铬钼铜磷大型气缸套石墨细化工艺研究

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摘要：大型厚壁气缸套由于其内孔大、壁厚且外形复杂，组织中的石墨常过于粗大。这一方面会降低缸套的抗拉强度，另一方面粗大石墨易在缸套服役过程中成为裂纹源，增大缸套在大负荷、强震动下的开裂倾向。扬州五亭桥缸套有限公司用离心铸造生产的直径190～250mm的铬钼铜磷大型气缸套，组织中的石墨过于粗大。为了提升产品的质量和性能，该厂组织力量，结合多年的气缸套生产经验对其石墨细化问题进行了专项研究。通过调整孕育处理工艺和冷却过程，成功地将石墨等级由3～4级提升为4～5级。

关键词：大型气缸套 离心铸造 石墨细化 孕育处理 控制冷却

扬州五亭桥缸套有限公司用离心铸造生产的直径190～250mm的铬钼铜磷大型气缸套，组织中的石墨过于粗大。为了提升产品的质量和性能，必须要将石墨细化。该厂组织力量，结合多年的气缸套生产经验对其进行了专项研究。

1 粗大石墨的成因

该厂生产的该型气缸套，其材质是合金铸铁，合金元素主要含铬钼铜磷。其碳含量在铁碳相图中位于亚共晶铸铁的范围。从材料学上来说，石墨粗大是冷却速度过慢造成的。冷却速度越慢，形核率越低，且石墨处在高温下的时间长，长大时间也长。值得提出的是，大型厚壁缸套由于尺寸大，内部冷却速度难免过慢，因而造成石墨粗大。但离心铸造生产的气缸套，还有一个石墨最易粗化的部位。在离心铸造过程中，铁水总是沿着浇注槽流向模具，铁水落下的点被称为落水点，该部位在离心铸造过程中最后凝固，温度也始终最高，冷却最慢，因此石墨最易粗化。因此对该部位的石墨尺寸控制在整个工艺研究中至关重要。

2 解决方法

2.1 调整孕育处理。孕育处理不但可以促进石墨化，且可以增大石墨在凝固过程中的形核率，而提高形核率可以细化组织。因此可通过在浇注收尾时加大孕育剂添加量来改善石墨粗大的问题。通常在大套浇注过程中均使用随流孕育方式。但往往在实际操作时，铁水还没浇注完，孕育剂就已经加完。这对落水点部位的石墨细化很不利。因此要严格保证在整个浇注过程中孕育剂始终都在随流添加。而且要在浇注收尾前适当加大孕育剂添加量，以增大落水点部位的孕育剂浓度，提高该部位的石墨形核率，细化石墨。

2.2 控制冷却速度的工艺调整。根据铁碳平衡相图，亚共晶铸铁随着铁水温度的降低，实际温度首先到达液相线，从液相中析出奥氏体。这一过程并不析出石墨，所以这一阶段的过冷度对白口化的影响不大，但温度不宜下降到共晶点以下。当温度继续下降，到达共晶点时，发生共晶转变，同时从液相中析出奥氏体和石墨，且在这个过程中，石墨是领先相。这个过程对石墨化尤为重要，控制石墨化主要在此阶段进行。若铁水在此过程的过冷度很大，则铸铁不按平衡相图凝固，而是按照Fe-Fe3C相图凝固，此时发生白口化。

共晶转变完成后，所有液相凝固完毕。此时铸铁进入奥氏体和石墨的两相区。温度继续降低，从共晶点到共析点这一阶段，对白口化的影响不大，因为一次石墨已经析出。但这个温度范围的冷却速度对石墨尺寸的影响却很大。控制石墨尺寸主要在这一阶段进行。若要得到细小石墨，则该过程的冷却须尽可能快，以减少石墨长大时间。当温度继续下降，到达共析点时，发生共析转变，在过冷度不太大时，奥氏体转变成珠光体。

将上述过程简单总结一下可分为三个阶段，首先是铁水凝固点到共晶点这一段温度范围，析出单相奥氏体;其次是共晶点到共析点这一温度范围，先析出奥氏体和石墨的共晶，然后共晶产物温度降低;在共析点到室温这一段，首先发生共析转变，然后共析产物和其它相冷却。又因为有其它合金元素的存在，实际凝固过程比灰铸铁的要复杂一点，会析出除上述相之外的一些其他相。这些析出相对石墨尺寸不起主导作用，而对强度、微观缩孔等有影响。

由上可知，对工艺进行调整需要知道三个关键温度点，分别是熔点、共晶点、共析点。利用专门设计的小实验和计算工具对这三个关键温度点进行了测量和推算。然后调整现有工艺。在熔点以上要快冷，此时铁水处于液相或液相和奥氏体两相状态。过冷度大一点，可使共晶转变的形核率增大，使析出的石墨更细小，但又考虑到此阶段是浮渣阶段，冷速过快会使渣浮不到内壁，成为夹渣，因此这一段的冷速要适中。

在温度刚降到共晶点以下时，立刻减缓冷却速度，以避免析出渗碳体。稍作停留，待共晶转变完成后，再次加快冷却速度，迅速降到共析点以下，不让析出的一次石墨有较长时间长大。然后在共析点稍作停留，减缓冷却速度，让奥氏体发生珠光体转变，其后出模。值得提出的是，石墨长大过程在较高的温度范围均会发生，只不过因温度的高低，有速率差别而已。若出模温度较高，还应将毛坯分散空冷或吹风加速冷却，使其较快地降到室温，避免石墨长大过多。当然这里也要避免出模后的毛坯降温过快而使硬度超出规定的范围。

3 生产验证

根据之前的分析确定了工艺调整的方向，经过数次摸索调整之后，逐渐确定了合适的工艺制度。在接下来几个班次生产的产品中，石墨等级由3～4级提升为4～5级。

参考文献：

[1]邹广明.离心铸造湿式气缸套耐磨性试验[J].内燃机配件，1999（02）.

[2]凌汉光.离心铸造汽缸套的质量问题[J].热加工工艺，1986（01）.

[3]林汉光.离心浇注大型气缸套工艺总结[J].武汉造船，1974（Z1）.

作者简介：

盛举（1984-），男，江苏扬州人，扬州五亭桥缸套有限公司铸造分厂副厂长，助理工程师，研究方向：材料学;俞秋景（1983-），男，江苏扬州人，项目主管，初级工程师，研究方向：材料学。