釩對灰鑄鐵氣缸套力學(xué)性能影響分析
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摘要：通過釩含量從0.1%到0.5%的變化，來檢測釩含量對灰鑄鐵氣缸套抗拉強(qiáng)度和硬度的影響。結(jié)果表明：在灰鑄鐵中，加入一定含量的釩，能顯著改善氣缸套的力學(xué)性能。在氣缸套生產(chǎn)中，提出釩含量的控制范圍不超過0.3%，并提出和銅元素聯(lián)合使用，提高其綜合性能。
關(guān)鍵詞：釩；灰鑄鐵；氣缸套；抗拉強(qiáng)度；硬度
引言
船用柴油機(jī)氣缸套，在工作時(shí)因承受高溫﹑高壓﹑摩擦﹑腐蝕等復(fù)雜應(yīng)力的作用，對其抗拉強(qiáng)度和耐磨性有較高的要求，一般選擇低合金灰鑄鐵作為氣缸套的使用材料，常用的材料有含磷鑄鐵﹑鉻鉬銅鑄鐵﹑硼鑄鐵等。隨著原油價(jià)格的上漲，較多的企業(yè)從使用成本的角度考慮，用重油代替輕質(zhì)油燃用，而燃油的劣質(zhì)化，更是加大了氣缸套的損耗，縮短了使用壽命和維修周期，增加了成本。因此，具有更高強(qiáng)度和耐磨性的氣缸套，成為人們進(jìn)一步追求的目標(biāo)。釩對灰鑄鐵力學(xué)性能的影響，已得到人們的認(rèn)可，含釩鑄鐵在氣缸套上的應(yīng)用，取得了不錯(cuò)的效果。從氣缸套生產(chǎn)的角度出發(fā)，探討釩含量對氣缸套力學(xué)性能的影響很有必要，本文對此進(jìn)行了研究。
1試驗(yàn)條件和方法
1.1試驗(yàn)條件
在某廠用于試驗(yàn)的鑄件是230型氣缸套，毛坯重量210kg，熔煉設(shè)備為0.5T中頻爐，鐵水出爐溫度＞1450℃，鐵水出爐后進(jìn)行孕育處理，澆注溫度＞1300℃，金屬模離心鑄造生產(chǎn)氣缸套，鑄型轉(zhuǎn)速＞800rpm。
1.2試驗(yàn)方法
在滿足氣缸套高強(qiáng)度低合金化要求的情況下，選擇低碳當(dāng)量CE%=3.6～4.3%（亞共晶）的鐵水成分?？紤]釩元素強(qiáng)烈的反石墨化能力，在合金的聯(lián)合使用上，配合一定含量的銅來中和釩的白口傾向。銅的加入既起到增加和穩(wěn)定基體組織中珠光體組織的作用，又作為促進(jìn)石墨化的元素，可抵消釩元素的加入而造成增大白口傾向的不利影響。在保持碳當(dāng)量CE%=3.6～4.3%穩(wěn)定范圍的情況下，通過含釩量從0.1%、0.2%、0.3%、0.4%、0.5%的變化，分別來檢測其對氣缸套抗拉強(qiáng)度和硬度的影響。原鐵液的化學(xué)成分如表1所示。鐵水出爐經(jīng)孕育處理后，澆注試塊，作成分分析。每爐澆注3根試棒，用干模砂型，經(jīng)機(jī)加工制成Φ20×225mm拉伸試棒，3根試棒拉伸強(qiáng)度的平均值作為試驗(yàn)數(shù)據(jù)。在氣缸套的本體截取環(huán)片，檢測硬度，在環(huán)片接近工作面的部位，取3次測試的平均值作為試驗(yàn)數(shù)據(jù)。
2試驗(yàn)結(jié)果及分析
試驗(yàn)結(jié)果測試的數(shù)據(jù)如表2所示。釩是強(qiáng)烈形成碳化物的元素，在鑄鐵中能形成幾種穩(wěn)定的碳化物（VC，V2C，V4C3）。釩與碳﹑氮具有很強(qiáng)的親和力，鑄鐵的含碳量較高，在各溫度范圍內(nèi)均可形成碳化物。釩在灰鑄鐵中增加介穩(wěn)定共晶平衡溫度，降低溫度共晶溫度，從而促進(jìn)共晶碳化物的形成。同時(shí)鑄鐵中存在一定的氮，在形成釩的碳化物的同時(shí)也易形成氮化物和碳氮化物。這些碳化物、氮化物中的釩是以固溶狀態(tài)和化合態(tài)彌散分布鑲嵌在鑄鐵基體上，作為硬質(zhì)相，強(qiáng)化和細(xì)化了珠光體，使含釩鑄鐵的機(jī)械性能有很大的提高。
2.1含釩量對抗拉強(qiáng)度的影響
含釩量和抗拉強(qiáng)度的關(guān)系如圖1所示。從圖1可見，碳當(dāng)量CE%在3.70～4.28%的范圍內(nèi)波動(dòng)，隨著釩含量的增加，抗拉強(qiáng)度呈上升的趨勢，而且比較明顯。每增加0.1%V，抗拉強(qiáng)度提高有10～20MPa。由此可見，釩含量對氣缸套抗拉強(qiáng)度的影響是顯著的。這是因?yàn)殁C是強(qiáng)烈的反石墨化元素，阻礙石墨的析出，使石墨變得細(xì)小，削弱了石墨對基體的割烈作用，從而使鑄鐵的抗拉強(qiáng)度顯著得到提高。同時(shí)，隨著釩含量的增加，也增大了白口傾向，促使基體內(nèi)硬質(zhì)點(diǎn)的產(chǎn)生，這就限制了它的作用。因此，釩含量對鑄鐵的影響并不是越高越好。有關(guān)文獻(xiàn)指出，鑄鐵中，加入量在0.3%以下時(shí)，釩的作用較易控制，釩明顯增加灰鑄鐵的共晶團(tuán)數(shù)量，可以有效地使石墨細(xì)化，并使珠光體增多，從而提高鑄鐵的強(qiáng)度，厚大截面的鑄件加入釩，可使整個(gè)截面的組織較為均勻，這是釩具有的非常重要的特點(diǎn)。
2.2含釩量對硬度的影響
含釩量和硬度的關(guān)系如圖2所示。從圖2中可以看出，隨著含釩量的增加，氣缸套環(huán)片的硬度也是呈現(xiàn)上升的趨勢，布氏硬度從HB220變化到HB270，硬度的提高是明顯的。同時(shí)也注意到，每增加0.1%V，可使珠光體灰鑄鐵的布氏硬度提高5～15HB。這是由于釩和碳、氮有很強(qiáng)的親和力，鑄鐵在凝固過程中，形成有極高顯微硬度的碳化物、氮化物及碳氮化物，釩有相當(dāng)部分是以塊狀的碳化物、氮化物及碳氮化物析出，彌散分布在基體上，隨著釩含量的增加，碳化物、氮化物的數(shù)量增多，基體中碳化物、氮化物的支撐作用加強(qiáng)，從而細(xì)化了珠光體，強(qiáng)化了鐵素體。由于釩碳化物的硬度很高，顯微硬度高達(dá)HV2800，鑲嵌在基體上，使得鑄鐵的宏觀硬度隨之增大。這就是釩鑄鐵氣缸套具有很高耐磨性的原因。在硬度提高、耐磨性增強(qiáng)的同時(shí)，一些不利的作用也顯現(xiàn)出來，機(jī)械加工性能顯著惡化，刀具磨損較快，甚至出現(xiàn)大量的白口。在鑄鐵組織中形成的碳化物等超過一定量以后不僅無益，而且會(huì)增大白口傾向，促使基體內(nèi)硬質(zhì)點(diǎn)的產(chǎn)生，并且通過熱處理后也無法消除，給切削加工造成極大困難。因此，灰鑄鐵氣缸套在改善性能的同時(shí)，含釩量也不是越多越好，而是應(yīng)該控制在一定的范圍內(nèi)。一般來講，灰鑄鐵的釩含量理論上推薦不超過0.3%，并且和銅元素配合使用，以中和釩在鑄鐵中的強(qiáng)烈作用而帶來的負(fù)面效果。
2.3碳當(dāng)量對抗拉強(qiáng)度和硬度的影響
氣缸套選擇低碳當(dāng)量CE=3.6~4.3%的鐵水成分，是要滿足其高強(qiáng)度的要求。大家都知道，灰鑄鐵的碳當(dāng)量越低，其抗拉強(qiáng)度越高，硬度也相應(yīng)增加。而隨著碳當(dāng)量的降低，必然導(dǎo)致鑄造性能降低、鑄件斷面敏感性增大、鑄件內(nèi)應(yīng)力增加﹑切削性能降低等問題。因此，鑄件碳當(dāng)量的選擇不是越低越好，應(yīng)根據(jù)鑄件的性能結(jié)構(gòu)優(yōu)選而定，不足的性能要求則必須輔以其它措施解決。低合金低碳當(dāng)量灰鑄鐵是氣缸套生產(chǎn)比較好的選擇。在合適的低碳當(dāng)量范圍內(nèi)，添加少量的合金，來滿足氣缸套的力學(xué)性能和使用性能要求。
2.4Si/C對力學(xué)性能的影響
在碳當(dāng)量保持不變的條件下，適當(dāng)提高Si/C比，強(qiáng)度性能會(huì)有所提高，切削性能會(huì)有較大改善。在氣缸套的生產(chǎn)中，這對釩元素的加入而導(dǎo)致白口傾向增大的不利影響能起到一定的抵消作用，從而獲得滿足使用要求的力學(xué)性能。在Si/C為0.70~0.75時(shí)，效果比較明顯。同時(shí)，也應(yīng)考慮到釩合金的價(jià)格一般比較昂貴，企業(yè)從經(jīng)濟(jì)性角度考慮，生產(chǎn)氣缸套可使用含釩生鐵，再補(bǔ)加一定量的含釩合金，獲得相應(yīng)的釩含量，以節(jié)省釩合金的用量，降低生產(chǎn)成本，提高經(jīng)濟(jì)效益。
3結(jié)論
①釩鑄鐵是比較好的耐磨材料，適合用作船用柴油機(jī)氣缸套的使用材料。②含釩量能顯著提高灰鑄鐵的抗拉強(qiáng)度和硬度，提高耐磨性。③灰鑄鐵氣缸套中，含釩量也不是越高越好，而是應(yīng)當(dāng)控制在一定范圍內(nèi)，一般不超過0.3%，并且是和銅元素一起聯(lián)合使用，有利于氣缸套綜合性能的提高。④提高Si/C比到0.70~0.75，有利于抵消釩元素強(qiáng)烈的反石墨化作用而產(chǎn)生的白口傾向。
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作者：嚴(yán)繼斌 單位：武漢船舶職業(yè)技術(shù)學(xué)院