畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）-發(fā)動(dòng)機(jī)箱體鑄造工藝設(shè)計(jì)

前言1．1課題背景發(fā)動(dòng)機(jī)箱體的鑄件是發(fā)動(dòng)機(jī)生產(chǎn)中難度最大、最重要的一環(huán),其質(zhì)量對發(fā)動(dòng)機(jī)的功率、油耗等性能起著決定性的作用。通過對國內(nèi)外發(fā)動(dòng)機(jī)箱體鑄造生產(chǎn)中的材質(zhì),熔煉工藝,及鑄造工藝進(jìn)行討論,為提高我國發(fā)動(dòng)機(jī)箱體的鑄造工藝水平積累一點(diǎn)有用的資料,為有關(guān)箱體鑄造生產(chǎn)廠在技術(shù)改造時(shí)提供一些有益的參考。1發(fā)動(dòng)機(jī)箱體箱蓋的特點(diǎn)目前汽車發(fā)動(dòng)機(jī)在設(shè)計(jì)上不僅要求降低單位功率質(zhì)量,減小噪音,還要控制燃油消耗,減少尾氣排放,而箱體的鑄造工藝水平對發(fā)動(dòng)機(jī)的這些性能有著重要的影響。由此可見,發(fā)動(dòng)機(jī)箱體鑄件具有以下幾個(gè)特點(diǎn)。1)質(zhì)量輕,強(qiáng)度高。當(dāng)前發(fā)動(dòng)機(jī)用材正由傳統(tǒng)的鑄鐵材料向輕型鋁鎂合金轉(zhuǎn)變,對箱體鑄件結(jié)構(gòu)的要求也不斷提高。2)結(jié)構(gòu)復(fù)雜。在箱體上,除有特殊形狀的配氣燃燒室外,有進(jìn)氣道、排氣道,還有冷卻水套、潤滑油道等,內(nèi)腔形狀復(fù)雜多變,同時(shí)由于發(fā)動(dòng)機(jī)裝配的需要,其外形結(jié)構(gòu)也十分復(fù)雜。3)形狀準(zhǔn)確,尺寸精度高。發(fā)動(dòng)機(jī)輸出功率的大小與燃燒室及進(jìn)排氣道的形狀和大小關(guān)系大,鑄件超出設(shè)計(jì)狀態(tài)lmm,動(dòng)力性能將降低10%左右[1]。但另一方面，鑄件的合金種類和結(jié)構(gòu)類型不同。生產(chǎn)工藝裝備和組織形式不同，其生產(chǎn)的關(guān)鍵技術(shù)和技術(shù)難點(diǎn)也是各不相同的，更何況箱體箱蓋鑄件又屬于典型的薄壁、復(fù)雜、多芯且結(jié)構(gòu)鑄造工藝性很差的難制造鑄件。而且還都必須滿足高強(qiáng)度、高精度、不滲漏、易切削、抗熱疲勞等一系列很高的技術(shù)要求。在鑄造生產(chǎn)過程中極易產(chǎn)生10多種足以導(dǎo)致鑄件報(bào)廢的鑄造缺陷。因此，箱體鑄件也被稱為“鑄造之花”[l]。隨著中國的改革開放和加入WTO，國外大汽車公司紛紛在中國投資建廠，引進(jìn)了多種汽車及發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)品，在一定程度上促進(jìn)了中國汽車工業(yè)的發(fā)展。設(shè)計(jì)生產(chǎn)的新型汽油機(jī)箱體為中國當(dāng)前大力發(fā)展的、具有自主知識產(chǎn)權(quán)的汽車產(chǎn)業(yè)邁出重要的一步。1．2箱體鑄件國內(nèi)外研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢發(fā)動(dòng)機(jī)類鑄件的生產(chǎn)屬大批量、專業(yè)化流水生產(chǎn)性質(zhì)，一般年生產(chǎn)綱領(lǐng)，少則上萬件，多則幾千萬件。產(chǎn)品結(jié)構(gòu)復(fù)雜，鑄造難度大，相應(yīng)生產(chǎn)工序多、工藝裝備的要求也高，如發(fā)動(dòng)機(jī)箱體等鑄件，既有復(fù)雜的內(nèi)腔和外形結(jié)構(gòu)，又要求薄壁及高度精確的毛坯尺寸。產(chǎn)品的材質(zhì)性能要求嚴(yán)格，并且種類繁多，如排氣管要求良好的耐熱性能；缸套、活塞環(huán)等又要求嚴(yán)格的耐磨性能和熱穩(wěn)定性能等等。因此，人們普遍認(rèn)為，發(fā)動(dòng)機(jī)類鑄件的生產(chǎn)水平一定程度上代表了這個(gè)國家的鑄造生產(chǎn)水平，也反映出這個(gè)國家這類機(jī)械產(chǎn)品的性能和質(zhì)量。1．2．1國外發(fā)動(dòng)機(jī)箱體鑄造技術(shù)生產(chǎn)狀況到目前為止，在材質(zhì)的選擇上，車用發(fā)動(dòng)機(jī)箱體箱蓋的材質(zhì)主要有灰鑄鐵，鋁合金，蠕墨鑄鐵等。隨著發(fā)動(dòng)機(jī)朝著大功率、環(huán)保方向的發(fā)展，灰鑄鐵的牌號越來越高，現(xiàn)在運(yùn)用普遍的是HT250，而HT300也已應(yīng)用于箱體的生產(chǎn)，個(gè)別產(chǎn)品性能要求達(dá)到HT350。在鑄鐵的熔煉上，為確保鑄件獲得良好的金相組織、穩(wěn)定的力學(xué)性能和滿足壁薄(3～5mm)、結(jié)構(gòu)復(fù)雜鑄件的澆注要求，要求鐵液具有穩(wěn)定的化學(xué)成份，較高的出爐溫度和需要對氧化渣、氣體含量進(jìn)行嚴(yán)格的控制。國外主要運(yùn)用熱風(fēng)沖天爐、沖天爐與感應(yīng)電爐雙聯(lián)熔煉，爐前配備快速金相和熱分析儀，同時(shí)還配備直讀光譜儀等設(shè)備。在孕育上普遍采用復(fù)合孕育，以提高鑄件的綜合性能。在造型上主要運(yùn)用氣沖造型線(如GF線、BMD線)及靜壓造型線(如KW線、HWS線)、負(fù)壓加砂加壓實(shí)(如KW)造型線等等。從目前來看，發(fā)動(dòng)機(jī)類鑄件的生產(chǎn)宜采用自動(dòng)化程度高的氣沖線或靜壓線的較多。制芯方面，在歐美較多采用以冷芯盒為主(曲軸箱、端面芯等均為冷芯盒)，配以殼芯；而日本更多采用殼芯。以呋喃樹脂為粘結(jié)劑的熱芯盒砂芯，因芯砂流動(dòng)性差、芯子表面疏松等原因，已逐漸被冷芯盒砂芯和殼芯所取代。為保證鑄件表面質(zhì)量和內(nèi)腔清潔度，要采用拋丸、機(jī)械磨削及手工清鏟等進(jìn)行清理，采用高水壓(10～12MPa)清潔箱體內(nèi)腔。1．2．2我國發(fā)動(dòng)機(jī)箱體鑄件的生產(chǎn)狀況近年來，我國鑄造行業(yè)的生產(chǎn)技術(shù)及裝備水平有了長足的進(jìn)步，產(chǎn)品品種及產(chǎn)量基本上已能滿足國民經(jīng)濟(jì)各個(gè)行業(yè)發(fā)展的需求，鑄件出口量也不斷增長。鑄件的材質(zhì)大多為HT250。為得到較好的金相組織和力學(xué)性能、防滲漏性能以及加工性能，合金成分設(shè)計(jì)上，多采用高碳當(dāng)量(CE=3．9"--'4．05％)，低合金化的原則。為獲得連續(xù)穩(wěn)定的高質(zhì)量鐵液，多采用沖天爐與感應(yīng)電爐雙聯(lián)熔煉工藝，澆注溫度一般在1400"-1450。C。采用爐前和隨流二次孕育的孕育方法對鑄件性能的穩(wěn)定也起到重要的作用。以氣沖、靜壓造型線為代表的各類高壓造型的自動(dòng)化造型線已在發(fā)動(dòng)機(jī)生產(chǎn)企業(yè)里得到廣泛的應(yīng)用，此外，垂直和水平分型的高壓、射壓、擠壓等先進(jìn)的造型工藝和裝備的應(yīng)用也大大提高了我國內(nèi)燃機(jī)箱體等薄壁高強(qiáng)度鑄件的尺寸精度和表面質(zhì)量。在制芯方面，冷芯盒法制芯發(fā)展速度加快，其優(yōu)點(diǎn)凸顯，高強(qiáng)度、低膨脹、高潰散性覆膜砂受到更多的關(guān)注并開始大量生產(chǎn)與使用。在清理方面，由于箱體鑄件內(nèi)腔復(fù)雜，難以清理，壁厚也容易變化，故采用機(jī)械手程序控制拋丸角度和時(shí)間取得了較好的效果，受到了更多的認(rèn)同。此外國內(nèi)自行開發(fā)的無余量精鑄技術(shù)、新型的澆注系統(tǒng)過濾網(wǎng)技術(shù)等等也均有效地提高了鑄件的內(nèi)、外質(zhì)量和生產(chǎn)效率。高科技的測試技術(shù)和計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)、計(jì)算機(jī)輔助管理以及計(jì)算機(jī)自動(dòng)控制等技術(shù)的推廣應(yīng)用使鑄造行業(yè)技術(shù)上了一個(gè)新臺階。近幾年來，行業(yè)內(nèi)直讀光譜儀、熱分析儀、三坐標(biāo)測量儀已得到了普遍的應(yīng)用，大大提高了測試分析的精度；計(jì)算機(jī)輔助的鑄件設(shè)計(jì)、澆注系統(tǒng)設(shè)計(jì)、鑄造生產(chǎn)管理和生產(chǎn)過程數(shù)據(jù)自動(dòng)處理等等提高了工作效率和管理水平；由PC機(jī)控制的各類機(jī)械手或機(jī)器人在熱、臟、累的工序里解放了一部分鑄造工人的繁重體力勞動(dòng)。1．3灰鑄鐵箱體材料的發(fā)展1．3．1箱體材料要求發(fā)動(dòng)機(jī)是汽車的心臟，而箱體是發(fā)動(dòng)機(jī)的骨架和外殼。在箱體內(nèi)外安裝著發(fā)動(dòng)機(jī)主要零部件，其尺寸較大，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，壁厚較薄又很不均勻(最薄處僅為3mm'"5ram)。箱體在工作中承受氣壓力的拉伸和氣壓力與慣性力聯(lián)合作用下的傾覆力矩的扭轉(zhuǎn)和彎曲以及螺栓預(yù)緊力的綜合作用。在這些大小、方向變化的力和力矩作用下、使機(jī)體產(chǎn)生橫向和縱向的變形，變形超過許用值時(shí)將影響與機(jī)座相聯(lián)零部件的可靠性和工作能力，尤其是活塞、連桿等零件的工作可靠性和耐磨性會受到嚴(yán)重影響，并導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)不能正常工作。因此，要求氣箱體材料具有良好的綜合性能，即應(yīng)具有良好的強(qiáng)韌性、導(dǎo)熱性、耐磨性、耐蝕性、加工工藝性能和經(jīng)濟(jì)性。另外，對材料的再循環(huán)應(yīng)用性及減少對環(huán)境的影響也是需要考慮的重要方面[21]。箱體常用的材料有灰鐵和鋁合金兩種。鋁合金的密度小，重量輕，但剛度差、強(qiáng)度低及價(jià)格貴。所以除了某些發(fā)動(dòng)機(jī)為了減輕重量而采用外，一般用灰鑄鐵作為箱體材料。1．3．2灰鑄鐵箱體材料目前，世界鑄鐵件的生產(chǎn)狀況和趨勢是：灰鑄鐵件的比例明顯下降，但仍占優(yōu)勢；球墨鑄鐵件的產(chǎn)量持續(xù)增長，而蠕墨鑄鐵和特種鑄鐵也有了較大的發(fā)展[3][4]。盡管在目前汽車輕量化發(fā)展趨勢下，鑄鐵件受到鋁合金鑄件等強(qiáng)有力的挑戰(zhàn)，但是，由于鑄鐵的缺口敏感性、減震性及耐磨性等優(yōu)良性能是其他材料不可取代的，而且生產(chǎn)方便，價(jià)格便宜，因此在工業(yè)領(lǐng)域中依然具有十分明顯的優(yōu)勢，是制造復(fù)雜形狀零件的首選材料?；诣T鐵由于具有良好的鑄造工藝性能和機(jī)械性能，優(yōu)越的耐磨性、減震性和導(dǎo)熱性，而且生產(chǎn)方便，價(jià)格便宜，在很多工業(yè)領(lǐng)域的鐵系零件中被選定為復(fù)雜形狀零件的首選材料，特別是交通運(yùn)輸行業(yè)用作制造發(fā)動(dòng)機(jī)的材料。鑄鐵鑄件一般占各類鑄件總產(chǎn)量的75％以上；而灰鑄鐵件產(chǎn)量又占鑄鐵件總產(chǎn)量的75％以上。由于市場的激烈競爭，對鑄鐵材質(zhì)的要求越來越高，隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步和對節(jié)能要求的提高，于是能提高性能、減輕重量、降低能耗及降低成本的高強(qiáng)度薄壁灰鑄鐵件就成為國內(nèi)外研究者們進(jìn)行研究的一項(xiàng)重要內(nèi)容，并在汽車發(fā)動(dòng)機(jī)等薄壁復(fù)雜件生產(chǎn)中得到廣泛的應(yīng)用[15]。1．3．3灰鑄鐵的組織和幾種合金元素的影響過去半個(gè)世紀(jì)中，灰鑄鐵的熔煉和孕育處理有了很大的進(jìn)步，對于鑄鐵的合金化、生核和凝固以及固態(tài)的相變都作了不少研究。在材料科學(xué)日新月異的今天，灰鑄鐵仍能做為一種結(jié)構(gòu)材料而具有相當(dāng)?shù)母偁幠芰?，是與這些研究工作分不開的。目前，許多重要的機(jī)器零件，如機(jī)床床身、內(nèi)燃機(jī)箱體、殼體、壓縮機(jī)箱體和液壓閥等，都是灰鑄鐵制成的。當(dāng)然，對灰鑄鐵性能的要求也越來越高了。既要保證強(qiáng)度高，又要有良好的加工性能和厚、薄截面組織的一致性；還要求鑄鐵的剛度高，鑄件尺寸穩(wěn)定[6][7][1]。1．3．3．1高牌號灰鑄鐵的目標(biāo)金相顯微組織灰鑄鐵的強(qiáng)度和綜合質(zhì)量，決定于其最終的顯微組織，生產(chǎn)高牌號灰鑄鐵件，控制其顯微組織的目標(biāo)，大致有以下幾方面[8]：(1)有較多的初生奧氏體枝狀晶；(2)無游離滲碳體和晶間滲碳體；(3)石墨細(xì)小而且是A型；(4)珠光體細(xì)??；(5)基體組織95％以上為珠光體，游離鐵素體不多于5％。1．3．3．2灰鑄鐵中片狀石墨的分類由于凝固條件不同(指化學(xué)成分、冷卻速度、形核能力等)，灰鑄鐵中的片狀石墨可出現(xiàn)不同的分布及尺寸。GB7216—87把灰鑄鐵的石墨分為6種，各型石墨的分類原則及形成條件見表1．1。表1-1各型石墨的分類原則及形成條件[9]

1．致密結(jié)晶狀石墨

致密結(jié)晶狀石墨又叫塊狀石墨。此類石墨結(jié)晶明顯晶體肉眼可見。顆粒直徑大于0．1毫米。晶體排列雜亂無章，呈致密塊狀構(gòu)造。這種：石墨的特點(diǎn)是品位很高，一般含碳量為60~65％，有時(shí)達(dá)80~98％，但其可塑性和滑膩性不

如鱗片石墨好。

2．鱗片石墨

石墨晶體呈鱗片狀；這是在高強(qiáng)度的壓力下變質(zhì)而成的，有大鱗片和細(xì)鱗片之分。此類石墨礦石的特點(diǎn)是品位不高，一般在2~3％，或100~25％之間。是自然界中可浮性最好的礦石之一，經(jīng)過多磨多選可得高品位石墨精礦。這類石墨的可浮性、潤滑性、可塑性均比其他類型石墨優(yōu)越；因此它的工業(yè)價(jià)值最大。

3．隱晶質(zhì)石墨

隱品質(zhì)石墨又稱非晶質(zhì)石墨或土狀石墨，這種石墨的晶體直徑一般小于1微米，是微晶石墨的集合體，只有在電子顯微鏡下才能見到晶形。此類石墨的特點(diǎn)是表面呈土狀，缺乏光澤，潤滑性也差。品位較高。一般的60~80％。少數(shù)高達(dá)90％以上。礦石可選性較差。

石墨由于其特殊結(jié)構(gòu)，而具有如下特殊性質(zhì)：

1）

耐高溫型：石墨的熔點(diǎn)為3850±50℃，沸點(diǎn)為4250℃，即使經(jīng)超高溫電弧灼燒，重量的損失很小，熱膨脹系數(shù)也很小。石墨強(qiáng)度隨溫度提高而加強(qiáng)，在2000

2）

導(dǎo)電、導(dǎo)熱性：石墨的導(dǎo)電性比一般非金屬礦高一百倍。導(dǎo)熱性超過鋼、鐵、鉛等金屬材料。導(dǎo)熱系數(shù)隨溫度升高而降低，甚至在極高的溫度下，石墨成絕熱體。

3）

潤滑性：石墨的潤滑性能取決于石墨鱗片的大小，鱗片越大，摩擦系數(shù)越小，潤滑性能越好。

4）

化學(xué)穩(wěn)定性：石墨在常溫下有良好的化學(xué)穩(wěn)定性，能耐酸、耐堿和耐有機(jī)溶劑的腐蝕。

5）

可塑性：石墨的韌性好，可年成很薄的薄片。

6）

抗熱震性：石墨在常溫下使用時(shí)能經(jīng)受住溫度的劇烈變化而不致破壞，溫度突變時(shí)，石墨的體積變化不大，不會產(chǎn)生裂紋。

名字來源：源于希臘文“graphein”，意為“用來寫”。由德國化學(xué)家和礦物學(xué)家A.

G.

Werner

于1789命名；

化學(xué)組成：成分純凈者極少，往往含各種雜質(zhì)；

類別：自然元素-非金屬元素-碳族

晶系和空間群：六方晶系，P63/mmm；

晶胞參數(shù):a0=0.246nm，c0=0.670nm；

形態(tài)：單晶體常呈片狀或板狀，但完整的很少見。集合體通常為鱗片狀，塊狀和土狀；

顏色：鐵黑色；

條痕：光亮黑色

透明度：不透明

光澤：呈半金屬光澤

硬度：1-2

解理和斷口：平行解理極完全；

比重：2.21-2.26g/cm3

其他性質(zhì)：薄片具撓性，有滑感，易污手，具有良好的導(dǎo)電性；

鑒定特征鐵黑色，硬度低，一組極完全解理，有滑感和染手；

成因和產(chǎn)狀：石墨是在高溫下形成。分布最廣是石墨的變質(zhì)礦床，系由富含有機(jī)質(zhì)或碳質(zhì)的沉積巖經(jīng)區(qū)域變質(zhì)作用而成；

主要用途：石墨在工業(yè)上用途很廣，用于制作冶煉上的高溫坩堝、機(jī)械工業(yè)的潤滑劑、制作電極和鉛筆芯；廣泛用于冶金工業(yè)的高級耐火材料與涂料、軍事工業(yè)火工材料安定劑、輕工業(yè)的鉛筆芯、電氣工業(yè)的碳刷、電池工業(yè)的電極、化肥工業(yè)催化劑等。鱗片石墨經(jīng)過深加工，又可生產(chǎn)出石墨乳、石墨密封材料與復(fù)合材料、石墨制品、石墨減磨添加劑等高新技術(shù)產(chǎn)品，成為各個(gè)工業(yè)部門的重要非金屬礦物原料。

石墨新用途:

隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，人們對石墨也開發(fā)了許多新用途。

柔性石墨制品。柔性石墨又稱膨脹石墨，是年{BANNED}發(fā)的一種新的石墨制品。

年美國研究成功柔性石墨密封材料，解決了原子能閥門泄漏問題，隨后德、日、法也開始研制生產(chǎn)。這種產(chǎn)品除具有天然石墨所具有的特性外，還具有特殊的柔性和彈性。

因此，是一種理想的密封材料。廣泛用于石油化工、原子能等工業(yè)領(lǐng)域。國際市場需求量逐年增長。

著名產(chǎn)地：紐約Ticonderoga，馬達(dá)加斯加和Ceylon，我國以黑龍江雞西市柳毛為最大的產(chǎn)地。1．3．3．3灰鑄鐵中常用的合金元素灰鑄鐵中所加的合金元素一般分為珠光體穩(wěn)定元素，石墨化元素，滲碳體穩(wěn)定元素和細(xì)化珠光體的元素?；诣T鐵中加入合金元素來提高強(qiáng)度的主要機(jī)理表現(xiàn)在：增加并細(xì)化珠光體；細(xì)化石墨和共晶團(tuán)；提高滲碳體的熱穩(wěn)定性，防止珠光體在高溫下分解，提高鑄鐵的熱穩(wěn)定性；生成碳化物等硬度相。各元素的具體作用見表1．2。一般說來，硫是有害元素。但對灰鑄鐵來講，含少量硫?qū)τ谑纳撕凸簿F(tuán)的細(xì)化都有非常重要的作用。所以，灰鑄鐵中的含硫量不宜低于0．06％，最好保持在0．06％～0．08％之間。含硫量太高(>0．18％)，則各種有害作用都會顯現(xiàn)，損害鑄件的質(zhì)量。硫是化學(xué)活性強(qiáng)的元素，在鑄鐵中含錳量很低時(shí)，硫與鐵生成化合物FeS(熔點(diǎn)193℃)，也與鐵和碳形成低熔點(diǎn)的共晶體(含碳0．17％，硫31．7％，其余為鐵，熔點(diǎn)975℃)。Fe可以完全溶解于鐵液中。鐵液凝固時(shí)，硫或FeS在奧氏體和滲碳體的固溶度很小，逐漸富集于剩余的液相中，最后以硫化物的形式析出，鑄鐵中含硫量為0．02％時(shí)，即可出現(xiàn)獨(dú)立的硫化物。在灰鑄鐵中，硫與錳的親和力比其與鐵的親和力大得多，下式表述的反應(yīng)中，Mn+FeS=MnS+Fe，MnS的形成是占優(yōu)勢的。MnS的熔點(diǎn)為l620"12，在灰鑄鐵中，MnS是細(xì)小而無害的藍(lán)灰色夾雜物，散亂的分布在金屬基體中，而且有助于改善鑄鐵的加工性能、提高工具的壽命。硫以FeS或三元共晶存在時(shí)，在鑄鐵凝固過程中，偏析于共晶團(tuán)界面的液相中，阻礙共晶團(tuán)的成長，偏析于共晶團(tuán)邊界上的FeS或三元共晶，又會使鑄鐵力學(xué)性能低下，脆性大。這就是硫的有害作用。如果鑄鐵中加有足夠量的錳以抑制FeS的產(chǎn)生，并形成細(xì)小而分散的硫化物夾雜，硫就會在石墨的生核和成長中起積極而有益的作用。為使石墨片的形態(tài)令人滿意，灰鑄鐵中硫的最低含量應(yīng)是0．06％。含硫量低于此值，鑄鐵中石墨片的分布狀況就不好[1l表1．2各合金元素在鑄鐵中的具體作用1．3．3．4合金元素細(xì)化珠光體的作用合金元素最重要的影響，是其對奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)橹楣怏w、貝氏體和馬氏體的動(dòng)力過程的影響，從熱處理的角度來看，就是合金元素對可淬硬度的影響。連續(xù)冷卻時(shí)，可淬硬性增強(qiáng)表現(xiàn)為將奧氏體轉(zhuǎn)變的起始點(diǎn)推遲到較低的溫度。在較低的溫度下形成的珠光體較細(xì)，強(qiáng)度和硬度也都較高。合金元素的具體影響見表1-3。表1．3灰鑄鐵中合金元素對金相組織的影響作用[12]1．3．4國內(nèi)外箱體生產(chǎn)中灰鑄鐵材質(zhì)的選擇1．3．4．1化學(xué)成分的選擇根據(jù)鑄鐵牌號要求即機(jī)械性能的高低，應(yīng)使鑄件具有相應(yīng)的金相組織。金相組織取決于石墨的結(jié)晶過程，而共晶和共析轉(zhuǎn)變過程的石墨化又和鑄鐵的化學(xué)成分及冷卻速度等工藝因素有關(guān)?；诣T鐵中除C，Si，Mn，S，P五種常規(guī)元素外，還有隨爐料或熔煉過程進(jìn)入的微量元素和其它夾雜，為了獲取“高強(qiáng)、薄壁"的鑄件，生產(chǎn)廠家加入了一些合金元素如Ni，Cr，Cu，Sn，VMo等。所有這些元素對鑄鐵的結(jié)晶、組織及性能都有一定的影響和作用。(1)基本化學(xué)成分的選擇①碳含量與CE的選擇：采用高的碳當(dāng)量，可減小白口傾向及鑄件縮松、滲漏等缺陷，但同時(shí)會降低鑄件的力學(xué)性能。而對于發(fā)動(dòng)機(jī)箱體這樣薄壁復(fù)雜的鑄件，從鑄造性能考慮，一般都選擇較高的碳當(dāng)量[13]。為使箱體具有良好的鑄造性能與力學(xué)性能，一般選擇C=3．15％～3．3％，CE=3．95％～4．05％。②硅與Si／C值國內(nèi)對箱體生產(chǎn)中Si／C的控制問題爭論較大。陸文華[9]認(rèn)為在CE=4．O～4．2％，Si／C值由O．50增至O．90時(shí)，碳當(dāng)量對％值影響變化不大。劉佑平[14]認(rèn)為碳當(dāng)量對灰鑄鐵抗拉強(qiáng)度的影響比Si／C值大得多，試驗(yàn)證明隨著Si／C值由O．44增至0．79，在同一范圍的碳當(dāng)量下，06值變化不大。提高碳當(dāng)量，氣箱體的縮孔廢品會明顯減少；降低碳當(dāng)量，使用鑄造焦與增加廢鋼加入量，灰鐵的抗拉強(qiáng)度會明顯地提高。過高的Si／C比會導(dǎo)致石墨粗化，珠光體片間距增大，鐵素體含量也增加。當(dāng)Si／C>0．55，氣箱體縮孔廢品會增加，特別在低碳當(dāng)量的情況下，縮孔廢品增加得更多。對于采用較高碳當(dāng)量鐵液的箱體鑄件，采用高Si／C并不能提高力學(xué)性能，而且還可能由于高CE和高的Si／C雙重影響而使石墨粗大和珠光體量下降，從而使抗拉強(qiáng)度下降，其SI／C應(yīng)以0．6"0．7較為合適[15]。⑨錳對灰鑄鐵抗拉強(qiáng)度的影響錳是可以穩(wěn)定灰鑄鐵中滲碳體，促進(jìn)珠光體化的元素，但它會與硫形成MnS，促使鑄鐵石墨化。對于CE為3．95％"--4．15％的灰鑄鐵，其嘰值隨錳量的增加而有所提高，因?yàn)樘籍?dāng)量高，鑄鐵自身的石墨數(shù)多且粗，珠光體數(shù)量少，增加錳含量，石墨形貌變化不大，此時(shí)錳促使灰鑄鐵珠光體化的作用表現(xiàn)較強(qiáng)，故吼有所提高。所以，范曉明[l6]等認(rèn)為當(dāng)灰鑄鐵CE>3．95％時(shí)，Mn含量應(yīng)在0．6％--一0．8％為宜。④磷含量的選擇灰鑄鐵件的含磷量一般小于O．20％。當(dāng)P≤0．20％，隨著磷含量的增加，在鑄鐵中可以與Fe形成心P，灰鑄鐵的抗拉強(qiáng)度變化不大，而硬度會明顯提高而韌性顯著降低?；诣T鐵中磷含量過高，不僅鑄件切削加工困難，而且易產(chǎn)生縮松與開裂缺陷[14]。⑤含硫量及錳硫比對灰鑄鐵抗拉強(qiáng)度的影響硫在鑄鐵中有雙重作用，一方面它是強(qiáng)烈穩(wěn)定鑄鐵滲碳體元素，另一方面S與Mn形成MnS，會促使鑄鐵石墨化。在不同CE的情況下，以值均隨含硫量的增加而明顯提高，但當(dāng)含硫量超過某一臨界值時(shí)強(qiáng)度開始降低。對于CE為3．95％的灰鑄鐵，其臨界硫含量為0．14％。如采用電爐熔煉時(shí)，鐵水中的含硫量一般較低，高溫使大量石墨結(jié)晶核心燒損[17]，為確保常用孕育劑的孕育效果，灰鑄鐵中含硫量一般為0．05％--一0．06％。根據(jù)上述情況，灰鑄鐵的硫含量可為0．06％'-'0．15％。由于錳與硫在鑄鐵中有相互制約的作用，所以在選擇錳含量與硫含量時(shí)必須考慮Mn／S值。生產(chǎn)實(shí)踐表明，當(dāng)灰鑄鐵CE為3．96％,,4．05％時(shí)，Mn／S=5～7，抗拉強(qiáng)度較佳。⑥國內(nèi)部分廠家箱體基本化學(xué)成分的選擇胡家聰[15]推薦HT250氣箱體化學(xué)成分為(％)：C=3．15～3．35，Si=1．8～2．2，Mn=0．6"--0．8，P≤O．15，S=0．06％～0．15％與CE=3．95～4．05。北京吉普汽車有限公司[18]推薦選取C=3．15％～3．60％，Si=1．8％～2．4％，Mn=0．35～0．90％，S≤O．15％，P≤0．12％．。哈爾濱東安發(fā)動(dòng)機(jī)制造公司[19]選擇成分：C=3．O～3．5％，Si=1．8～2．5％，Mn=0．6％～0．9％，S<0．15％，P<0．15％。(2)合金化元素隨著汽油機(jī)向高轉(zhuǎn)速大功率方向發(fā)展，箱體的工作情況惡化，機(jī)械負(fù)荷加大，因此采用低合金灰鑄鐵制造，以提高箱體鑄件的機(jī)械性能與熱疲勞性能。常用的合金元素為促進(jìn)灰鑄鐵珠光體化元素，這些合金元素對灰鑄鐵石墨化能力、抗拉強(qiáng)度和硬度的影響見圖1．1，l一2所示。圖1．1合金元素對灰鑄鐵石墨化的影響圖1．2合金元素對灰鑄鐵硬度和％的影響由圖1．2知，當(dāng)合金元素加入量在1．0％以下時(shí)，提高灰鑄鐵抗拉強(qiáng)度的能力，由弱至強(qiáng)的順序排列：Ni，Cu，Cr,Mo，V。釩提高灰鑄鐵06的能力很大，但它能阻礙鑄鐵中C的石墨化，白口傾向很大，所以箱體用灰鑄鐵中一般不加入V。鉬與鎳的價(jià)格昂貴，考慮到成本，一般很少使用。一般用銅代替鎳，普遍加入鉻與銅生產(chǎn)灰鑄鐵箱體。錫、銅與鉻是強(qiáng)烈穩(wěn)定珠光體的元素，但對細(xì)化珠光體的作用很小。只有當(dāng)銅含量大于0．5％時(shí)灰鑄鐵的抗拉強(qiáng)度才有明顯的提高1141。加入0．2％"--0．3％鉻后，鑄鐵強(qiáng)度提高幅度較大，有利于增加珠光體量和改善石墨形態(tài)。當(dāng)含鉻量大于0．35％時(shí)，會使鑄件滲漏傾向明顯增加；含鉻量大于0．5％時(shí)，鑄件中易出現(xiàn)初生碳化物，影響機(jī)加工性能，故加鉻量以不超過0．35％為宜。實(shí)踐表明，當(dāng)鉻含量大于0．35％時(shí)，氣箱蓋螺孔搭子處會產(chǎn)生縮松，產(chǎn)生漏氣[l5]。兩種以上合金元素配合使用的效果要比用一種合金元素的效果好，如Cu能中和Cr、Mo的白口傾向?；诣T鐵中加入Cr,Cu與Mo等少量合金元素，鑄件的強(qiáng)度與熱疲勞性能有所提高，鑄件的壁厚敏感性有所減小，但鑄件的縮孔與縮松傾向增大，因此應(yīng)適當(dāng)提高碳含量與碳當(dāng)量。國內(nèi)發(fā)動(dòng)機(jī)箱體用灰鑄鐵的化學(xué)成分實(shí)例見表1-4。表1-4國內(nèi)發(fā)動(dòng)機(jī)箱體用灰鑄鐵[14][17][19](3)微量有害元素的控制在熔煉時(shí)，回爐料和生鐵中的廢鋼有時(shí)會含有Pb，Ti等元素，這些元素的存在會使鑄件中石墨惡化及產(chǎn)生縮松滲漏缺陷。有資料稱[20]，含Pb量達(dá)0．0008％，即可造成縮松滲漏，須注意使用的爐料中是否鍍有Pb材料，有須先行除去鍍層。此外，少量的Pb可在灰鑄鐵中出現(xiàn)魏氏組織石墨，嚴(yán)重降低強(qiáng)度。潘亮星等[l8]在4100QB生產(chǎn)中發(fā)現(xiàn)微量元素WTi>0．0435時(shí)，出現(xiàn)縮松的箱蓋占生產(chǎn)縮松箱蓋總數(shù)的75％左右，由此判斷Ti對縮松有較為直接的影響，并推薦使用WTi<0．08％的生鐵。此外影響縮松滲漏的微量元素還有Al，v等，它們都會增加鐵液的收縮傾向，要嚴(yán)格控制。1．3．4．2孕育處理在高碳當(dāng)量鐵液條件下，為提高灰鑄鐵的性能，控制鐵液質(zhì)量，進(jìn)行合理的孕育處理是必要的措施之一。有資料表明[21]，在高碳當(dāng)量條件下，尤其是生產(chǎn)薄壁高強(qiáng)灰鑄鐵件，使用復(fù)合型孕育劑是十分重要的。復(fù)合孕育劑含有相應(yīng)的石墨化元素如Re，A1，Ca，Ti等，以改善石墨形態(tài)、消除白口，增加并細(xì)化奧氏體枝晶。經(jīng)試驗(yàn)表明，在復(fù)合添加Cr等合金元素的同時(shí)添加RE(稀土類元素)，既能獲得相當(dāng)于蠕墨鑄鐵的抗拉強(qiáng)度，又能抑制激冷的發(fā)生，且也適合批量生產(chǎn)[2]。孕育也有副作用[23]。細(xì)化共晶團(tuán)的結(jié)果常常導(dǎo)致縮松的增加，由于孕育劑中含有鋁，孕育量過高也會目鐵水中含鋁量增加而產(chǎn)生針孔缺陷。孕育提高鑄鐵的成核程度，增加共晶團(tuán)的數(shù)目，導(dǎo)致凝固過程中作用在鑄型上的膨脹力增大，其結(jié)果可能使鑄件產(chǎn)生縮孔和縮松，因此在箱體生產(chǎn)中特別要注意控制孕育量。吳志忠等[24]試驗(yàn)比較了75SiFe，SiCa和SiCaBa系孕育劑對灰鑄鐵顯微組織均勻性的影響。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，改善斷面敏感性主要在于解決薄斷面(如壁厚5ram)的石墨化問題。含Ca，Ba的孕育劑有良好石墨化能力，可改善斷面敏感性和顯微組織的均勻性。范曉明等[25]試驗(yàn)得經(jīng)稀土復(fù)合孕育劑RCC處理的鐵液(CE=4．00"-'-4．20％，Si／C≈0．75，Cr=0．4％和Mo=O．4％)，可穩(wěn)定獲得HT250以上牌號的灰鑄鐵，且斷面均勻性好，白口傾向低。姜金文[26]以60％75SiFe+40％ReCaBa復(fù)合孕育、低合金化、CE=3．9--．．4．1％的試驗(yàn)鑄鐵，獲得了良好的顯微組織。萬仁芳認(rèn)為對于CE=4．0～4．2％的高碳當(dāng)量鐵水，Cr，Mo復(fù)合低合金化加入，用75FeSi孕育，可以獲得HT250鑄鐵，若用復(fù)合孕育劑孕育，可使鐵水穩(wěn)定獲得HT250牌號，且斷面均勻性好，熱沖擊、熱疲勞性能相應(yīng)提高；采用CE=4．1～4．2％的鐵水，以Mn代替部分Cr，Mo合金化，并用復(fù)合孕育劑孕育，同樣可以獲得HT250牌號鑄鐵。在實(shí)際應(yīng)用中，北京農(nóng)業(yè)工程大學(xué)和北京內(nèi)燃機(jī)總廠采用Re．Ba．Ca孕育處理，第一汽車制造廠和沈陽鑄造所采用cr．Sr．Si．Fe復(fù)合孕育處理，均取得良好效果。1．3．4．3優(yōu)質(zhì)鐵液的獲得保證高強(qiáng)度灰鑄鐵材質(zhì)性能的前提條件是獲得高溫優(yōu)質(zhì)鐵液[27]。建議使用沖天爐和工頻電爐雙聯(lián)熔煉，以獲得理想的鐵液質(zhì)量[28]。我國沖天爐很少有廠家采取高溫?zé)犸L(fēng)、富氧送風(fēng)等措施，對焦炭質(zhì)量不夠重視，灰分大，強(qiáng)度低，很少使用鑄造焦炭，只注重節(jié)焦，忽略熔煉溫度，較好的沖天爐鐵水出爐溫度只有1450℃左右，鐵水成分波動(dòng)范圍大。由于熔煉溫度低，很難消除生鐵中粗大石墨的遺傳性[29]。當(dāng)熔煉溫度在1450"-"1500℃時(shí)，Si02+2C斗Si+2CO個(gè)反應(yīng)才能進(jìn)行?？纱偈硅F水中非金屬夾雜物排出，鐵水得到凈化，含氧量降低，使孕育劑中的活性元素鈣、鋁等充分發(fā)揮成核作用。同時(shí)高溫澆注雖然能夠延緩鑄件凝固，促進(jìn)石墨化，并使型腔中的氣體和雜質(zhì)在凝固前上浮，但高溫促使石墨長粗，粗大石墨加劇對基體切割作用而使性能降低。此外鐵水收縮增加，促使鑄件內(nèi)部產(chǎn)生縮孔與縮松。因此出爐溫度應(yīng)在1480℃以上。BCIRA[此外爐料配比對鐵水的冶金特性也具有一定的影響。對合成鑄鐵的研究表明，合成鑄鐵由于提高了廢鋼的加入量，鐵水的冶金特性改善，從而能更好地發(fā)揮孕育處理的效果[30]。但是，文獻(xiàn)[3l]則認(rèn)為，提高爐料中生鐵的加入量，可以顯著地降低材料的硬度和收縮，從而避免縮孔等缺陷，改善切削加工性能。認(rèn)為爐料配比沒影響的觀點(diǎn)也有。如有報(bào)導(dǎo)[32]認(rèn)為，在電爐保溫條件下，廢鋼加入量對抗拉強(qiáng)度的影響不明顯，抗拉強(qiáng)度僅取決于CE的變化，而且爐料配比對灰鑄鐵的組織也沒有什么影響。1．4本課題研究的內(nèi)容確定合理的鑄造工藝參數(shù)和材質(zhì)的選擇就十分重要。本課題研究的主要內(nèi)容為：(1)設(shè)計(jì)合理的鑄造工藝。確定制芯，組芯，造型，材質(zhì)，熔煉，孕育，澆注的工藝方案，使之與現(xiàn)有的設(shè)備相匹配。(2)在鐵水成分和其它條件向近的情況下，分別改變鐵水中Cr，Sn，Cu的含量，研究三種元素的含量對箱體機(jī)械性能和金相組織的影響。2低合金灰鑄鐵箱體工藝簡介2．1生產(chǎn)設(shè)備及原材料2．1．1生產(chǎn)設(shè)備DFMA—AD型KW水平靜壓造型線：由士造型機(jī)，翻箱機(jī)、銑澆口機(jī)、鉆氣眼機(jī)、移箱機(jī)、臺箱機(jī)、鑄工小車、液壓站等組成；全線采用自動(dòng)化控制；采用氣流預(yù)緊實(shí)加高壓多觸頭壓實(shí)造型。生產(chǎn)率為105型／小時(shí)，壓實(shí)力1485KN，砂箱尺寸為1100x900x350ram。(2)中頻感應(yīng)保溫電爐：生產(chǎn)效率10t／h。(3)外水冷長爐齡大排距沖天爐：生產(chǎn)效率7t／h，曲線爐膛。(4)Q384D1雙行程吊鏈?zhǔn)綊佂枨謇砀Z。(5)瑞士SLS自動(dòng)澆注機(jī)。212原材料(1)生鐵，回爐料，廢鋼，鑄造焦，石灰石等。(2)75硅鐵孕育劑，粒度5．10mm。(3)鉻鐵、錫、銅。2．2結(jié)構(gòu)簡介本設(shè)計(jì)介紹的24L汽油機(jī)箱體為橫置自然吸氣，經(jīng)過近一年的試制，目前已經(jīng)滿足使用要求。臺架試驗(yàn)結(jié)果顯示，功率達(dá)到了100KW，扭矩為193Nm，機(jī)體的變形滿足使用要求。箱體毛坯：557Kg，單件箱體澆冒口重：186Kg。材質(zhì)為HT250，屬于典型的高強(qiáng)度薄壁復(fù)雜鑄件。其剖面圖及各個(gè)方向視圖如圖2．1，2-2所示。圖2．1發(fā)動(dòng)機(jī)整體視圖和箱體視圖圖2.2灰鑄鐵箱體個(gè)方向的視圖2．3材質(zhì)要求采用沖天爐一電爐雙聯(lián)熔煉，在保溫電爐中調(diào)整溫度和化學(xué)成分。采用75FeSi孕育，每包澆注起始溫度為1410～1430℃。(1)箱體化學(xué)成分要求(見表2．1)：表2．1箱體化學(xué)成分要求表2．2箱體機(jī)械性能和金相組織要求(見表2．2、表2．3)：表2．3箱體金相組織要求2．4造型及澆注系統(tǒng)設(shè)計(jì)2．4．1造型工藝采用德國KW公司生產(chǎn)的水平靜壓造型線。砂箱的尺寸為1lOOmm×900mmx350mm。生產(chǎn)線主要由主造型機(jī)，翻箱機(jī)、銑澆口機(jī)、鉆氣眼機(jī)、移箱機(jī)、合箱機(jī)、鑄工小車、液壓站等組成；全線采用自動(dòng)化控制，PLC為西門于s7—400。主要原理是采用氣流預(yù)緊實(shí)加高壓多觸頭壓實(shí)造型。生產(chǎn)率為105型／d,時(shí)，壓實(shí)力1485KN。。根據(jù)箱體的形狀及砂箱的尺寸，設(shè)計(jì)采用一箱兩件生產(chǎn)。箱體模樣在砂箱內(nèi)放置位置如圖2-3所示。圖2-3一箱兩件方案箱體模樣在砂箱中的位置2．4．2澆注系統(tǒng)根據(jù)鑄造工藝?yán)碚揫33][1]及鑄件的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，對于箱體類薄壁復(fù)雜鑄件，必須合理的設(shè)計(jì)澆注系統(tǒng)，以確保鐵水快速、平穩(wěn)的充型，可以有效地減少砂眼、氣孔、冷隔等鑄造缺陷。根據(jù)相關(guān)的資料研究‘35q8l，在箱體澆注系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案時(shí)，可以借鑒以下一些經(jīng)驗(yàn)。1．澆注系統(tǒng)按半開放半封閉原則設(shè)計(jì)為宜，必須具備一定的擋渣功能。這樣鐵液在充型時(shí)較平穩(wěn)，不會沖擊鑄型、產(chǎn)生飛濺或卷入氣體。內(nèi)澆道位置盡量避免直接沖擊型芯和型壁。2．盡量使鐵液流經(jīng)的整個(gè)通道在砂芯內(nèi)生成，而直澆道難免設(shè)置在外模的粘土砂中通過．這時(shí)可在直澆道與橫澆道相交處設(shè)置過濾器(一般用泡沫陶瓷質(zhì))。這樣可以過濾鐵液在直澆道內(nèi)可能沖刷下來的散砂，減少砂眼和渣眼。3要有合理的澆注速度。澆注太慢，鐵液上升太慢，上型受高溫時(shí)間長，容易開裂。澆注太快，型腔受沖擊力大，還易形成紊流。一般澆注系統(tǒng)截面8～10Kg／s為宜。根據(jù)以上的經(jīng)驗(yàn)研究和生產(chǎn)實(shí)際，設(shè)計(jì)的澆注系統(tǒng)如圖2-4所示。設(shè)計(jì)為封閉一開放式澆注系統(tǒng)，最小截面在直澆道下端，前半部為封閉式，使金屬液在澆杯及直澆道、集渣倉內(nèi)起擋渣作用。其后為開放式，使充型平穩(wěn)，故兼有封閉式及開放式兩者的優(yōu)點(diǎn)。澆注機(jī)是從瑞士SLS進(jìn)口的自動(dòng)澆注機(jī)，澆注時(shí)間控制在14～16s。圖2-4箱體澆注系統(tǒng)2．5制芯及組芯工藝方案設(shè)計(jì)2．5．1制芯根據(jù)汽油機(jī)箱體一箱二件的造型工藝，確定鑄造一個(gè)箱體需要8個(gè)砂芯，分別為2個(gè)缸筒芯，2個(gè)水套芯，2個(gè)邊芯，2個(gè)蓋帽芯。采用從西班牙進(jìn)口的的Rolamendi冷芯機(jī)制芯。其工藝流程如圖2-5所示：圖2-5胺法冷芯盒制芯工藝流程圖樹脂砂工藝的硬化原理為：酚醛樹脂(液態(tài)組分I)+聚乙氰酸酯(液態(tài)組分II)—蘭堡墮±L}尿烷(固態(tài)粘接劑)其固化機(jī)理可用下式表示[39]：圖2.5制芯工藝流程圖三乙胺法制芯工藝過程是：首先在定量原砂中按工藝配比加入組分I一酚醛樹脂和組分Ⅱ一聚乙氰酸脂[4U]的雙組分粘結(jié)劑，在混均勻后得到冷芯砂，然后利用射芯機(jī)緊實(shí)到芯盒中，再借助氣體發(fā)生器，以干燥的壓縮空氣或者氮?dú)獾葹檩d體將定量的霧化或汽化的三乙胺吹入芯盒，將雙組分粘結(jié)劑中的羥基和異氰酸催化變成尿烷而硬化，繼而靠載體氣體清出芯砂中殘余的三乙胺，得到具有一定強(qiáng)度、滿足工藝要求的砂芯[14]。冷芯的制芯工藝參數(shù)如表2．4所示：表2．4冷芯的制芯工藝參數(shù)2．5．2組芯采用先進(jìn)的“Key．core”組芯工藝，在制芯工部就將所有砂芯組裝在一起，整體上涂料、烘干，再運(yùn)到造型工部用下芯夾具下芯。顯然，這種形式最能保證鑄件尺寸精度，減少披縫，提高生產(chǎn)率。下芯夾具應(yīng)設(shè)計(jì)為兩級定位，即先由長銷子與砂箱上的銷套定位，以確定下芯夾具的定位，然后再平穩(wěn)下芯，這樣可防止擦砂，保證尺寸精度。箱體砂芯一般都要上涂料，以保證內(nèi)腔清潔度，不粘砂。涂料絕大多數(shù)為水基，浸涂、噴涂均可，但應(yīng)注意芯頭處及排氣口不得上涂料，以免堵塞排氣通道。若有可能的話，也可在上涂料后再在砂芯上鉆排氣孔。排氣孔周圍應(yīng)放置耐火石棉墊圈，以防止?jié)沧r(shí)鐵液鉆入排氣孔中。砂芯上涂料后要徹底烘干，選用的烘干爐應(yīng)能將爐內(nèi)濕空氣及時(shí)排出，以保證烘干效果。制好的砂芯應(yīng)及時(shí)使用，避免吸潮導(dǎo)致砂芯變形、強(qiáng)度降低并給鑄件帶來氣孔陷。砂芯的組芯順序及方案是：先對4個(gè)缸筒芯進(jìn)行定位，然后是2個(gè)水套芯分別放在缸筒芯頭夾具上，然后裝上2個(gè)邊芯，最后對2個(gè)蓋帽芯定位。各砂芯在組芯夾具上的位置如圖2．6所示。然后利用組芯夾具進(jìn)行組芯，再用螺釘將砂芯固定。砂芯在組芯后如圖2．7所示。圖2-6組芯圖2．7組芯后2．6孕育劑的加八方法2．6．1孕育機(jī)理及目的在生產(chǎn)高強(qiáng)度灰鑄鐵時(shí)，往往要求鐵液過熱，但是伴隨而來的問題是鐵液成核能力的降低。因此，往往會在鑄態(tài)組織中出現(xiàn)過冷的石墨，同時(shí)形成過多的鐵素體，有時(shí)會出現(xiàn)一定量的自由滲碳體。而在鐵液澆注前，向鐵液中加入一定量的孕育劑，以改變鐵液的凝固過程。孕育處理能降低鐵液的過冷傾向，促使鐵液按穩(wěn)定系共晶進(jìn)行凝固，同時(shí)也可改善石墨的形態(tài)。目的在于：促進(jìn)石墨化，降低白口傾向；降低箱體鑄件的斷面敏感性，控制石墨形態(tài)，同時(shí)消除過冷石墨；孕育還可以適當(dāng)增高共晶團(tuán)數(shù)，促進(jìn)細(xì)片狀珠光體的形成，從而達(dá)到改善鑄鐵的強(qiáng)度性能及其它性能(如致密性、耐磨性及切削性能等)。目的在于：促進(jìn)石墨化，降低白口傾向；降低箱體鑄件的斷面敏感性，控制石墨形態(tài)，同時(shí)消除過冷石墨；孕育還可以適當(dāng)增高共晶團(tuán)數(shù)，促進(jìn)細(xì)片狀珠光體的形成，從而達(dá)到改善鑄鐵的強(qiáng)度性能及其它性能(如致密性、耐磨性及切削性能等)。2．6．2生產(chǎn)孕育鑄鐵鑄件的條件(1)選擇合適的化學(xué)成分。根據(jù)鑄件的要求，選擇合理的化學(xué)成分一cE、Si／C，是否加入合金元素等。(2)鐵液要一定的過熱溫度。溫度、純凈度、化學(xué)成分是鐵液的三項(xiàng)冶金指標(biāo)。然而鐵液的溫度的高低又影響鐵液的成分及純凈度。對于孕育鑄鐵來說，過熱鐵液的要求目的是純化鐵液，提高過冷，以期在孕育情況下加入大量的人工核心，迫使鑄鐵進(jìn)行共晶凝固。一般鐵液的過熱溫度在1480"--1500℃孕育劑采用以75SiFe為主體的，含3％稀土的復(fù)合孕育劑。加入量一般根據(jù)鑄鐵的牌號以及孕育劑的效果而定。本設(shè)計(jì)生產(chǎn)的箱體鑄件中孕育劑的加入量為0．4％。孕育效果良好。孕育劑一般隨鐵液緩慢進(jìn)入。通過鐵液的沖刷、攪拌，力求均勻。本設(shè)采用二次孕育方法。一次孕育一般在爐前，當(dāng)鐵水(1420--"1500℃熔煉設(shè)備選用：中頻感應(yīng)保溫電爐：生產(chǎn)效率10t／h，外水冷長爐齡大排距沖天爐：生產(chǎn)效率7t／h。2．7．1原材料原材料一般為回爐料，廢鋼和生鐵。回爐料是廠家的常備材料，在使用時(shí)必須注意其本身的干凈程度?；貭t料的加入量必須嚴(yán)格按一定比例，否則會導(dǎo)致鐵水的Si、S含量不易控制。本設(shè)計(jì)生產(chǎn)的箱體鑄件回爐料使用量一般不超過20％左右。在本設(shè)計(jì)的箱體生產(chǎn)中，廢鋼的使用量超過50％。這是由于生鐵本身含有粗大石墨，而石墨熔點(diǎn)較高，在2000℃生鐵是鑄鐵的主要原料之一。加入時(shí)要考慮生鐵中微量元素含量是否超標(biāo)。我們選擇的是合肥產(chǎn)的Z18，含量一般在30％以下。2．7．2熔煉工藝熔煉工藝采用沖天爐．工頻電爐雙聯(lián)技術(shù)，選用高溫熔煉廢鋼增碳工藝[23][43]。配料采用廢鋼和回爐料為主，加上一定比例的生鐵，采用爐內(nèi)增碳加石墨粉。廢鋼應(yīng)該盡量無銹蝕。當(dāng)在沖天爐中溫度達(dá)到1500℃時(shí)，除去熔渣，加孕育劑，合金元素，在放入工頻電爐中保溫至14504C3合金元素對發(fā)動(dòng)機(jī)箱體性能的影響3．1引言發(fā)動(dòng)機(jī)箱體是汽車的“心臟”，壁厚差別大，且在工作中受到熱沖擊和熱疲勞的作用，因而既要求具有良好的鑄造性能，又要求具有良好的力學(xué)性能。因此，從鑄造性能考慮，一般選擇較高的碳當(dāng)量。高的碳當(dāng)量可使鐵液具有良好的流動(dòng)性能，充型完好，且可以減小白口傾向及鑄件縮松、滲漏等缺陷。因此，一般選擇C含量在3．25％～3．35％，Si含量在1．95％～2．05％。從發(fā)動(dòng)機(jī)箱體的機(jī)械性能考慮，一般選擇低合金鑄鐵鑄造。在合成鑄鐵合金化中，一般采用的合金元素有Mo、Ni、V、Cu、Cr、Sn等，在實(shí)際生產(chǎn)中，考慮到生產(chǎn)成本，一般加入Cu、Cr、Sn。本章主要研究試驗(yàn)加入的少量Cu、Cr、Sn等合金元素的配比對高碳當(dāng)量灰鑄鐵的抗拉強(qiáng)度、硬度以及金相組織的影響。相關(guān)研究表明[15]，鉻的加入對箱體力學(xué)性能和金相組織的影響十分明顯。由于鉻在鑄鐵中使奧氏體中的溶解度增加，因而阻礙鐵素體生核成長[44]，是很強(qiáng)的珠光體促成元素。此外鉻還可以細(xì)化珠光體組織[45]，顯著提高灰鑄鐵的強(qiáng)度。但是，在鑄鐵凝固過程中，鉻促成滲碳體的作用很強(qiáng)，使鑄鐵的白口傾向增強(qiáng)。雖然在鑄鐵中加硅，進(jìn)行孕育處理，對減輕鉻造成的白口傾向有效，但對于消除鉻所致的晶間滲碳體則效果欠佳。一般認(rèn)為加入O．2％～O．3％鉻以后，鑄鐵強(qiáng)度提高幅度很大，有利于增加珠光體量和改善石墨形態(tài)。含鉻>0．35％時(shí)，會使鐵液的凝固溫度范圍擴(kuò)大，從而增加鑄鐵的收縮傾向，容易產(chǎn)生滲漏。含鉻>0．5％時(shí)，組織中會析出游離碳化物，影響鑄件的機(jī)加工性能。實(shí)際生產(chǎn)中一般選用加入0．2％～0．3％Cr+Sn(或Cu)，減小由于鉻的加入而產(chǎn)生的白口傾向。而為了防止?jié)沧⒑罄鋮s時(shí)間長造成的晶粒和石墨片粗大的傾向，我們同時(shí)加入了Sn，因?yàn)镾n可以穩(wěn)定珠光體，使鑄件強(qiáng)度基本不變，硬度卻有所提高[46]。錫是強(qiáng)烈穩(wěn)定珠光體的元素。當(dāng)錫的含量小幅度提高時(shí)，其硬度會得到一定的提升。錫是十分有效的促進(jìn)珠光體化的元素之一。它可以富化在石墨近旁的奧氏體中，對碳的擴(kuò)散起到一定的阻礙作用，因而促進(jìn)珠光體化。然而隨著Sn含量的增加，碳化物的數(shù)量會上升，且超過1％，說明Sn的加入會增加游離碳化物產(chǎn)生的傾向。而碳化物的超標(biāo)將會導(dǎo)致硬度的上升，影響加工性能[47]。隨著Sn含量的增加，對其自口寬度也有增加的趨勢[4]。因此我們要嚴(yán)格控制Sn的加入量。相關(guān)研究表明，銅加入到鐵液中主要產(chǎn)生兩方面的作用。一方面銅也是一種穩(wěn)定珠光體的元素，因此銅的加入，可起到增加和穩(wěn)定基體中的珠光體組織的作用；另一方面，銅又是一種促進(jìn)石墨化的元素，可抵消鉻元素的增大白傾向的不利影響，有利于保證鐵液的鑄造工藝性能。Cu能降低奧氏體臨界轉(zhuǎn)變溫度和強(qiáng)化鐵素體基體，并可細(xì)化珠光體和石墨片。在本章我們這種討論Cr+Cu+Sn的合金加入方式，以及在其它試驗(yàn)條件不變的情況下，分別改變Cr、Cu、Sn合金元的含量，研究對箱體鑄件的機(jī)械性能和金相組織的影響。3．2試驗(yàn)裝置及試驗(yàn)方法3．2．1試驗(yàn)裝置GSl000直讀光譜儀。HB．3000型布氏硬度計(jì)，JCl0型讀數(shù)顯微鏡。CMT5105電子萬能實(shí)驗(yàn)機(jī)。光學(xué)金相顯微鏡。拋光機(jī)。XJP．6A金相顯微分析系統(tǒng)。HCS．140A紅外CS分析儀。3．2．2原材料生鐵，回爐料，廢鋼，鑄造焦，石灰石等。75硅鐵孕育劑，粒度5．10ram。鉻鐵、錫、銅。3．2．3制樣(1)熔煉：采用沖天爐一電爐雙聯(lián)熔煉。將生鐵、廢鋼、回爐料、焦炭、石灰石等按要求加入沖天爐中開始熔煉，鐵水出爐溫度為1500℃左右，后鐵水轉(zhuǎn)爐至中頻感應(yīng)電爐，進(jìn)行化學(xué)成分調(diào)整，澆鑄三角試塊觀察白口寬度，并澆注激冷試塊鑄模，打磨激冷試塊的下表面，后將激冷試塊放在GS1000型直讀光譜儀上測出該爐鐵水的化學(xué)成分。澆注試棒，在試驗(yàn)機(jī)上做抗拉伸試驗(yàn)，測出試棒的抗拉強(qiáng)度。當(dāng)鐵水化學(xué)成分檢驗(yàn)符合要求時(shí)出爐，出爐溫度不低于1500(2)澆注及清理：將鐵水澆入鑄型中，澆注溫度不低于1400℃(3)取樣：將鑄件進(jìn)行破壞性肢解，分別在缸筒和缸面上取樣。3．3鉻對箱體力學(xué)性能和金相組織的影響3．3．1試驗(yàn)?zāi)康募皟?nèi)容試驗(yàn)?zāi)康模涸阼F水成分中C，Si，Mn，P，S，Sn，Cu含量，以及孕育劑的加入量和加入方法基本不變的前提下，選擇加入不同量的合金化元素Cr，研究Cr的不同加入量對箱體鑄件力學(xué)性能及金相組織的影響。試驗(yàn)內(nèi)容：(1)生產(chǎn)化學(xué)成分及孕育劑加入量如表3．1所示的三批鐵水，澆注箱體。并澆注2根標(biāo)準(zhǔn)試棒(#30x330mm)進(jìn)行拉伸試驗(yàn)，測量其抗拉強(qiáng)度。(2)在箱體鑄件上取缸筒，缸面試樣，制樣見3．2．3，然后檢測其金相組織和布氏硬度，研究合金元素Cr含量變化對鑄件組織、性能的影響。表3．1鐵水合金成分含量(％)3．3．2試驗(yàn)結(jié)果分別對三種含Cr量的箱體鑄件進(jìn)行力學(xué)性能和金相組織的檢測和分析，其結(jié)果如表3—2、3．3及圖3．1、3．2所示：表3．2不同含鉻量箱體的布氏硬度(HB)表3-3不周含鉻量鑄件的抗拉強(qiáng)度(MPa)表3-4不同吉鉻量箱體的金相組織鑄件a低鉻箱體 b中鉻箱體c高鉻箱體圖3-1不同含鉻量缸筒橫向剖面的石墨彤態(tài)a低鉻箱體 b中鉻箱體c高鉻箱體圖3-2不同含鉻量缸筒橫向剖面的基體組織由表3．2～3-4，圖3．1～3．2可以看出，在C、Si、Mn、S、P、Sn、Cu含量接近，孕育方式和孕育荊加入量相同的情況下，鐵水中的鉻的加入量由O308％增加到O．343％時(shí)；(1)金相組織的變化：①石墨形態(tài)變化不大，但高鉻含量箱體中石墨得到細(xì)化。石墨長度基本穩(wěn)定在150～200um之間。三批鑄件都出現(xiàn)部分的B型石墨。②三批鑄件的珠光體含量基本相同，珠光體含量都≥95％。@三批鑄件的珠光體片間距基本相同。隨著鉻含量的升高，鑄件珠光體的片間距由3級升至2-3級。④三批鑄件的滲碳體數(shù)量基本相同。部分部位的滲碳體數(shù)量箍著鉻含量的升高而增加。@三批鑄件中的磷共晶含量都控制在1％以內(nèi)。(2)機(jī)械性能的影響：鉻對灰鑄鐵的機(jī)械性能有明顯的影響。①鑄件各部分的硬度整體呈上升趨勢，且缸筒缸面的硬度上升值都較均勻，在10～20HB之間。缸筒的硬度一般在180HB左右，硬度差A(yù)HB在15HB左右。對于缸面鑄件硬度一般在195以上，AHBmax=l5HB。②鑄件的抗拉強(qiáng)度明顯上升，由低鉻的251MPa上升至高鉻時(shí)的接近290MPa。平均上升幅度達(dá)到30MPa。3．3．3機(jī)理分析(1)石墨形態(tài)分析在三批箱體中，石墨形態(tài)基本上為A型或A+少量B型。壁厚大的地方，冷卻速度大慢，過冷度較小，易于形成A型石墨。壁厚小的地方冷卻速度快，過冷度相對大，有部分B型石墨形成。由圖3．1～3．2可以看出，鉻含量較低箱體的石墨比鉻含量高的箱體的石墨粗大，這是由于Cr有細(xì)化石墨的作用。而細(xì)化的石墨也減小了對基體的割裂作用[48]。缸筒部分壁厚雖然較薄，但散熱條件差，冷卻速度也慢，所以也形成A型石墨。從圖3．1～3．2中可以看到含有部分的B型石墨。B型石墨其實(shí)中心為D型石墨，周圍是A型石墨。開始時(shí)由于過冷度較大，形成了D型石墨，后來由于結(jié)晶潛熱的釋放，使過冷度減小，析出A型石墨。B型石墨的存在嚴(yán)重降低鑄件的強(qiáng)度。(2)珠光體數(shù)量及片間距的分析：在三批箱體鑄件中，我們都加入了一定量的Sn，Cu，還加入了不同含量的Cr元素。Cr的加入可以增加并細(xì)化珠光體，所以三批次的鑄件的珠光體含量都達(dá)到了1．3級。一般來說Cr既是強(qiáng)烈促進(jìn)的珠光體形成，又可以細(xì)化珠光體的元素[45][49]。在本試驗(yàn)中，Cr的增加沒有明顯提高珠光體的含量，三批次的鑄件中的珠光體含量都達(dá)到了≥95％。三批次的箱體鑄件的珠光體片間距都在2．3級，其中鉻含量較高的兩批次的珠光體片間距較小。由此可見，加入鉻可以實(shí)現(xiàn)珠光體片間距的減小，但考慮到鉻含量過高后，一般在當(dāng)含鉻量大于0．35％時(shí)[13][50]，箱體鑄件在鉆孔后，在水壓試驗(yàn)時(shí)出現(xiàn)較多的滲漏現(xiàn)象，這可能與Cr的過量加入會使鐵液凝固溫度的范圍擴(kuò)大，引起共晶團(tuán)的增加，產(chǎn)生疏松所致[5]。(3)碳化物數(shù)量三批次的箱體鑄件的滲碳體的數(shù)量基本相同，含量≤1％。高鉻箱體中的碳化物數(shù)量比低鉻箱體中略多，部分區(qū)域的碳化物含量≥1％。說明鉻元素的加入可以增加游離碳化物產(chǎn)生。而碳化物的超標(biāo)直接導(dǎo)致箱體鑄件硬度的升高，影響鑄件的機(jī)械加工些能[47]。在實(shí)際生產(chǎn)中，碳化物含量超標(biāo)還導(dǎo)致箱體水套薄壁的力學(xué)性能變差，不能滿足使用要求。所以鉻的加入量要嚴(yán)格控制。(4)硬度分析由表3．2可知，當(dāng)鉻含量提高到O．343％時(shí)，鑄件缸筒、缸面硬度呈整體上升，且上升的硬度值較大、較均勻，都在15HB左右。因?yàn)榛诣T鐵的硬度決定于基體，在測量過程中外力主要作用在基體上。因此，隨著基體內(nèi)珠光體的數(shù)量的增加，硬度相應(yīng)的提高。且由于隨著鉻含量的增加，Cr與Sn、Cu元素相互作用加劇，綜合效果比單一增加Cr含量效果要明顯的多。(5)抗拉強(qiáng)度三批試棒中隨著Cr含量的增加，抗拉強(qiáng)度也明顯增加。如表3．3所示。這是由于Cr的加入可細(xì)化石墨，從而起到減小粗大的石墨割裂基體，增加試棒的抗拉強(qiáng)度。同時(shí)Cr可增加奧氏體中C的溶解度，從而阻止鐵素體的核生成[52]。3．4錫對箱體力學(xué)性能和金相組織的影響3．4．1試驗(yàn)?zāi)康募皟?nèi)容試驗(yàn)?zāi)康模涸阼F水成分中C，Si，Mn，P，S，Cr,Cu含量，以及孕育劑的加入量和加入方法基本不變的前提下，選擇加入不同量的合金化元素Sn，研究Sn的不同加入量對箱體鑄件力學(xué)性能及金相組織的影響。試驗(yàn)內(nèi)容：(1)生產(chǎn)化學(xué)成分及孕育劑加入量如表3．5所示的三批鐵水，澆注箱體。并澆注2根標(biāo)準(zhǔn)試棒(430×330mm)進(jìn)行拉伸試驗(yàn)，測量其抗拉強(qiáng)度。(2)在箱體鑄件上取缸筒，缸面試樣，制樣見3．2．3，然后檢測其金相組織和布氏硬度，研究合金元素Sn含量變化對鑄件組織、性能的影響。表3．5鐵水合金成分(％)3．4．2實(shí)驗(yàn)結(jié)果分別對三種含Sn量的箱體鑄件進(jìn)行力學(xué)性能和金相組織的檢測和分析，其結(jié)果如表3．6、3．7及圖3．3、3-4所示：表3-6不同含錫量箱體的布氏硬度(HB)表3．7不同含錫量鑄件的抗拉強(qiáng)度(MPa)表3-8不同含錫量箱體的金相組織鑄件a低錫箱體 b中鐲箱體100x圖3.3不同含錫量箱體橫向剖面的石墨形態(tài)a高錫箱體400x b中錫箱體400(c)高錫箱體400x圖3-4不同含錫量缸簡橫向剖面的基體組織由表3．5～3-8，圖3．3～3-4可以看出，在C、Si、Mn、S、P、Cr、Cu含量接近，孕育方式和孕育劑加入量相同的情況下，鐵水中的錫的加入量由O．041％增加到0．104％時(shí)：(1)金相組織的變化：①石墨形態(tài)如圖3．3所示，低錫鑄件的石墨形態(tài)中有約有40％的B型石墨，高錫鑄件中主要為A型石墨80％以上，B型石墨余量。高錫含量箱體中石墨得到細(xì)化。石墨長度基本穩(wěn)定在150～200pm之間。三批鑄件都出現(xiàn)部分的B型石墨。②三批鑄件的珠光體含量基本相同，珠光體含量都≥95％。⑧三批鑄件的珠光體片間距基本相同。隨著錫含量的升高，鑄件珠光體的片間距由3級升至2．3級。④三批鑄件的滲碳體數(shù)量基本相同。部分部位的滲碳體數(shù)量隨錫含量的升高而增加。⑤三批鑄件中磷共晶含量都控制在1％以內(nèi)。(2)機(jī)械性能的影響：①如表3．5所示，鑄件個(gè)部分的硬度整體明顯呈上升趨勢，且缸筒缸面的硬度上升值都比較均勻，在IOHB之間。缸筒的硬度一般在180HB左右，硬度差A(yù)HB在10HB左右。對于缸面鑄件硬度一般在205以上，△HBmax=12HB。②鑄件的抗拉強(qiáng)度明顯基本上保持不變，由低鉻的265MPa上升至高鉻時(shí)的270MPa。3．4．3機(jī)理分析(1)石墨形態(tài)分析在三批箱體鑄件中，低錫箱體中有約有40％的B型石墨，高錫箱體中石墨形態(tài)基本上為A型，少量B型。壁厚大的地方，冷卻速度大慢，過冷度較小，易于形成A型石墨。缸筒壁厚小，冷卻速度快，過冷度相對大，有部分B型石墨形成。由圖3-3"-'3．4可以看出，錫含量較低箱體的石墨比錫含量高的箱體的石墨粗大，這是由于錫有細(xì)化石墨的作用。而細(xì)化的石墨也減小了對基體的割裂作用[53]。(2)珠光體數(shù)量及片間距的分析在三批箱體鑄件中，我們都加入了一定量的Cr，Cu，還加入了不同含量的Sn元素。在本試驗(yàn)中，Sn的增加沒有明顯提高珠光體的含量，三批次的鑄件中的珠光體含量都達(dá)到了≥95％。一般來說Sn既是強(qiáng)烈促進(jìn)的珠光體形成，又可以細(xì)化珠光體的元素，珠光體的數(shù)量應(yīng)該有較大的提升。但在實(shí)際應(yīng)用中，我們又加了一定量的Cr與Cu，三批次的鑄件中都有可細(xì)化珠光體的合金元素Sn，所以在三種合金元素的共同作用下，使三批次的箱體鑄件的珠光體都達(dá)到了較高的等級，所以Sn含量的提升并沒有明顯提高珠光體含量。三批次的箱體鑄件的珠光體片間距都在2～3級，說明錫含量提高對箱體鑄件的珠光體片間距有較小的影響。但有學(xué)者[1l]認(rèn)為在鑄鐵中加入合金元素錫，有促成珠光體的作用，而在細(xì)化珠光體方面實(shí)際上沒有作用，只有加入較大量的Cr和Cu才能明顯細(xì)化珠光體。由此可見，錫的加入量對減小珠光體片間距沒有實(shí)際作用。(3)碳化物數(shù)量三批次的箱體鑄件的滲碳體的數(shù)量基本相同，含量≤1％。高錫箱體中的碳化物數(shù)量比低錫箱體中要多，部分區(qū)域的碳化物含量≥1％。說明錫元素的加入可以增加游離碳化物產(chǎn)生。而碳化物的超標(biāo)直接導(dǎo)致箱體鑄件硬度的升高，影響鑄件的機(jī)械加工些能[47]。碳化物含量超標(biāo)還導(dǎo)致箱體水套薄壁的力學(xué)性能變差，不能滿足使用要求。且隨著Sn含量的增加，對其白口寬度也有增加的趨勢[45]。所以錫的加入量要嚴(yán)格控制。(4)硬度分析由表3-6可知，錫的含量小幅度提高時(shí)，其硬度會得到明顯的提升。它可以富化在石墨近旁的奧氏體中，對碳的擴(kuò)散起到一定的阻礙作用，因而促進(jìn)珠光體化。然而隨著Sn含量的增加，碳化物的數(shù)量會上升，且超過1％，說明Sn的加入會增加游離碳化物產(chǎn)生的傾向。(5)抗拉強(qiáng)度三批試棒中隨著Sn含量的增加，抗拉強(qiáng)度沒有明顯增加，如表3．7所示。這是由于Sn的加入對細(xì)化珠光體沒有實(shí)際作用，在提高珠光體含量方面也沒有明顯的效果。3．5銅對箱體力學(xué)性能和金相組織的影響3．5．1試驗(yàn)?zāi)康募胺椒ㄔ囼?yàn)?zāi)康模涸阼F水成分中C，Si，Mn，P，S，Cr,Sn含量，以及孕育劑的加入量和加入方法基本不變的前提下，選擇加入不同量的合金化元素Cu，研究Cu的不同加入量對箱體鑄件力學(xué)性能及金相組織的影響。試驗(yàn)內(nèi)容：(1)生產(chǎn)化學(xué)成分及孕育劑加入量如表3-9所示的三批鐵水，澆注箱體。并澆注2根標(biāo)準(zhǔn)試棒(矽30×330mm)進(jìn)行拉伸試驗(yàn)，測量其抗拉強(qiáng)度。(2)在箱體鑄件上取缸筒，缸面試樣，制樣見3．2．3，然后檢測其金相組織和布氏硬度，研究合金元素Cu含量變化對鑄件組織、性能的影響。3．5．2試驗(yàn)結(jié)果分別對三種含Cu量的箱體鑄件進(jìn)行力學(xué)性能和金相組織的檢測和分析，其結(jié)果如表3．10、3．11及圖3．5、3-6所示：表3-9鐵水合金成分(％)表3．10不同含銅量箱體的布氏硬度(HB)表3-11不同含銅量鑄件的抗拉強(qiáng)度(MPa)表3-12不同含銅量箱體的金相組織圖3-6不同含銅量缸筒橫向削面的基體組織a低銅箱體 b中銅箱體c高銅箱體圖3.5不同含銅量橫向剖切面的石墨形態(tài)a低銅箱體 b中銅箱體c高銅箱體圖3.6不同含銅量橫向剖面的基體組織由表3-9～3—12，圖3-5～3．6可以看出，在C、Si、Mn、S、P、Cr、Sn含量接近，孕育方式和孕育劑加入量相同的情況下，鐵水中的銅的加入量由0．354％增加到0602％時(shí)：(1)金相組織的變化：①三批鑄件的的石墨形態(tài)基本相同，都為A型或A型+少量B型石墨。高銅含量箱體中石墨長度變短。石墨長度基本穩(wěn)定在150～200um之間。三批鑄件都出現(xiàn)部分的B型石墨。②三批鑄件的珠光體含量基本相同，珠光體含量都≥95％。@三批鑄件的珠光體片間距基本相同。隨著銅含量的升高，鑄件珠光體的片間距由3級升至2．3級。④三批鑄件的滲碳體數(shù)量基本相同。@三批鑄件中磷共晶含量都控制在1％以內(nèi)。(2)機(jī)械性能的影響：①如表3．10所示，鑄件個(gè)部分的硬度明顯呈上升趨勢，且缸筒缸面的硬度上升值都比較均勻，在5HB以上。缸筒的硬度一般在190HB左右，硬度差A(yù)HB在IOHB左右。對于缸面鑄件硬度一般在2lO以上，△HBmax=7HB。@鑄件的抗拉強(qiáng)度明顯升高，由低銅時(shí)的250MPa上升至高銅時(shí)的270Mpa以上。353機(jī)理分析(1)石墨形態(tài)分析在三批箱體鑄件中，石墨形態(tài)基本上為A型或A+少量B型。由圖3-5～3．6可以看出，銅含量較低箱體的石墨比錫含量高的箱體的石墨粗大，這是由于銅有細(xì)化石墨片的作用。高銅鑄件中石墨得到了一定的改善，石墨片均勻。促進(jìn)石墨化的作用。(2)珠光體數(shù)量及片間距的分析在三批箱體鑄件中，我們都加入了一定量的cr．sⅡ，還加入了不同含量的cu元素。在本試驗(yàn)中，cu的增加沒有明顯提高珠光體的含量，三批次的鑄件中的珠光體含量都≥95％。一般來說Cu是一種穩(wěn)定珠光體的元素，因此銅的加入，可起到增加和穩(wěn)定基體中的珠光體組織的作用。但在實(shí)際應(yīng)用中，我們又加了～定量的Cr與Sn，三批次的鑄件中都有可穩(wěn)定珠光體的元素的合金元素Cu，所以在三種合金元素的共同作用下，使三批次的箱體鑄件的珠光體都達(dá)到了較高的等級，所以Cu含量的提升并沒有明顯提高珠光體含量。三批次的箱體鑄件的珠光體片間距都在2"--3級，說明銅含量提高可以減小箱體鑄件的珠光體片間距。但加入量需要很大才能有明顯的影響…，考慮到成本和及影響切削性能，因此加入量應(yīng)該嚴(yán)格控制。(3)碳化物數(shù)量三批次的箱體鑄件的滲碳體的數(shù)量基本相同，含量≤1％。銅是一種促進(jìn)石墨化的元素，可抵消鉻元素增大白口傾向的不利影響，有利于保證鐵液的鑄造工藝性能[4]。(4)硬度分析由表3．10可知，銅的含量提高時(shí)，其硬度會得到小幅度的提升。這是由于銅可以使珠光體穩(wěn)定在一個(gè)較高的等級，并能降低奧氏體臨界轉(zhuǎn)變溫度和強(qiáng)化鐵素體基體，細(xì)化珠光體和石墨片[47]。而鑄件的硬度主要決定于基體，在測量過程中外力主要作用在基體上。所以箱體鑄件的硬度相對保持在一個(gè)較高的水平。在產(chǎn)實(shí)際應(yīng)用中，當(dāng)Cu含量大于0．5％時(shí)，同時(shí)又加入錫和鉻的做法對切削性能是有害的，它會促使基體組織中產(chǎn)生大量的索氏體組織[54]。(5)抗拉強(qiáng)度三批試棒中隨著Cu含量的增加，抗拉強(qiáng)度明顯增加，如表3．11所示。這是由于Cu的加入可以細(xì)化珠光，鑄件的石墨形態(tài)得到了一定的改善，石墨片長度變短。根據(jù)一般知識可知，石墨表面積與體積之比越大，造成應(yīng)力集中的現(xiàn)象越嚴(yán)重[9]。所以這從一定程度上提高了鑄件的抗拉強(qiáng)度。3．6本章小結(jié)在本章中我們分別做了Cr、Cu、Sn的加入量對箱體鑄件性能的影響試驗(yàn)，每種合金元素的加入量都做三組對比試驗(yàn)，來研究合金元素的加入量對鑄件機(jī)械性能和金相組織的影響。(1)當(dāng)在其它條件都相近時(shí)，分別加入3種不同含量的合金化元素Cr，研究Cr+Cu+Sn的合金加入方式對箱體鑄件力學(xué)性能和金相組織影響的差別。試驗(yàn)證明，當(dāng)鐵水中鉻含量從0．308％上升到0．323％，再升至0．343％時(shí)，箱體鑄件各部分的硬度整體呈上升趨勢，抗拉強(qiáng)度有小幅增大。石墨形態(tài)變化不大，基本上為A型石墨，高鉻箱體的石墨得到細(xì)化。三批鑄件的珠光體含量都在95％以上。高鉻箱體中的碳化物數(shù)量比低鉻箱體中略多，說明鉻元素的加入可以增加游離碳化物產(chǎn)生，影響鑄件的機(jī)械加工性能。且當(dāng)鉻含量高于O．35％時(shí)，實(shí)際生產(chǎn)時(shí)會使鑄件滲漏傾向明顯增加。所以鉻的加入量應(yīng)嚴(yán)格控制在0．25％～0．35％。(2)當(dāng)在其它條件都相近時(shí)，鐵水中錫的加入量由O．041％上升到0．078％，再升至0．104％時(shí)，箱體鑄件的各部分硬度都有明顯的提高，抗拉強(qiáng)度沒有明顯變化。低錫箱體鑄件中B型石墨較多，加錫可改善石墨形態(tài)。高錫箱體中主要為A型石墨80％以上，B型石墨余量。三種Sn含量箱體鑄件中的珠光體數(shù)量基本相同，含量都達(dá)到了95％以上。高錫箱體鑄件中碳化物含量增多，說明錫元素的加入可以增加游離碳化物產(chǎn)生。碳化物含量超標(biāo)還可導(dǎo)致箱體水套薄壁的力學(xué)性能變差，不能滿足使用要求。錫可以適度改善箱體鑄件的珠光體片距，但過量可增大白口趨勢，。所以錫的加入量應(yīng)在O．06％～0．09％較適宜。(3)當(dāng)在其它條件都相近時(shí)，鐵水中銅的加入量由0．354％上升到0．460％，再升至0．602％時(shí)，箱體鑄件中石墨形態(tài)基本上以A型石墨為主，鑄件的各部分硬度小幅度提高，抗拉強(qiáng)度由250MPa提高到270MPa以上。銅可以使珠光體穩(wěn)定在一個(gè)較高的等級，所以三種Cu含量箱體鑄件的珠光體數(shù)量基本相同，含量都達(dá)至IJ95％以上。Cu可細(xì)化珠光體和石墨片，還可抵消鉻元素的增大白口傾向的不利影響。但當(dāng)Cu含量大于0．5％時(shí)，同時(shí)又加入錫和鉻的做法對切削性能是有害的，它會促使基體組織中產(chǎn)生大量的索氏體組織。所以銅的加入量應(yīng)在O．30％～O．50％較適宜。4結(jié)論發(fā)動(dòng)機(jī)是汽車的“心臟"，而箱體鑄件是發(fā)動(dòng)機(jī)的核心部件。所以我國當(dāng)前正在大力發(fā)展發(fā)動(dòng)機(jī)箱體的鑄造技術(shù)，這也是發(fā)展具有自主知識產(chǎn)權(quán)汽車的重要組成部分。通過具體的試驗(yàn)，完成了本設(shè)計(jì)的2．4L汽油機(jī)箱體鑄件從鑄造工藝設(shè)計(jì)到材質(zhì)的選擇與控制，再到試制生產(chǎn)的過程。我們得出以下結(jié)論：1．根據(jù)現(xiàn)有生產(chǎn)設(shè)備滿足工藝要求的鑄造工藝方案是：全部采用三乙胺法冷芯盒制芯，利用組芯夾具將10個(gè)砂芯組合到一起，用下芯機(jī)下入型腔內(nèi)；一箱生產(chǎn)二件。采用封閉一開放式澆注系統(tǒng)，利用陶瓷過濾網(wǎng)來擋渣；采用工頻電爐一沖天爐雙爐熔煉技術(shù)。2．在合金配比上，當(dāng)在其它條件都相近時(shí)，研究Cr+Cu+Sn的合金加入方式對箱體鑄件力學(xué)性能和金相組織影響的差別。(1)試驗(yàn)證明，當(dāng)鐵水中鉻含量從0．308％上升到0．323％，再升至0．343％時(shí)，箱體鑄件各部分的硬度整體呈上升趨勢，抗拉強(qiáng)度有小幅增大。石墨形態(tài)變化不大，高鉻箱體的石墨得到細(xì)化。三批鑄件的珠光體含量都在95％以上。當(dāng)鉻含量高于0．35％時(shí)，實(shí)際生產(chǎn)時(shí)會使鑄件滲漏傾向明顯增加。所以鉻的加入量應(yīng)在O．25％～O．35％。(2)鐵水中錫的加入量由O．041％上升到0．078％，再升至0．104％時(shí)，箱體鑄件的各部分硬度都有明顯的提高，抗拉強(qiáng)度沒有明顯變化。高錫箱體中主要為A型石墨80％以上，B型石墨余量。三種Sn含量箱體的珠光體數(shù)量基本相同，都達(dá)到了95％以上。錫可以適度改善箱體鑄件的珠光體片距，過量可增大白口趨勢。所以錫的加入量應(yīng)在0．06％～O．09％較適宜。(3)鐵水中銅的加入量由0．354％上升到0．460％，再升至0．602％時(shí)，箱體鑄件的各部分硬度小幅度提高，抗拉強(qiáng)度由250MPa提高到270MPa以上。三種Cu含量箱體珠光體數(shù)量基本相同，都達(dá)到95％以上。Cu可細(xì)化珠光體和石墨片，還可抵消鉻元素的增大白口傾向的不利影響。所以銅的加入量應(yīng)在0．30％～0．50％較適宜。致謝謝謝我的家人在論文撰寫過程中對我的監(jiān)督和幫助，更謝謝導(dǎo)師對我的認(rèn)真指導(dǎo)，尊敬的導(dǎo)師對本論文課題的選擇，設(shè)計(jì)的前期準(zhǔn)備工作提出了非常有關(guān)鍵的建議，在課題正式寫作過程中，在設(shè)計(jì)遇到的相關(guān)難題時(shí)我的導(dǎo)師對我進(jìn)行了許多指導(dǎo)，推動(dòng)了整個(gè)設(shè)計(jì)的順利進(jìn)行。在論文的寫作階段，老師對我的論文的整體框架，涉及到的一些建議和意見，其中完善完成這項(xiàng)工作的不足起到了非常重要的作用。此外，導(dǎo)師的專注和執(zhí)著，繼續(xù)探索的精神影響了我深深的不斷追求知識的頭腦，這寶貴的財(cái)富會帶來很大的幫助，對我今后的學(xué)習(xí)和工作有著深厚的意義！最后，要謝謝以我同吃同住共同生活的同學(xué)們，在設(shè)計(jì)進(jìn)行到最為艱難的時(shí)候是他們他們的鼓勵(lì)讓我振作精神，最終沖破難關(guān)，謝謝你們！參考文獻(xiàn)[1]萬仁芳，汽車工業(yè)發(fā)展與汽車發(fā)動(dòng)機(jī)灰鑄鐵缸體生產(chǎn)技術(shù)[J]．鑄造，2001(12)：747[2][德]ThollM．利用優(yōu)質(zhì)致密蠕墨鑄鐵使轎車發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)體薄壁化輕量化[J]．國外內(nèi)燃機(jī)，1997(3)[3]國家自然科學(xué)基金委．機(jī)械制造科學(xué)(熱加工)．北京：科學(xué)出版社，1995：178～184[4]喬曉梅，王文平．鉻系耐磨白口鑄鐵研究狀況[J]．山西機(jī)械，2000，(增刊2)19～22[5]范林，柴蒼修，鄧燕妮，耐磨高強(qiáng)度薄壁氣缸體鑄鐵材料的發(fā)展[J]．車用發(fā)動(dòng)機(jī)，1999(8)：1～4[6]宗俊峰．汽車發(fā)動(dòng)機(jī)高強(qiáng)度灰鑄鐵鑄件的研究[J]．鑄造，1993，3．[7]陳琦，彭兆弟．鑄造合金配料速查手冊[M]．北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2004．[8]李傳拭，灰鑄鐵的組織和幾種合金元素的影響(一)[J]-鑄造縱橫，2004(12)：10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