缸体、缸盖用高强度灰铸铁生产技术

缸体、缸盖是汽车中尺寸大、形状复杂、技术要求高的零件,缸体、缸盖铸件的质量综合反映了铸造厂的工艺技术水平、管理水平和人员素质。现在汽车设计上力求降低单位功率重量,降低燃油消耗,提高使用的经济性,因此,缸体、缸盖等铸件在保证强度、刚度的前提下,力求减小壁厚,降低重量。与此同时,对这类铸件在尺寸精度、表面粗糙度、内腔清洁度、材料性能、内在质量、材料均匀性与尺寸稳定性等方面提出一系列的要求[1]。如要求材料:有足够强度、刚度和致密性;要求材料轻量化,有尽量高的功率比;形状准确,尺寸精度高;铸件内外表面光洁;有良好的加工性能等。

1原材料质量控制

原材料质量取决于原材料中的微量元素含量。铸铁中的微量元素主要来自生铁和废钢,生铁一定要用高品质的生铁,废钢一定要用碳素钢,严禁混入合金钢。由于生铁的加入量较大,生铁质量的好坏对铸件质量产生重要影响。我国好的生铁产自本溪矿脉。但由于资源有限,现在生产的生铁中加入了一部分其他矿石,某些微量元素的含量比以前高了许多。由于微量元素累积到一定程度会使铸铁产生不良的石墨组织并影响基体组织,有时候产生的影响是致命的,因此有必要了解各种微量元素的特点。微量元素的影响可分为三大方面,一是对石墨的影响,如铅会严重恶化石墨形态;二是对基体组织的影响,如钒会促进产生大量的索氏体,恶化切削性能;三是对夹杂物的影响,如钛可形成钛化物颗粒,对切削性能产生影响。

2高强度灰铸铁的熔炼

2.1熔炼方式的选择

因铁水中碳的获得方式不同,会对石墨的形态和分布产生根本影响。获得高品质的石墨是生产高品质灰铸铁关键的技术。一切工艺措施都应该围绕这个目标。国产化的灰铸铁材质与国外的主要差距表现为石墨形态,产生这种差距有许多深层次的原因,根本的原因是铁水中碳的获得方式不同。碳的获得方式有两种,一种是通过多加生铁获得;另一种是通过铁水渗碳获得。这两种方式对灰铸铁的性能都产生巨大的影响,即同样的铁水化学成分,性能会相差1～2个牌号。铁水中的碳如果是通过渗碳获得,则石墨的形态好,分布均匀,大小适中;铁水中的碳如果是通过多加生铁获得,则石墨的形态差,常会产生一些粗大的石墨,也就是所说的生铁遗传性。

2.2熔炼温度控制

在相同条件下铁液温度对质量有很大的影响。铁液温度的提高,主要受益的是铁液纯净度改变,同时也改变了组织结构。但并非温度越高越好,温度过高,烧损也严重,C及Si的高浓度微区也会减少,容易形成枝晶骨架和异型石墨,所以铁液应保留部分过饱和的氧,有利孕育效果的加强,一般控制在1500～1550℃出炉为宜。

3铁水浇注温度和冷却速度

控制浇注温度,一方面是保留有好的充型性,更重要是使铁液在型内的均匀性提高,以降低冷却速度、减少过冷度、尽量使型内铁液冷却一致,从而达到组织均匀和硬度均匀的要求,也是提高铸铁品质系数(即相对强度与相对硬度之比)的重要措施。缸体、缸盖零件的浇注温度规定为1380～1440℃(快速热电偶测温),浇注温度过高收缩增加,容易产生缩孔与缩松,温度过低,则容易产生夹杂、气孔等缺陷,使铸件内部组织的不均匀性增加。

4高强度灰铸铁的合金化

合金化的主要作用是提高铸件材质的强度和硬度。但合金化对石墨形态也是有影响的,许多人忽视了这方面的影响。铜是生产灰铸铁常加入的合金元素,主要原因是由于铜熔点低,易熔解,合金化效果好,不增加铁水的白口倾向。因此,许多人认为多加铜不会产生危害性。但这种观点是错误的。铜的适宜加入量为0.2%～0.4%。大量地加铜,同时又加入锡和铬的做法对切削性能是有害的,它会促使基体组织中产生大量的索氏体组织。钛在铁水中与氮、碳的亲合力强,容易形成氮化钛或碳化钛颗粒,一定数量的氮化钛或碳化钛颗粒分散分布在基体中,可提高缸体的耐磨性,但钛化物数量过多,对加工性能不利,尤其是对精镗、珩磨危害性大,因此必须加以限制。控制钛的含量,一般是将钛含量控制在工艺要求的下限,即0.03%～0.05%。钛含量过多,会使石墨过冷,容易产生大量E型过冷石墨,所以钛含量一定要控制在下限,并采取有效的孕育措施,消除过冷石墨的影响。钛的烧损严重,往铁水中直接加入钛铁时,钛的吸收率不稳定,成分难以控制,所以应将其做成中间合金加入到铁水中。

5高强度灰铸铁的孕育技术

近几年,我们国家开发了多种以75SiFe为基础的孕育剂,满足了不同类型铸件特别是薄壁高强度灰铸铁件的要求:

(1) 含钡孕育剂。钡在改善铸件壁厚敏感性和提高抗衰退能力方面有显著效果,即具有长效性。

(2) 含稀土孕育剂。少量稀土能提高孕育效果,有显著减小白口倾向的作用,减慢衰退速度。但加入量不宜过大,否则会使白口倾向增大。如与钙、钡复合使用,则其白口倾向减小,过冷石墨减少,具有长效功能,是生产薄壁高强度灰铸铁较好的孕育剂。

(3) 含锶孕育剂。能使厚断面出现的缩孔、缩松减少,薄断面能显著消除白口,衰退慢。

(4) 含锆孕育剂。加锆可提高抗衰退能力,有利于消除铸件中的气孔,减小白口倾向。

不同的孕育剂有其不同的特点和应用场合。对于壁厚不均匀高强度灰铸铁件,诸如缸体和缸盖,传统的孕育剂已不能满足要求。这些复合孕育剂在克服断面敏感性、改善石墨类型、提高强度等方面均有相当的效果。

6结论

铸造是制造业的重要基础,灰铸铁件在机械产品中占有相当大的比重,展望21世纪,铸造业必将经历迅速的发展。开展多学科的综合研究,积极推进铸铁高强化、薄壁化技术,是实现绿色集约化铸造的重要组成部分。在对铸铁材质质量产生重大影响的五大方面的因素中,铸铁熔炼技术、原材料质量、铸型冷却速度对铸铁材质产生的影响是根本的。如果材质方面产生的差距是由这几方面的因素造成的,要想通过合金化工艺和孕育技术来弥补,有时是不可能的。所以,在缸体、缸盖等零件的铸造生产中,必须提高和完善熔炼技术、原材料质量等方面的控制,同时也必须注重新的合金元素、新型孕育剂及孕育工艺的研究和开发。