嚴(yán)繼斌

摘要：在離心鑄造氣缸套的生產(chǎn)中，由于低碳當(dāng)量和較大過冷度，組織中會(huì)出現(xiàn)D型石墨，根據(jù)D型石墨的生成條件，從鐵水成分﹑生鐵組織﹑過熱溫度﹑孕育處理﹑快速冷卻等方面分析了D型石墨的生成原因，闡述了D型石墨對(duì)氣缸套的影響，并提出了生產(chǎn)中防止D型石墨產(chǎn)生的工藝措施。

Abstract： In the production of centrifugal cast cylinder liner， due to low carbon equivalent and large supercooling degree， D-type graphite will appear in the structure.? According to the formation conditions of D-type graphite， the formation reasons of D-type graphite are analyzed from the aspects of molten iron composition， pig iron structure， overheat temperature， inoculation treatment， rapid cooling， etc.， the influence of D-type graphite on the cylinder sleeve is described， and the technological measures to prevent the production of D-type graphite are put forward.

關(guān)鍵詞：氣缸套;D型石墨;碳當(dāng)量;過冷度

Key words： cylinder liner;D type graphite;carbon equivalent;degree of super-cooling

0? 引言

船用柴油機(jī)的氣缸套，由于工作時(shí)直接與高溫高壓燃?xì)饨佑|，在惡烈的工況條件下，既要承受機(jī)械應(yīng)力和熱應(yīng)力的作用，又要承受冷卻介質(zhì)的腐蝕，因此對(duì)氣缸套的內(nèi)在質(zhì)量有較高的要求，規(guī)定氣缸套不僅具有較高的強(qiáng)度和耐磨性，同時(shí)要有耐腐蝕和抗疲勞性能。要求氣缸套金相組織中的石墨組織應(yīng)為細(xì)片狀A(yù)型石墨，不允許或限制其他類型存在。在離心鑄造氣缸套的生產(chǎn)中，因其工藝特性常會(huì)出現(xiàn)D型石墨，人們通常認(rèn)為D型石墨是有害的類型，會(huì)影響鑄鐵機(jī)械性能下降，但對(duì)其產(chǎn)生的原因﹑如何影響機(jī)械性能，未作進(jìn)一步的研究。從氣缸套的生產(chǎn)出發(fā)，本文對(duì)D型石墨的生成及對(duì)氣缸套的影響進(jìn)行了研究。

1? 生產(chǎn)條件

氣缸套采用金屬型離心鑄造的方法生產(chǎn)，這樣能獲得組織致密﹑性能優(yōu)良的鑄件。熔煉設(shè)備采用0.5T中頻感應(yīng)電爐，易于分析控制成分。氣缸套的材料為高強(qiáng)度合金灰鑄鐵，鐵水為亞共晶成分CE%=3.6～4.3%，常用合金微量元素有V、Cu、B、Mo、Cr、Nb、Ni、Ti等。生產(chǎn)中生鐵廢鋼加入爐中熔煉，調(diào)整成分合格，達(dá)到出爐溫度后，經(jīng)過孕育處理，澆入高速運(yùn)轉(zhuǎn)的金屬模具中，待鐵水結(jié)晶凝固后脫模，完成毛坯生產(chǎn)。從毛坯本體切取環(huán)片，在斷口處觀察金相組織。

2? D型石墨的特征及生成條件

GB7216—87對(duì)灰鑄鐵石墨形態(tài)進(jìn)行了分類說明，指出了D型石墨的基本特征：D型石墨為點(diǎn)﹑片狀枝晶間石墨，呈無向性分布。灰鑄鐵的D型石墨，又稱為“過冷石墨”，是在成核條件較差（如碳當(dāng)量低），冷卻速度快，較大過冷度的情況下形成的。在結(jié)晶溫度下，石墨在較大的過冷度下成長，鐵液首先結(jié)晶出發(fā)達(dá)的初生奧氏體，剩余的鐵液在初生奧氏體枝晶間快速共晶生長，形成許多細(xì)小的無一定排列方向的石墨核心，這些石墨核心進(jìn)行微小生長，成點(diǎn)﹑片狀分布。這種細(xì)小的D型石墨常在較高牌號(hào)（碳當(dāng)量低）﹑壁薄（冷卻較快）的灰鑄鐵鑄件中出現(xiàn)。

3? D型石墨的生成原因

3.1 低碳當(dāng)量鐵水成分

氣缸套較高強(qiáng)度和耐磨性的條件要求，使灰鑄鐵化學(xué)成分偏向于低碳當(dāng)量（亞共晶鑄鐵），在低碳當(dāng)量成分條件下，鐵水中預(yù)埋石墨結(jié)晶核心減少，石墨成核能力差，過冷度也有所加大，石墨只能是在初晶奧氏體枝晶內(nèi)共晶形成和長大，生成D型石墨的傾向加大。而且碳當(dāng)量越低，這種傾向越大。為獲得更好的強(qiáng)度和耐磨性，加入一定的微量元素是比較好的途徑，添加微量合金元素，有利于碳化物的形成，改善組織，提高耐磨性，但同時(shí)部分合金元素的反石墨化作用，也阻礙石墨的析出和生長，而且提高了過冷度，為D型石墨的形成創(chuàng)造了條件。為防止D型石墨的產(chǎn)生，獲得理想的鐵水質(zhì)量，低碳當(dāng)量選擇適當(dāng)?shù)蔫F水成分，要注意碳﹑硅的配比Si/C，硅是促進(jìn)石墨化的元素，Si/C較低時(shí)，促進(jìn)石墨化的能力弱，容易形成E型石墨，同時(shí)會(huì)出現(xiàn)白口組織，Si/C過高時(shí)，促進(jìn)石墨化的能力增強(qiáng)，石墨核心增多，容易形成D型石墨。恰當(dāng)?shù)奶缉p硅量，可以提高灰鑄鐵的機(jī)械性能，同時(shí)也是良好孕育處理的前提。生產(chǎn)氣缸套時(shí)，C為3.0%，Si/C在0.7～0.75，是比較理想的結(jié)果。

3.2 生鐵的組織遺傳

爐料的組織遺傳是客觀存在的，尤其是生鐵。生鐵是生產(chǎn)灰鑄鐵的主要原材料，生產(chǎn)中使用較多。在生鐵冶煉生產(chǎn)過程中，出爐溫度低及爐內(nèi)成分的不均勻，為D型石墨的生成提供了條件。在灰鑄鐵熔煉過程中，由于石墨的熔點(diǎn)比較高，要改變生鐵組織中原有的石墨形態(tài)，獲得理想的A型石墨是比較困難的。在鐵水熔煉時(shí)，通過較高的熔煉溫度可以改善石墨的形態(tài)，但仍有部分的石墨會(huì)以原始狀態(tài)的形態(tài)D型石墨存在下來，從而遺傳到灰鑄鐵的組織中。

3.3 過熱溫度與保溫時(shí)間

在灰鑄鐵熔煉過程中，可以通過提高鐵水熔煉溫度和靜置保溫來達(dá)到凈化鐵水的目的。同時(shí)，對(duì)改變生鐵原始石墨形態(tài)，消除D型石墨也有好處。但較高的過熱溫度，使碳處于燒損狀態(tài)，妨礙了游離碳的聚集。從鐵水的成核能力來說，無疑是減少了鐵水中原有的預(yù)存石墨結(jié)晶核心，成核能力下降。如果過熱溫度太高，則過冷度增大，同時(shí)也加大了D型石墨的生成傾向。所以，熔煉鐵水過熱溫度不宜太高，在靜置相當(dāng)?shù)臅r(shí)間即可出爐。在生產(chǎn)中，推薦過熱溫度為1450℃～1500℃，過熱時(shí)間不超過5min。

3.4 孕育處理

鐵水出爐后，澆注之前，把孕育劑以適當(dāng)?shù)姆绞教砑拥借F水中進(jìn)行孕育處理。生產(chǎn)中75SiFe是比較常用的孕育劑。孕育處理的作用是不言而喻的，可以細(xì)化晶粒﹑細(xì)化組織，對(duì)鑄鐵的力學(xué)性能和使用性能有顯著的改善。鐵水經(jīng)過過熱處理，碳元素出現(xiàn)燒損，伴隨而來必然是成核能力的下降，通過孕育劑的加入，Si含量提高，加大了異質(zhì)晶核的數(shù)量，石墨化的能力增強(qiáng)，增加了鐵水本身缺乏的石墨形成基底，從而降低了石墨共晶凝固的過冷度，破壞了D型石墨的形成條件，有效地消除組織中的D型石墨，對(duì)石墨形態(tài)發(fā)生積極的影響，值得注意的是，生產(chǎn)中應(yīng)防止孕育衰退的出現(xiàn)，孕育衰退會(huì)導(dǎo)致鑄鐵的白口傾向增加。除了加入量和孕育處理后的保持時(shí)間影響孕育效果以外，孕育劑的顆粒度也對(duì)孕育衰退作用有明顯的影響。因此，孕育劑的顆粒度也要合理地選定，常規(guī)下顆粒度在8～10mm即可滿足生產(chǎn)要求。

另外，瞬時(shí)孕育和復(fù)合孕育工藝也被人們所重視，越來越廣泛地應(yīng)用在實(shí)際生產(chǎn)中。

3.5 冷卻速度和過冷度

氣缸套采用金屬模離心鑄造的的方法制造，鐵水澆注進(jìn)入旋轉(zhuǎn)的金屬模中，在離心力的作用下結(jié)晶凝固，由于鐵水直接接觸金屬模，冷卻速度極快，過冷度較大，容易形成過冷石墨。為追求更加致密的鑄造組織，有些企業(yè)甚至采用水冷金屬模的方式來提高冷卻速度，這樣就更加大了過冷石墨的形成，極易導(dǎo)致白口。為盡量避免這種情況的出現(xiàn)，在離心鑄造的生產(chǎn)工藝上有必要對(duì)鐵水的澆注溫度、澆注速度、金屬模的預(yù)熱溫度、水冷時(shí)間、脫模溫度等工藝參數(shù)進(jìn)行控制。

通常情況下，澆注溫度：1320℃，澆注速度約：15kg/s，金屬模的預(yù)熱溫度：200℃，水冷時(shí)間視冷卻效果確定，脫模溫度：800℃。

4? D型石墨對(duì)氣缸套的影響

金屬模離心鑄造氣缸套時(shí)，金屬型大大提高了凝固速度，增大了過冷度，在氣缸套的金相組織中，比較容易出現(xiàn)D型石墨。由于D型石墨的存在，其不同于A型片狀石墨的形態(tài)、大小和數(shù)量，也會(huì)對(duì)氣缸套的力學(xué)性能和使用性能產(chǎn)生影響。

灰鑄鐵中組織中，石墨的存在對(duì)基體造成縮減和切割作用，使鑄鐵金屬基體受到削弱，表現(xiàn)為灰鑄鐵的強(qiáng)度大大降低。

從形態(tài)上來看，D型石墨為點(diǎn)﹑片狀枝晶間石墨，呈無向性分布，同時(shí)D型石墨的片狀比A型石墨細(xì)小，而且鈍邊，不容易引起較大的應(yīng)力集中，比A型石墨對(duì)基體的切割作用要小得多，相對(duì)于A型石墨，組織中石墨為D型的灰鑄鐵抗拉強(qiáng)度比較高，在國外，高強(qiáng)度的D型石墨灰鑄鐵也得到了應(yīng)用。那么D型石墨的存在是不是要優(yōu)于A型石墨，而不加以限制呢？其實(shí)不然。有關(guān)文獻(xiàn)說明，D型石墨和A型石墨鑄鐵有著不同的強(qiáng)化機(jī)理，A型石墨提高鑄件性能的途徑主要是通過細(xì)化共晶團(tuán)，而D型石墨組織強(qiáng)化的途徑是對(duì)奧氏體骨架網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)進(jìn)行固溶強(qiáng)化，A型石墨和D型石墨混合共存時(shí)強(qiáng)化機(jī)制得不到充分發(fā)揮，反而使灰鑄鐵的強(qiáng)度降低。另外，鑄態(tài)組織中出現(xiàn)D型過冷石墨，同時(shí)伴生多量鐵素體，而鐵素體增多降低了鑄件的硬度，增大了咬合磨損，降低了耐磨性，從而降低材料的力學(xué)性能。

從石墨的大小來看，D型石墨相對(duì)于A型石墨更加細(xì)小，潤滑油的貯存能力較弱，對(duì)氣缸套的耐磨性的影響也是不利。

因此，從氣缸套材料的力學(xué)性能和使用性能來講，對(duì)以A型石墨組織為主的氣缸套，在金相組織中對(duì)D型石墨的含量進(jìn)行控制是很有必要的。

5? 結(jié)論

①金屬模離心鑄造氣缸套，灰鑄鐵組織中會(huì)產(chǎn)生D石墨。

②D型石墨的存在，對(duì)氣缸套的抗拉強(qiáng)度和耐磨性有影響，對(duì)其在鑄鐵組織中的含量必須加以限制。

③在氣缸套的生產(chǎn)過程中，通過采取一些工藝措施，可以減少或消除D型石墨，獲得力學(xué)性能和使用性能良好的氣缸套。

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