汽车行业中的灰铸铁


Figure 1: Shown is the number of engine blocks produced by the use of grey iron and aluminium in Europe from 1999 to 2010.

图1:从1999年到2010年在欧洲灰铁发动机缸体和铝合金发动机缸体的数量对比

与 铝合金和蠕铁铸铁相比灰铸铁是否仍然是汽车零部件材质的优良选择之一?本文回顾了关于金相结构对灰铸铁的机械和热性能影响的最新研究成果;尤其是对几种特殊合金元素如钒和氮的对灰铁性能影响的最新发现。同时介绍了一种生产高强灰铁的生产工艺,同时具有较好的热力学特性和良好的机加工性能。

在快速增长的汽车行业中为了降低能耗和排放,我们一直在为乘用车和卡车研究更轻、效率更高的发动机。在欧洲,尾气排放标准的立法从1992年的欧标1到2014年达到欧标6;从欧标5提高的欧标6将会增加关于NOx 粒子的排放的要求,与柴油发动机相比汽油发动机更容易达到这样的标准;这要求汽油发动机必须具有更高的燃烧效率获得CO2。

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图2:灰铁缸体和铝合金缸体与发动机功率的关系

对于汽车行业的能耗和尾气排放的要求,促使汽车发动机向着轻量化、高效率的方向发展。轻量化在一定程度上可以通过使用铝合金或复合合金材料来替代铸铁材料来实现。

在欧洲,发动机中铝合金占有的比例从10到15年前较低的水平增加到2007年的50%左右。从2007年以来发动机中铝合金和铸铁的比例基本保持不变,但是最近发动机中铸铁产量的增长速度要比铝合金的要快很多,预估2012年在欧洲铸铁发动机缸体占有的比例会达到60%,而铝合金缸体的比例会在40%,见图1 [1] 所示。这是由几方面原因引起的。一方面是由于对汽油和柴油发动机功率提升的要求,提高了材料对燃烧压力和机械应力的要求,从而限制了铝合金的使用;另外一个方面是铸铁厂一直致力于灰铸铁的轻量化和精简化的发展。见图2和图3所示的关于重量对比和尺寸缩小案例 [1] 。

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图3:尺寸精简化,使用四缸的灰铁缸体来替代六缸的铝合金缸体

材质考虑

传统的发动机缸体都是采用的灰铁材质。这种材料具有很好的机械性能和热性能可以应用与汽车的发动机和制动部件中,同时它还具有很好的铸造性能,这些特点使得该材料可以用于汽车零部件的生产中。

Figure 4: Shown is UTS of gray iron vs. carbon equivalent and solidifying rate.

图4:灰铁的抗拉强度与碳当量和凝固速率的关系

然而由于重量的要求,灰铁受到了铝合金和蠕墨铸铁的冲击,但是生产这二种材料的铸件价格更贵,耗能更高。受这些冲击的影响,对于发动机缸体铸造厂需要生产出比传统灰铁具有更好机械性能等级的灰铁。

提高灰铁强度的方法有几种,但是控制灰铁强度最主要的因素是控制石墨片的尺寸和长度。控制石墨片尺寸和长度的最重要的因数是凝固速度。较高的凝固速度会带来较短的石墨片和较高的强度。

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图5:灰铁的抗拉强度和氮含量的关系

第二个因素是碳当量,尤其是碳的含量。较高的碳当量和碳含量会给组织带来更多的碳和更长的石墨片,如图4[2]所示的机械性能与冷却速度和碳当量的关系。第三个因素是影响石墨片生长的元素,如氮和钒。

控制石墨片长度的最后一个因素是孕育。典型的孕育良好的铸铁具有好多的晶胞数量,因此与孕育较差的铸铁相比具有较短的石墨片。然而孕育良好的益处在于可以有效的减少薄壁处渗碳体的形成,从而改善机加工性能。

综上所述,显然提高灰铸铁强度的可以通过加速凝固速度或者减少碳当量的方法来实现。这二种提高强度的方法会带来一些缺陷。较低的碳当量会降低其铸造性能,同时会增加缩松缺陷和碳化物的几率。提高凝固速度同时也会增加碳化物形成的风险。

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图6:碳当量,钒和钼对灰铸铁金相结构的影响

由于这些不良因素的存在,我们可以寻找一些其他的方法来细化石墨结构的同时不会降低碳当量,从而保证灰铁仍然具有较好的铸造性能和机加工性能。

M.C.McGrath[3] 等人在关于氮,铝和钛对灰铁的影响做了一系列研究,研究发现这些元素能够改变石墨片的长度。氮可以缩短石墨片的长度,但是如果同时加入铝和钛石墨片的长度又会增加。

Figure 7: The addition of vanadium and vanadium plus molybdenum gives a more refined grain structure at the same CEV with shorter and more uniform graphite flakes (X20).

图7:钒和钒钼在对灰铸铁共晶团结构的影响

这可能是由于铝和钛可以形成稳定的氮化物,从而中和氮的有益影响。K. Eriksson等人发明了新等级的灰铁,声称这种灰铁有足够的强度来承受新一代发动机产生的较高的缸体压力。根据他们的见解,该种灰铁具有很好的机加工性能同时能够在不产生气孔的情况下进行生产。

最好的解决方法是在控制氮的含量,在铸铁中氮的含量理想范围为0.0095到0.0160%,如图5[4]所示。容易和氮发生反应的元素如钛和铝也应该要严格控制在一个较低的水平,以避免和氮发生反应而消除了氮的有益作用,同时也可以避免钛和氮反应生成氮化钛颗粒引起的机加工问题。

另外一种可以细化石墨结构的元素是钒。

A.M.Sage 和 J.V.Dawson[5]在多份报告中总结了钒在灰铁中的作用,钒在单独或者和钼一起加入灰铁时,可以提高用于汽车制动部件灰铸铁的强度。在含碳3.6%的灰铁中加入0.4%的钒可以获得和含碳3.2%的灰铁(抗拉强度超过250MPa)相同的抗拉强度,同时具有含碳3.6%灰铁的抗热疲劳特性。他们还宣称在含钒的高碳灰铁在加入铜合金并经过良好的孕育后,可以获得较低的白口倾向。

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图8:在灰铸铁中钒对珠光体结构的影响。

P.S Mitchell[6]对A.M.Sage 和 J.V Dawson的试验结果进行了进一步的分析和总结。钒和钼在对白口倾向和机械性能的作用如下表1和表2所示。他发现在高碳当量的灰铁中适量地加入钒和钼只引起白口倾向细微的增加。这种白口倾向可以通过后期在浇注之前良好的孕育处理来消除。机械性能上来看,可以发现钒对提高灰铁强度的作用大约是钼的二倍,当二者同时加入时它们的作用是叠加的。

Figure 9: Shown is tensile strength vs. vanadium content in gray cast iron.

图9:灰铁的抗拉强度和钒的含量之间的关系

图6和图7中展示了微观金相结构和共晶结构,可以看出在相同的碳当量下钒和钼可以带来更加细化的石墨结构以及更加均匀的石墨片。与未加合金的铸铁相比,在加钒的铸铁中可以发现更加细小、数量更多的共晶团。最后从图8中珠光体的片层结构来看,铸铁中可以使用钒来缩小珠光体的片层间距从而获得细化的珠光体。

Dirk Radebach[7] 进一步确认了其他作者关于钒的作用的推论。他发现钒在提高灰铁强度上有个极大值;在钒的加入量超过该点时,会降低灰铁的强度,如图9所示。这是由于钒含量过高会带来大量的碳化钒引起的,其可以割裂基体组织,从而降低强度。他在解释通过细化石墨结构来提高强度,是因为获得了更多的圆滑的片状石墨的原因如图10所示。

讨论

Figure 10: The increase in strenght by the refining of graphite structure with more rounded graphite flakes is depicted in this schematic model.

图10:钒对石墨片形状影响的图解模型。

从以上的研究结果看,氮是一种提高灰铁强度的高效元素。然而在使用氮作为强化元素的同时会带来一些挑战和限制。其一要确保氮在铸铁中不能产生裂隙状的氮气孔。

随着铸件的壁厚增加氮气孔风险也会相应增高,因此我们必须要建立壁厚和氮含量之间的对照表。另外氮会和一些孕育剂中的元素进行反应从而形成氮化物;故推荐在使用氮时,要使用含锆和铝较低的孕育剂,可以使用含锶孕育剂例如Superseed®75孕育剂,这种孕育剂不含锆同时铝含量很低。

Figure 11: Shown is the effect of preconditioning using Alinoc containing preconditioner.

图11:使用含铝预处理剂的作用

当在系统中单独或同时加入钒、钼来提高强度时,最有可能产生的缺陷就是碳化物和其引起的不良的机加工性能。它们在系统中产生的白口倾向,已被证实可以使用含锆和铝的预处理剂和高效孕育剂结合处理来有效的消除白口的形成,改善机加工性能。图11和表3,展示的是生产汽车零部件的铸造厂在使用预处理剂结合不同孕育剂时对白口和机加工性能的影响。预处理剂Preseed™和孕育剂Zircinoc®的组合被证实在灰铁中可以有效的降低白口倾向,同时不降低灰铁的强度[8][9]。