釩對灰鑄鐵氣缸套力學性能影響分析
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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；抗拉強度；硬度
引言
船用柴油機氣缸套，在工作時因承受高溫﹑高壓﹑摩擦﹑腐蝕等復雜應(yīng)力的作用，對其抗拉強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，具有更高強度和耐磨性的氣缸套，成為人們進一步追求的目標。釩對灰鑄鐵力學性能的影響，已得到人們的認可，含釩鑄鐵在氣缸套上的應(yīng)用，取得了不錯的效果。從氣缸套生產(chǎn)的角度出發(fā)，探討釩含量對氣缸套力學性能的影響很有必要，本文對此進行了研究。
1試驗條件和方法
1.1試驗條件
在某廠用于試驗的鑄件是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試驗方法
在滿足氣缸套高強度低合金化要求的情況下，選擇低碳當量CE%=3.6～4.3%（亞共晶）的鐵水成分。考慮釩元素強烈的反石墨化能力，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度和硬度的影響。原鐵液的化學成分如表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)機加工制成Φ20×225mm拉伸試棒，3根試棒拉伸強度的平均值作為試驗數(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數(shù)據(jù)。
2試驗結(jié)果及分析
試驗結(jié)果測試的數(shù)據(jù)如表2所示。釩是強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，從而促進共晶碳化物的形成。同時鑄鐵中存在一定的氮，在形成釩的碳化物的同時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，強化和細化了珠光體，使含釩鑄鐵的機械性能有很大的提高。
2.1含釩量對抗拉強度的影響
含釩量和抗拉強度的關(guān)系如圖1所示。從圖1可見，碳當量CE%在3.70～4.28%的范圍內(nèi)波動，隨著釩含量的增加，抗拉強度呈上升的趨勢，而且比較明顯。每增加0.1%V，抗拉強度提高有10～20MPa。由此可見，釩含量對氣缸套抗拉強度的影響是顯著的。這是因為釩是強烈的反石墨化元素，阻礙石墨的析出，使石墨變得細小，削弱了石墨對基體的割烈作用，從而使鑄鐵的抗拉強度顯著得到提高。同時，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)文獻指出，鑄鐵中，加入量在0.3%以下時，釩的作用較易控制，釩明顯增加灰鑄鐵的共晶團數(shù)量，可以有效地使石墨細化，并使珠光體增多，從而提高鑄鐵的強度，厚大截面的鑄件加入釩，可使整個截面的組織較為均勻，這是釩具有的非常重要的特點。
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，從而細化了珠光體，強化了鐵素體。由于釩碳化物的硬度很高，顯微硬度高達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、耐磨性增強的同時，一些不利的作用也顯現(xiàn)出來，機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，而且會增大白口傾向，促使基體內(nèi)硬質(zhì)點的產(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，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烈作用而帶來的負面效果。
2.3碳當量對抗拉強度和硬度的影響
氣缸套選擇低碳當量CE=3.6~4.3%的鐵水成分，是要滿足其高強度的要求。大家都知道，灰鑄鐵的碳當量越低，其抗拉強度越高，硬度也相應(yīng)增加。而隨著碳當量的降低，必然導致鑄造性能降低、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。低合金低碳當量灰鑄鐵是氣缸套生產(chǎn)比較好的選擇。在合適的低碳當量范圍內(nèi)，添加少量的合金，來滿足氣缸套的力學性能和使用性能要求。
2.4Si/C對力學性能的影響
在碳當量保持不變的條件下，適當提高Si/C比，強度性能會有所提高，切削性能會有較大改善。在氣缸套的生產(chǎn)中，這對釩元素的加入而導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性能。在Si/C為0.70~0.75時，效果比較明顯。同時，也應(yīng)考慮到釩合金的價格一般比較昂貴，企業(yè)從經(jīng)濟性角度考慮，生產(chǎn)氣缸套可使用含釩生鐵，再補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氣缸套的使用材料。②含釩量能顯著提高灰鑄鐵的抗拉強度和硬度，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烈的反石墨化作用而產(chǎn)生的白口傾向。
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作者：嚴繼斌 單位：武漢船舶職業(yè)技術(shù)學院