(武漢船舶職業(yè)技術(shù)學(xué)院, 湖北武漢 430050)
Si/C比對(duì)硼鑄鐵氣缸套力學(xué)性能的影響
嚴(yán)繼斌
(武漢船舶職業(yè)技術(shù)學(xué)院, 湖北武漢 430050)
通過(guò)試驗(yàn)研究了在碳當(dāng)量CE=3.8%時(shí),Si/C比值對(duì)抗拉強(qiáng)度和硬度的影響,確定了生產(chǎn)硼鑄鐵氣缸套理想的Si/C比值。
硅碳比;硼鑄鐵;抗拉強(qiáng)度;硬度
硼鑄鐵是最近應(yīng)用發(fā)展較快的一種新型的耐磨材料,因其優(yōu)良的耐磨性能,為眾多企業(yè)廣泛地應(yīng)用于內(nèi)燃機(jī)的氣缸套和活塞環(huán)等零件。目前國(guó)內(nèi)氣缸套大多采用離心鑄造生產(chǎn),離心鑄造生產(chǎn)時(shí),由于鑄型是金屬型,冷卻速度比較快,使得組織中容易形成共晶萊氏體、D型和E型晶間石墨,又由于硼鑄鐵中硼元素反石墨化的能力較強(qiáng),容易產(chǎn)生白口組織,并使硼復(fù)合物呈枝晶狀分布,導(dǎo)致氣缸套的抗拉強(qiáng)度降低,硬度明顯升高,給氣缸套的切削加工和使用造成一定的困難。氣缸套是內(nèi)燃機(jī)的核心零件之一,一般要求抗拉強(qiáng)度σb≥250 MPa。為改善硼鑄鐵氣缸套的力學(xué)性能,我們就Si/C比值對(duì)硼鑄鐵氣缸套抗拉強(qiáng)度和硬度及切削加工的影響進(jìn)行了研究,選定碳當(dāng)量為3.8%,只改變Si/C比例,對(duì)各種Si/C下的拉伸強(qiáng)度、硬度進(jìn)行觀察和測(cè)定,期望獲得理想的力學(xué)性能。
選定碳當(dāng)量為3.8%,Si/C分別定為0.5、 0.6、 0.7、 0.8、 0.9,進(jìn)行五組數(shù)據(jù)的試驗(yàn)。按此條件要求將生鐵、廢鋼、回爐料、硅鐵、錳鐵和硼鐵等依配料比例加入500 kg中頻感應(yīng)電爐中熔化,取得鐵水試樣的化學(xué)成分,升溫至1 450~1 500 ℃,鐵水出爐,經(jīng)孕育處理后澆注干型單鑄試棒,得到5組15根Φ30 mm×300 mm的試棒,作拉伸試驗(yàn)使用。剩余鐵水經(jīng)稱重、靜置、打渣處理后,澆入高速運(yùn)轉(zhuǎn)的鑄型中進(jìn)行離心鑄造,經(jīng)冷卻,內(nèi)孔呈暗紅色約900 ℃時(shí),停機(jī)脫模,獲得氣缸套毛坯。五組試樣的化學(xué)成分見(jiàn)表1。
表1 試樣的化學(xué)成分 ( wb%)
根據(jù)GB9439-88要求,試驗(yàn)試棒經(jīng)機(jī)加工后制成Φ20×225 mm的拉伸試棒,使用萬(wàn)能拉伸試驗(yàn)機(jī)ZDM-30t,在室溫下進(jìn)行拉伸試驗(yàn),測(cè)定并計(jì)算每組3根試棒的拉伸強(qiáng)度的平均值。
根據(jù)GB231和GB230規(guī)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(jī)HB-3000在氣缸套環(huán)片橫截面上均勻打出3個(gè)壓痕,查表后取其平均值。
Si/C比值在0.5、0.6、 0.7、0.8、0.9之間5個(gè)試驗(yàn)數(shù)值,測(cè)量出它們的抗拉強(qiáng)度σb和布氏硬度HB,見(jiàn)表2。
表2 Si/C比值在0.5-0.9之間的σb值和HB
Si/C對(duì)抗拉強(qiáng)度和硬度的影響,結(jié)果見(jiàn)圖1。
圖1 Si/C對(duì)抗拉強(qiáng)度和布氏硬度的影響
從圖1中可以看出,碳當(dāng)量一定時(shí)(CE=3.8%), Si/C對(duì)抗拉強(qiáng)度的影響還是比較大的,當(dāng)Si/C從0.5增加到0.6時(shí),抗拉強(qiáng)度從190 MPa增加到251 MPa,從0.6增加到0.7時(shí),抗拉強(qiáng)度繼續(xù)上升到285 MPa,這是由于隨著 Si/C的提高,Si含量增加,C含量減少,基體組織中珠光體數(shù)量有所增加,Si固溶于基體中,起到固溶強(qiáng)化珠光體的作用,而C含量的降低,也在一定程度減少了石墨數(shù)量,對(duì)基體的割裂作用減小,所以抗拉強(qiáng)度增高。而當(dāng)Si/C提高到0.8時(shí),抗拉強(qiáng)度降為268 MPa,Si/C繼續(xù)增加到0.9時(shí),抗拉強(qiáng)度下降到232 MPa。這是因?yàn)镾i是強(qiáng)烈的促進(jìn)石墨化元素,當(dāng)Si含量達(dá)到一定程度時(shí),接近促進(jìn)石墨化的臨界值以后,固溶鐵素體中的硅量增多,強(qiáng)化了鐵素體(包括珠光體中的鐵素體);Si/C比值的不斷提高,共析轉(zhuǎn)變的溫度也在升高,使珠光體在高溫下生成,片間距增大,易粗化而降低強(qiáng)度;又因高硅使碳在奧氏體中的溶解度急劇下降,并擴(kuò)大了鐵素體+奧氏體+石墨三相區(qū)的范圍,使奧氏體向鐵素體的轉(zhuǎn)變量增多。因此當(dāng)Si/C達(dá)到一定值時(shí),抗拉強(qiáng)度隨著 Si/C的提高反而下降。
從圖1中也可以看出,隨著 Si/C的不斷提高,布氏硬度HB是呈下降的趨勢(shì),只是在Si/C=0.7以后,下降的趨勢(shì)比較平緩,差別不大。這說(shuō)明Si/C比值對(duì)布氏硬度是有重要影響的。在CE=3.8%時(shí),提高Si/C,鐵素體析出不斷增多,珠光體含量降低,故而使布氏硬度降低,當(dāng)Si/C=0.7以后,鐵素體增加不再明顯,硬度變化也就不大。
硅是強(qiáng)烈石墨化促進(jìn)元素,隨著 Si/C的提高,硅含量增加,引起石墨片粗大﹑增多。石墨越多,基體承載面積越少,石墨片越粗大,使基體更易于切削加工。硅的強(qiáng)烈石墨化作用,有利于碳原子的擴(kuò)散﹑聚集,使石墨長(zhǎng)大,數(shù)量增多,而石墨的強(qiáng)度極低,均勻分布會(huì)使基體的硬度降低。硅含量增加,使白口組織明顯減少,提高了零件的切削加工性能。
在碳當(dāng)量CE=3.8%時(shí),可以得出如下結(jié)論:
(1)Si/C對(duì)氣缸套的抗拉強(qiáng)度﹑硬度有很大影。Si/C比值從0.5→0.6→0.7→0.8→0.9變化時(shí),抗拉強(qiáng)度先升后降,硬度呈下降趨勢(shì)。在Si/C=0.7時(shí),抗拉強(qiáng)度為285MPa,硬度為HB241,力學(xué)性能較為理想。生產(chǎn)硼鑄鐵氣缸套時(shí)Si/C為0.70-0.75比較合適。
(2)提高Si/C比值,有利于改善鑄件切削加工性能。
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EffectofSi/CRatioOnMechanicalPropertiesofBoronCastIronCylinderLiner
YANJi-bin
(Wuhan Institute of Shipbuilding Technology,Wuhan 430050,China)
In this paper,the effect of Si/C ratio on tensile strength and hardness is studied by experiment withthe carbon equivalent CE=3.8%,the ideal Si/C ratio for producing boron cast iron cylinder liners is determined.
silicon-carbon ratio;boron cast iron;tensile strength;hardness
TG24
A
1671-8100(2017)04-0036-03
2017-06-11
嚴(yán)繼斌,男,高級(jí)工程師,主要從事材料工程技術(shù)方面的教學(xué)和科研工作。
(責(zé)任編輯:譚銀元)