（亚新科国际铸造（山西）有限公司，山西 绛县 043605）

目前本公司承接的一般国内合资发动机工厂的缸体、缸盖对铸件本体力学性能的要求基本在280 MPa 以上。发动机缸盖因为其功能和使用工况更为复杂，产品结构也比发动机缸体复杂，因此缸盖的性能保证更为重要。随着发动机动力的不断提升和使用要求的提高，使得客户对缸盖的本体力学性能要求也大幅提高，有些客户已经将缸盖的本体力学性能提升到320 MPa.本文重点围绕高性能缸盖材质展开研究，并进行了生产应用。

1 化学成分选择

1.1 基本化学成分选择

C 和Si 是影响灰铸铁显微组织及最终性能的主要元素，生产中一般是通过调整和控制C 和Si 的含量，调整碳当量（CE）范围来确定初步的材料牌号和性能。采用低CE，适当增加合金，使灰铸铁的共晶点向左偏移，凝固范围变宽，在共晶反应前析出更多的初生奥氏体，奥氏体枝晶越多，奥氏体骨架得到强化，同时因为铸铁的凝固一般是亚稳定状态，因此可以提高灰铸铁中珠光体的比例，使灰铸铁的强度提高。发动机缸盖铸件结构复杂，不同位置的壁厚差距很大，薄壁位置只有5 mm，而进、排气道阀座中间位置壁厚达到40 mm 左右，如图1 所示。

图1 发动机缸盖结构剖面图

采用低CE 加合金的方法可以提高材料的性能，但随之带来的喷油孔加工后的缩松导致的泄漏问题导致铸件报废率上升。因此高CE、合金化及微量元素的使用才是高强度灰铸铁的正确研究方向。结合我公司对C 含量对铸件力学性能影响的分析结果（见图2），影响材质力学性能的主要因素为CE和ω（Si）/ω（C），其中过高的ω（Si）/ω（C）比，易使铸件表层产生过冷石墨，并使铸件性能下降，而且还增大了缩松泄漏倾向。

图2 C 含量对力学性能的影响

通过生产实践总结，本体强度要求320 MPa 以上的灰铸铁，选择CE 在3.85%～4.05%之间，ω（Si）/ω（C）比控制在0.55～0.65 范围较合适，进一步验证、分析确定C 质量分数控制在3.15%～3.28%范围，Si控制在1.65%～2.1%范围。其他有害元素的控制：P在铸铁中主要以磷共晶的形式分布在晶粒的边界上，减少了晶粒间的连续性，使铸铁的强度下降，硬度提高，使铸件容易产生冷裂缺陷，因此将其控制在0.07%以下；S 对石墨有双重作用，一方面硫是阻碍石墨化较强烈的元素，另一方面硫会与锰结合成MnS 及（Fe、Mn）S 化合物，以颗粒状弥散在铁液中，作为石墨的非均质晶核，又有利于石墨的析出，鉴于S 的双重性，将S 的范围控制在0.06%～0.12%.

1.2 合金及微量元素的合理使用

要提高灰铸铁的力学性能，在材质中增加一些必要的合金元素或者微量元素是重要措施之一。

1.2.1 Mn、Cu、Cr 元素

Mn 是阻碍石墨化、稳定碳化物的元素。锰可溶入渗碳体形成（Fe、Mn）3C，加强了碳原子与铁原子之间的结合力，使渗碳体更加稳定。锰阻碍共晶凝固时石墨化的作用不很强烈，而阻碍共析转变石墨化的作用则比较明显，故锰较强烈促进并稳定珠光体，使灰铸铁的强度有一定的提高。同时Mn 与铁水中的S 形成的MnS 化合物，还可以作为异质形核细化晶粒。综合分析将Mn 质量分数控制在0.7%～0.9%的范围。

Cu 可促进珠光体的形成而提高强度，是弱石墨化元素，能减少白口的倾向。Cu 单独使用时，质量分数在0.45～0.6%范围效果比较明显，再多效果就不明显了，需要配合着其他合金元素Mn、Cr、Mo 等一起使用，才能获得全部珠光体基体。

Cr 是强反石墨化、稳定碳化物的元素，增加白口倾向，反石墨化能力与硅的石墨化能力可相互抵消。Cr 也是强促进和稳定珠光体的元素，Cr 的加入量如果超过一定范围，会在铸件的薄壁位置产生渗碳体而影响加工性能，也容易在铸件厚大位置产生缩松而导致泄漏。但因其是强稳定珠光体、提高灰铸铁性能的必备元素，经过研究实践将Cr 质量分数范控制在0.15%～0.35%范围较合理。

1.2.2 Mo、Sn、Ni 元素

Mo 是强珠光体促成元素，还能细化石墨和珠光体，而且是弱的碳化物稳定元素，在高性能灰铸铁生产中常与Cu、Cr、Ni 等合金元素一起使用，以得到全部珠光体基体。Mo 还可以提高灰铸铁的抗疲劳能力，因此在高性能发动机缸盖中是必不可少的。

Sn 能强烈稳定珠光体，但不能细化珠光体。Ni促成珠光体形成作用弱，但能细化石墨和珠光体，因此要配合使用。考虑Sn，Ni，Mo 元素的加入对铸件的收缩率有一定的影响，综合分析，合金元素Mo 质量分数控制在0.25%～0.5%，Sn 控制在0.02%～0.07%，Ni控制在0.1%～0.6%范围较为合理。

1.2.3 N 元素

N 在铁水中的作用近年来越来越受到大家的重视。N 可在液态铸铁中存在，也可在固态铸铁中存在。N 可成为铁液凝固过程中的珠光体稳定剂，完全抑制或消除铸铁基体组织中的铁素体。N 对铸铁中石墨组织的形态、数量和分布均有显著的影响，使石墨片长度缩短，弯曲程度增加，端部钝化，长宽比减小。对于高碳当量的灰铸铁，加入适量的N 可达到全部珠光体。

随着铁水中N 含量的增加，抗拉强度相应提高。N 含量从0.008%增加至0.012%，抗拉强度约提高50 MPa～70 MPa 左右。如果铁水中N 含量大于0.012%，则在铸件壁厚厚大位置皮下出现氮气孔的缺陷概率上升，氮含量越高这种缺陷的比例越大。

2 炉料配比及熔炼工艺

当前主要采用中频感应电炉进行铁水熔化，为了得到高性能的灰铸铁，采用的是废钢（35%～60%）+回炉料（30%～50%）+增碳剂的炉料配比。废钢的质量是保证得到高性能灰铸铁的前提之一。灰铸铁的遗传性主要来自回炉料，因此回炉料的加入比例要进行适当的控制，要按照不同牌号范围和合金元素种类分类管理和使用，同时加入质量分数不能超过50%.

中频炉熔炼时，炉内材料的配比首先要保证C在合格的范围内，其次是Si.实际操作时一般将配料中C 质量分数控制在上限加0.05%～0.1%，炉内降碳比升碳要容易的多。铁水熔清并达到1 420 ℃左右取光谱样进行成分检测，然后根据检测的结果对铁水的成分进行一次调整，调整时将各种计算称量好的合金加入炉内。在温度达到1 500 ℃左右取第二次光谱样进行成分检测。在成份检测的过程铁水在中频炉内1 500 ℃～1 520 ℃温度范围进行8 min～10 min 高温静置，以获得更为洁净的铁水。最后根据二次成分的检测结果，在铁水包内对成分进行微调，同时加入硅铁孕育剂（铁水质量分数的0.15～0.3%）进行一次孕育，出铁扒渣后将铁水运至保温浇注炉。

3 高强度灰铸铁的孕育

中频炉的熔化和高温静置使铁水更洁净，同时也使铁水中能形核的质子减少，因此，铁水的孕育处理对获得高性能、金相合格的铸件至关重要。本公司目前采用的孕育方式分三步：一是出铁水时在铁水包的底部加入孕育剂，加入量0.2%；二是在铁水倒入保温炉前，将铁水表面的浮渣打干净后，将孕育剂加入铁水表面，加入量0.1%～0.2%，然后将铁水倒入保温炉中；三是浇注时在铁水流和浇口杯中进行随流孕育，加入量为0.05%～0.1%.孕育一般采用硅钡钙孕育剂。孕育处理的最佳温度为1 350 ℃～1 500 ℃，温度过高或过低，孕育处理的效果都会变差。第一步的出炉孕育出铁温度一般都高于1500℃，二三步的孕育温度合适，是关键的孕育步骤。

4 实验及生产结果

铸件成分设计及对铁水最终成分检测结果如表1 所示。

表1 铸件成分检测结果（质量分数，%）

在客户规定的位置取本体力学性能试棒，检测的抗拉强结果如图3 所示，全部达到320 MPa 以上要求。

图3 铸件本体力学性能检测结果

图4 金相组织分析

随机选取试棒拉断后的断面检测金相，如图4所示，A 型石墨90%以上，石墨长度4 级，珠光体含量100%.

5 结束语

研究及生产验证、实践表明，通过严格控制废钢质量、炉料配比、元素含量、熔化工艺以及孕育过程，最终成功实现本体抗拉强度达到320 MPa 的灰铸铁缸盖的稳定生产，为企业生产高性能灰铸铁件打下了基础。