(武漢船舶職業(yè)技術(shù)學院,湖北武漢 430050)
在特殊的工況條件下,高強度鑄鐵的應(yīng)用正在普及,合金化是獲得高強度特殊性能要求鑄鐵的有效途徑。硼鑄鐵是最近應(yīng)用發(fā)展較快的一種新型的耐磨材料,較多應(yīng)用于柴油機氣缸套等零件,為了生產(chǎn)的需要,作者研究了硼對高強度灰鑄鐵氣缸套力學性能的影響。
用于試驗的鑄件是G03型氣缸套,毛坯重量300 kg。采用500 kg中頻爐熔煉,電爐出水溫度>1 450 ℃,澆注溫度>1 300 ℃。鑄型轉(zhuǎn)速>800 rpm。凃?qū)雍穸?.5~3.5 mm。 凃料成分見表1。
表1 凃料成分(%)
在滿足氣缸套高強度要求的情況下,控制碳當量CE在一定范圍內(nèi),研究硼含量在0.01%~0.10%范圍內(nèi)變化時對抗拉強度和硬度的影響。
依據(jù)化學成分要求,以生鐵、廢鋼、回爐料、硅鐵(75SiFe)、錳鐵(65MnFe)和硼鐵(20BFe)為原材料,經(jīng)計算配比后,在GWT-0.5型中頻感應(yīng)電爐內(nèi)熔化。
抗拉強度測定:爐前化驗成分合格后,采用包底孕育法進行孕育處理,再澆注拉伸試棒,每組3根,經(jīng)機加工制成Φ20×225 mm拉伸試棒,使用萬能拉伸試驗機ZDM-30t進行拉伸試驗,測定并計算每組3根試棒拉伸強度的平均值,作為試驗數(shù)據(jù)。
硬度的測定:在氣缸套本體距上端面50~80 mm范圍內(nèi)截取環(huán)片,磨平后使用布氏硬度機HB3000在環(huán)片橫截面上打出3個壓痕,查表得出硬度值,試驗結(jié)果均取3次測試的平均值作為試驗數(shù)據(jù)。
試驗結(jié)果測試的數(shù)據(jù)如表2所示。
表2 試驗鐵液化學成分及力學性能
硼的溶點比較低,在鑄鐵組織中是以硼碳化物的形式存在,呈孤立小塊狀分布,固溶于珠光體基體組織中,是一種硬質(zhì)相。硼是強烈的碳化物形成元素,只要在鑄鐵組織中加0.02%的B,就開始析出含硼碳化物,存在磷含量的情況下,硼碳化物與磷共晶交錯生成特殊斯氏體,同樣以硬質(zhì)相的形式固溶于基體組織中。
硼含量與抗拉強度的關(guān)系如圖1所示。
圖1 硼含量與抗拉強度關(guān)系
從圖1中可以看出,隨著含硼量的變化,對抗拉強度的影響呈現(xiàn)先升后降的趨勢,在B=0.01%~0.06%時,試樣抗拉強度呈上升的趨勢,在含硼量為0.06%時抗拉強度達到最高點σb=295MPa,隨硼含量繼續(xù)增加,在B=0.06%~0.10%時,抗拉強度反而呈下降的趨勢。這是因為硼是阻礙石墨化的元素,雖然影響不是很明顯,但仍起到一定作用。在硼鑄鐵中,隨著含硼量的增加,石墨片變短、變細,分散度增加,仍可得到A型、B型石墨,且分布均勻,它減少了對基體的割裂作用,珠光體片間距減小,也強化了基體,抗拉強度隨含硼量增加而增大。同時,由于含硼碳化物是一種脆性相,當B>0.06%以后,較多含硼碳化物的出現(xiàn),使鑄鐵的抗拉強度下降。從硼鑄鐵氣缸套的高強度要求來講,在生產(chǎn)硼鑄鐵氣缸套時,硼含量在0.02%~0.08%范圍內(nèi)時,抗拉強度比較合適。
從圖2中可以看出,隨著含硼量的增加,氣缸套環(huán)片的硬度呈現(xiàn)上升的趨勢,HB=210~270。這是由于硼在鑄鐵組織中是以硼碳化物的形式存在,而硼碳化物是一種硬質(zhì)相,固溶于珠光體基體組織中,呈孤立小塊狀分布。不僅使試樣橫截面上硬度分布均勻,而且使壁厚、壁薄試樣硬度偏差減小。隨著硼含量的增加,硼碳化物的數(shù)量增多,基體中硼碳化物的支撐作用加強。而硼碳化物的硬度很高,顯微硬度高達HV988~1206,使得鑄鐵的宏觀硬度隨之增大。在硬度增加的同時,機械加工性能顯著惡化,刀具磨損較快,給切削加工造成困難。因此,在硼鑄鐵氣缸套生產(chǎn)時,從機加工性能考慮,硼含量在0.03%~0.06%的范圍內(nèi)時,硬度HB=240~248,切削加工較為理想。
圖2 硼含量與硬度關(guān)系
硼在鑄鐵組織中是以硼碳化物的形式存在,隨著含硼量的增加,硼碳化物的數(shù)量增多,固溶于基體組織中,使基體中硼碳化物的支撐作用加強,磨損時硬度較高的硼碳化物支撐載荷,形成第一滑動面,硬度較低的基體形成第二滑動面,第二滑動面在磨損下形成的凹槽有儲油作用,保證硼碳化物不斷得到潤滑而減少磨損量,從而提高耐磨性。但是,當含硼量過高時,硼碳化物不再呈孤立小塊狀均勻分布,而是呈大塊狀或網(wǎng)狀分布,基體對它的支撐作用減弱,磨損時容易脫落,脫落后的硼碳化物成為磨粒,在滑動面上產(chǎn)生程度不同的犁削,從而加劇了磨損。因此,硼含量對鑄鐵耐磨性的影響不是越高越好。
硼鑄鐵中硼碳化物的數(shù)量隨硼含量的增加而增多,從而使鑄鐵的硬度提高,硬度越高,加工難度越大。同時,硼是阻礙石墨化的元素,因硼阻礙石墨化而使鑄件的白口傾向增大,在金屬模離心鑄造氣缸套,冷卻速度大時,常會出現(xiàn)D、 E型石墨,特別是E型石墨,使含硼碳化物呈枝晶狀分布,在鑄鐵組織中產(chǎn)生白口,加工性能惡化,造成切削困難。而且,硼含量越高,這種不確定性越大。
(1)硼鑄鐵具有良好的力學性能,是一種比較好的耐磨材料,適合生產(chǎn)柴油機氣缸套。
(2)生產(chǎn)硼鑄鐵氣缸套時,綜合考慮其性能要求和機械加工,硼含量在0.03%~0.06%范圍內(nèi)比較合適。