奥贝球墨铸铁在船舶发动机气缸套中的应用

■ 张加中，戚娟娟，高金刚

“十二五”期间，我国内燃机行业将应对国内外发展环境的重大变化，保持全行业经济效益的稳定增长，同时坚决履行节能减排的重大社会责任。船舶大功率发动机是主要的燃油消耗源和污染排放源，在全行业节能减排中将肩负重大的历史责任和社会责任，同时船舶发动机气缸套作为主要易损件，制造过程中消耗大量原材料和煤电能源。因此研发高强度、高耐磨性能的船舶发动机气缸套，延长气缸套正常使用寿命具有重要意义。

一、合金铸铁与奥贝球墨铸铁的比较

目前，船舶发动机气缸套材质多采用磷铜钛、钒钛、镍钼铜等合金铸铁，热处理选用渗氮处理，气缸套抗拉强度为250～300MPa，硬度为230～290HBW，强度及耐磨性差，缸套使用寿命短，发动机能耗高，排放超标。

等温淬火球墨铸铁是通过等温淬火处理得到以奥氏体、贝氏体组织为基体的球墨铸铁，也称之为奥贝球墨铸铁，简称ADI。奥贝球墨铸铁具有以下优点：①强度高，韧性好。②耐磨性、抗磨性好。③减震性好。④成本低、具有较好的经济性能。

鉴于上述优点，奥贝球墨铸铁越来越广泛地被应用于发动机零部件上，如果奥贝球墨铸铁材质被应用于船舶发动机气缸套上，将极大地提高船舶发动机耐磨性及使用寿命，降低船舶发动机的燃油消耗，减低发动机废气污染物的排放。

二、热加工工艺选择

奥贝球墨铸铁的热加工工艺过程分为铸造和热处理两个部分。在铸造过程中主要控制：铸铁的成分、熔炼与浇注温度、球化与孕育工艺；热处理主要控制的参数是：奥氏体化温度、等温淬火的温度和时间等。

1. 化学成分的选择

化学成分的选择是获得奥贝球墨铸铁的一个重要因素，有关文献推荐的化学成分见附表。

奥贝球墨铸铁各组成元素的作用及其对力学性能的影响如下。

（1）碳是石墨化形成元素，具有稳定奥氏体、阻碍贝氏体转变的作用，球墨铸铁中碳高可阻碍渗碳体的析出。

（2）硅在球墨铸铁中可以促进石墨化，随着硅量增加，石墨球径细小，铁素体量增加，从而提高球墨铸铁的力学性能，硅本身是负偏析元素，对基体有强化作用，在等温淬火时可抑制碳化物的形成。

（3）锰是很容易偏析的元素，常在晶界大量富集，使共晶团边界出现游离渗碳体和马氏体，严重恶化力学性能，一般控制锰在wMn≤0.35%。

（4）磷很容易偏析，一般含磷量接近0.1%就会出现2%～3%的磷共晶，磷对等温淬火球墨铸铁有明显的脆化作用。

奥贝球墨铸铁化学成分（质量分数） （%）

（5）硫在球墨铸铁中与球化元素有很强的化合能力，生成硫化物和硫氧化物，不仅消耗球化剂，造成球化不稳定，而且还使夹杂物数量增多，球化衰退速度加快。熔炼过程中硫一般从增碳剂中摄入，过程控制是尽可能降低原材料中硫含量的同时采取炉前脱硫措施，当原铁液中的wS＞0.02%时，必须采用脱硫处理。

（6）铜能有效抑制等温转变时的碳化物的形成，所以能显著提高等温淬火球墨铸铁的塑性和韧性，适当增加铜含量可以提高铸件的淬硬性。

（7）镍可以轻微降低其抗拉强度，但可以显著提高塑性和韧性，适当增加镍含量可以提高铸件的淬硬性。

（8）钼是一种具有很强淬透性的元素。可以阻碍珠光体的转变，而不阻碍针状铁素体的转变；与镍有相反的偏析方式，因此不产生大块晶间碳化物的条件下能使基体显微硬度达到比较好的平衡。

2. 熔炼及浇注工艺

奥贝球墨铸铁的熔炼和浇注按以下步骤进行。

（1）熔炼配料 各组成成分按如下的重量百分比配料：wC＝3.3%～3.8%，wSi＝2.3%～2.8%，wMn≤0.35%，wP≤0.02%，wS≤0.03%，wCu＝0.3%～0.6%，wNi＝0.4%～0.7%，wMo≤0.5%，wMg＝0.03%～0.06%，wRE＝0.01%～0.04%，其余为Fe。

（2）熔炼设备 采用中频感应电炉熔炼，铁液出炉温度为1460～1490℃。

（3）球化和孕育 采用冲入法进行球化，球化处理后温度为1430～1450℃。球化剂采用QRMg8RE5（JB/T9228—1999），加入量为1.2%～1.3%，孕育剂为75SiFe，加入量为1.4%。75SiF分两次加入，第一次与球化剂同时加入包底，加入量为1.0%，第二次是在处理完后在铁液面上加入，加入量为0.4%。

（4）采用金属型离心浇注，按常规球墨铸铁浇注方法生产气缸套铸件。

3. 热处理工艺

奥贝球墨铸铁船舶发动机气缸套热处理包括奥氏体化和等温淬火，具体方法如下。

（1）将气缸套半成品加热至845～870℃，保温1.6h，使组织完全奥氏体化。奥氏体化升温和保温在箱式电阻炉中进行，用温度控制器控制温度，温度波动在±3℃以内。

（2）等温淬火温度控制在285～315℃，放置在盐浴中等温保持1.8h，然后取出空冷。采用硝盐浴处理（成分为50%NaNO3+50%KNO3）。采用温度控制器自动控制温度和水银温度计人工控温的双重控温方法。温度波动在±5℃以内。

需要注意的是，随着奥氏体化温度的提高，会引起奥氏体中C的溶解度增加，减慢贝氏体转变速度，阻碍贝氏体的形成，残留奥氏体将增多；同时奥氏体化温度提高，会使奥氏体晶粒粗大，导致等温转变形成的贝氏体粗大。因此，在保证完全奥氏体化的前提下，应适当降低奥氏体化温度。

三、结语

奥贝球墨铸铁船舶发动机气缸套材质的基体组织是贝氏体加残留奥氏体，石墨形状主要呈球状，余为少量团状和极少团絮状。气缸套的抗拉强度＞900MPa，表面硬度为290～350HBW。

奥贝球墨铸铁气缸套强度、韧性及耐磨性远高于各种合金铸铁材质，高于贝氏体灰铸铁和普通球墨铸铁材质。奥贝球墨铸铁气缸套工作表面具有自润滑性，减磨、抗磨，使用过程中不断产生自硬层，不断提高强度和耐磨性，同时具有减震性能，可降低噪声，减轻穴蚀，生产的气缸套使用寿命长，发动机能耗及排放低。