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离心铸造蠕铁气缸套生产工艺基础研究

作　者: 孙华为
导　师: 苗晋琦；刘胜新
学　校: 郑州大学
专　业: 材料加工工程
关键词: 离心铸造蠕墨铸铁气缸套石墨形态基体
分类号: TG250
类　型: 硕士论文
年　份: 2011年
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内容摘要

气缸套作为发动机的核心部件之一,目前其常用材质主要为灰铸铁。随着现代发动机向轻量化、高速化和高功率化发展,对气缸套材料的热疲劳强度、硬度和耐磨性提出了更高的要求,灰铸铁材质已经不能满足使用要求。蠕墨铸铁因其优良的热疲劳性能和耐磨性,已在气缸盖和气缸体等发动机部件中得到了广泛应用,但尚未应用在气缸套生产中。本文针对金属型离心铸造生产工艺,采用金相观察、扫描电子显微镜、能谱分析、拉伸实验、显微硬度实验和快磨实验等分析测试手段,较系统地研究了蠕化剂、孕育剂、铁液含硫量、合金元素和碳当量等因素对蠕铁气缸套蠕化效果和基体组织的影响规律。结果表明,采用二次孕育(0.8%硅铁合金+0.2%硅锶合金)及合适的蠕化量,可获得良好的蠕化效果和较干净的基体组织。孕育不足时,白口倾向大；孕育量过大时,球状石墨数量增加且基体中铁素体含量过高。蠕化量不足时,有较多片状石墨生成；蠕化量过大时,铁液中RE残和Mg残过高,生成大量球状石墨。调整蠕化剂中RE/Mg值(质量比)在9-10范围内变化,气缸套试样均可获得良好的蠕化效果,在一定程度上拓宽蠕化操作的范围,降低了批量生产时蠕化控制的困难,实验中RE残和Mg残的适宜范围：RE残：0.050%～0.065%、Mg残：0.005%-0.010%。含硫量较高的铁液,所需蠕化量更大,同时蠕化效果不如低硫铁液稳定,蠕化操作不容易控制。添加适量的Cu、Cr、Mo、Ti等合金元素,调整铁液碳当量在4.3～4.6范围内并配合适当的热处理工艺,三者相结合可获得基体中珠光体含量高、无明显碳化物和莱氏体的蠕铁气缸套铸件。珠光体基体蠕铁气缸套的抗拉强度可达459.2 MPa,比孕育灰铁材质强度高156 MPa。正火处理可使珠光体的粒度、分布、形态发生变化,进一步改善蠕铁的力学性能,抗拉强度为477.3 MPa。气缸套不同区域的硬度稍有不同,外壁最高达245HBW,而中心和内壁略低,分别为236HBW和239HBW,均可满足性能要求和切削加工要求。珠光体蠕铁气缸套的综合耐磨性比灰铁高40%,而球铁气缸套则是灰铁材质的1倍以上。经优化得到适用于金属型离心铸造蠕铁气缸套的生产工艺如下：化学成分：C3.5%～3.7%、Si2.3%～2.5%、Mn0.4%～0.5%、P<0.04%、S≤0.015%、Cr0.15%～0.2%、Cu0.9%～1.0%、Ti0.05%～0.06%、Mo0.3%～0.4%、CE4.3～4.6;浇铸温度：1500～1550℃；添加适量(0.8%-0.9%)的优质蠕化剂(其中RE/Mg=9～10);一次孕育0.8%硅铁合金+二次孕育0.2%硅锶合金；合理的热处理工艺(1050℃保温4h,正火处理)。可稳定获得蠕虫状石墨形态良好(蠕化率≥80%)、基体为珠光体(珠光体含量≥80%)、基本无碳化物(<3%)的蠕铁气缸套。

全文目录

摘要  4-6
Abstract  6-11
1 绪论  11-23
  1.1 蠕墨铸铁的力学性能及应用  11-15
    1.1.1 蠕墨铸铁的力学性能  11-13
    1.1.2 蠕墨铸铁的应用  13-15
  1.2 气缸套常用材质及表面强化处理  15-17
    1.2.1 气缸套磨损形式  15-16
    1.2.2 气缸套常用材质  16
    1.2.3 气缸套表面强化  16-17
  1.3 蠕化剂和蠕化处理  17-19
    1.3.1 镁系蠕化剂  17
    1.3.2 稀土系蠕化剂  17-18
    1.3.3 钙系蠕化剂  18
    1.3.4 常用蠕化处理工艺  18-19
  1.4 蠕墨铸铁基体组织的研究现状  19-21
  1.5 本文的研究内容和技术路线  21-23
    1.5.1 研究内容  21
    1.5.2 技术路线  21-23
2 实验方案设计  23-31
  2.1 合金成分设计  23
  2.2 实验原材料及设备  23-26
    2.2.1 实验原料  23-24
    2.2.2 蠕化剂  24
    2.2.3 生产、检测设备  24-26
  2.3 熔炼及离心铸造工艺  26-27
    2.3.1 熔炼工艺  26
    2.3.2 离心铸造工艺  26-27
  2.4 显微组织分析  27-28
    2.4.1 金相显微组织分析  27
    2.4.2 SEM-EDS分析  27-28
  2.5 性能测试  28-31
    2.5.1 常温拉伸性能  28
    2.5.2 耐磨性能  28-30
    2.5.3 硬度  30-31
3 影响蠕化效果的因素  31-49
  3.1 孕育剂种类和孕育量对蠕化效果的影响  31-34
  3.2 蠕化剂对蠕化效果的影响  34-43
    3.2.1 蠕化量  34-39
    3.2.2 蠕化剂种类  39-40
    3.2.3 蠕化剂中RE/Mg值  40-43
  3.3 铁液含硫量对蠕化剂临界加入量的影响  43-46
  3.4 炉前三角试样与蠕化效果的关系  46-48
  3.5 小结  48-49
4 影响蠕铁基体组织的因素  49-60
  4.1 合金元素对蠕铁基体组织的影响  49-52
  4.2 热处理对蠕铁基体组织的影响  52-55
    4.2.1 正火处理  52-54
    4.2.2 退火处理  54-55
  4.3 涂料保温性能对蠕铁基体组织的影响  55-56
    4.3.1 卧式离心铸造工艺的温度场  55-56
    4.3.2 硅藻土、覆膜砂的保温性能对蠕铁基体组织的影响  56
  4.4 碳当量对蠕铁基体组织的影响  56-59
  4.5 小结  59-60
5 不同成分气缸套的力学性能和耐磨性能  60-67
  5.1 抗拉强度  60-61
    5.1.1 灰铸铁和蠕铁的抗拉强度  60-61
    5.1.2 热处理对抗拉强度的影响  61
  5.2 硬度  61-63
    5.2.1 气缸套不同部位的硬度  62
    5.2.2 不同成分蠕铁气缸套的硬度  62-63
  5.3 耐磨性  63-66
    5.3.1 气缸套径向磨损量  63-64
    5.3.2 活塞环闭口间隙磨损量  64-65
    5.3.3 气缸套—活塞环综合相对耐磨性  65-66
  5.4 小结  66-67
6 结论  67-68
参考文献  68-72
致谢  72-73
个人简历及在学期间发表的学术论文  73

离心铸造蠕铁气缸套生产工艺基础研究

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