。

（1）碳是石墨化形成元素，具有穩(wěn)定奧氏體、阻礙貝氏體轉(zhuǎn)變的作用，球墨鑄鐵中碳高可阻礙滲碳體的析出。

（2）硅在球墨鑄鐵中可以促進(jìn)石墨化，隨著硅量增加，石墨球徑細(xì)小，鐵素體量增加，從而提高球墨鑄鐵的力學(xué)性能，硅本身是負(fù)偏析元素，對(duì)基體有強(qiáng)化作用，在等溫淬火時(shí)可抑制碳化物的形成。

（3）錳是很容易偏析的元素，常在晶界大量富集，使共晶團(tuán)邊界出現(xiàn)游離滲碳體和馬氏體，嚴(yán)重惡化力學(xué)性能，一般控制錳在wMn≤0.35%。

（4）磷很容易偏析，一般含磷量接近0.1%就會(huì)出現(xiàn)2%～3%的磷共晶，磷對(duì)等溫淬火球墨鑄鐵有明顯的脆化作用。

奧貝球墨鑄鐵化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)） （%）

（5）硫在球墨鑄鐵中與球化元素有很強(qiáng)的化合能力，生成硫化物和硫氧化物，不僅消耗球化劑，造成球化不穩(wěn)定，而且還使夾雜物數(shù)量增多，球化衰退速度加快。熔煉過(guò)程中硫一般從增碳劑中攝入，過(guò)程控制是盡可能降低原材料中硫含量的同時(shí)采取爐前脫硫措施，當(dāng)原鐵液中的wS＞0.02%時(shí)，必須采用脫硫處理。

（6）銅能有效抑制等溫轉(zhuǎn)變時(shí)的碳化物的形成，所以能顯著提高等溫淬火球墨鑄鐵的塑性和韌性，適當(dāng)增加銅含量可以提高鑄件的淬硬性。

（7）鎳可以輕微降低其抗拉強(qiáng)度，但可以顯著提高塑性和韌性，適當(dāng)增加鎳含量可以提高鑄件的淬硬性。

（8）鉬是一種具有很強(qiáng)淬透性的元素?？梢宰璧K珠光體的轉(zhuǎn)變，而不阻礙針狀鐵素體的轉(zhuǎn)變；與鎳有相反的偏析方式，因此不產(chǎn)生大塊晶間碳化物的條件下能使基體顯微硬度達(dá)到比較好的平衡。

2. 熔煉及澆注工藝

奧貝球墨鑄鐵的熔煉和澆注按以下步驟進(jìn)行。

（1）熔煉配料 各組成成分按如下的重量百分比配料：wC＝3.3%～3.8%，wSi＝2.3%～2.8%，wMn≤0.35%，wP≤0.02%，wS≤0.03%，wCu＝0.3%～0.6%，wNi＝0.4%～0.7%，wMo≤0.5%，wMg＝0.03%～0.06%，wRE＝0.01%～0.04%，其余為Fe。

（2）熔煉設(shè)備 采用中頻感應(yīng)電爐熔煉，鐵液出爐溫度為1460～1490℃。

（3）球化和孕育 采用沖入法進(jìn)行球化，球化處理后溫度為1430～1450℃。球化劑采用QRMg8RE5（JB/T9228—1999），加入量為1.2%～1.3%，孕育劑為75SiFe，加入量為1.4%。75SiF分兩次加入，第一次與球化劑同時(shí)加入包底，加入量為1.0%，第二次是在處理完后在鐵液面上加入，加入量為0.4%。

（4）采用金屬型離心澆注，按常規(guī)球墨鑄鐵澆注方法生產(chǎn)氣缸套鑄件。

3. 熱處理工藝

奧貝球墨鑄鐵船舶發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸套熱處理包括奧氏體化和等溫淬火，具體方法如下。

（1）將氣缸套半成品加熱至845～870℃，保溫1.6h，使組織完全奧氏體化。奧氏體化升溫和保溫在箱式電阻爐中進(jìn)行，用溫度控制器控制溫度，溫度波動(dòng)在±3℃以內(nèi)。

（2）等溫淬火溫度控制在285～315℃，放置在鹽浴中等溫保持1.8h，然后取出空冷。采用硝鹽浴處理（成分為50%NaNO3+50%KNO3）。采用溫度控制器自動(dòng)控制溫度和水銀溫度計(jì)人工控溫的雙重控溫方法。溫度波動(dòng)在±5℃以內(nèi)。

需要注意的是，隨著奧氏體化溫度的提高，會(huì)引起奧氏體中C的溶解度增加，減慢貝氏體轉(zhuǎn)變速度，阻礙貝氏體的形成，殘留奧氏體將增多；同時(shí)奧氏體化溫度提高，會(huì)使奧氏體晶粒粗大，導(dǎo)致等溫轉(zhuǎn)變形成的貝氏體粗大。因此，在保證完全奧氏體化的前提下，應(yīng)適當(dāng)降低奧氏體化溫度。

三、結(jié)語(yǔ)

奧貝球墨鑄鐵船舶發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸套材質(zhì)的基體組織是貝氏體加殘留奧氏體，石墨形狀主要呈球狀，余為少量團(tuán)狀和極少團(tuán)絮狀。氣缸套的抗拉強(qiáng)度＞900MPa，表面硬度為290～350HBW。

奧貝球墨鑄鐵氣缸套強(qiáng)度、韌性及耐磨性遠(yuǎn)高于各種合金鑄鐵材質(zhì)，高于貝氏體灰鑄鐵和普通球墨鑄鐵材質(zhì)。奧貝球墨鑄鐵氣缸套工作表面具有自潤(rùn)滑性，減磨、抗磨，使用過(guò)程中不斷產(chǎn)生自硬層，不斷提高強(qiáng)度和耐磨性，同時(shí)具有減震性能，可降低噪聲，減輕穴蝕，生產(chǎn)的氣缸套使用壽命長(zhǎng)，發(fā)動(dòng)機(jī)能耗及排放低。