蠕墨铸铁现代发动机设计的材料

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1、-7-蠕墨铸铁--现代发动机设计的材料史蒂夫·道森博士(DrSteveDawson)，欣特卡斯特(SinterCast)摘要提高燃油经济性和功能以及降低排放的需求不断给发动机设计者和所选用的材料提出挑战。本文评述了蠕墨铸铁，灰铸铁和铝合金的性能并阐述了蠕墨铸铁的性能可以怎样来优化发动机的设计和功能。基于在欧洲，亚洲和美洲的生产经验，应用蠕墨铸铁铸铁可以为减轻发动机的重量，尺寸，提高动力，降低噪音，震动和改善不平顺性提供新的机会。对于重载发动机来说更是如此。在乘用车中，采用蠕墨铸铁可以生产更小更紧凑的发动机缸体，这就使得整装蠕墨铸铁发动机比同样排量的铝合金发动机重量更轻。文中以V6和V8柴油

2、发动机为例阐述了这种设计。本文还对蠕墨铸铁和铝给出了从开采石油到精炼汽油的能耗比较，比较结果更有利于铸铁气缸体。前言虽然在1948年人们就首次观察到了蠕虫状石墨铸铁，但是稳定生产蠕墨铸铁所需的狭窄控制范围妨碍了像气缸体这样复杂蠕墨铸铁零件的大批量生产;直到有了先进的过程控制技术，大批量生产才成为可能。还有，大批量生产还必须等到现代测量电子学和计算机技术的到来。随着1990年代铸造技术的发展和铸造方案的解决，第一款批量生产的发动机气缸体在1999年开始生产。今天，每个月为发动机和汽车制造商生产的蠕墨铸铁气缸体超过50,000个，其中包括：奥迪，克莱斯勒，达夫，戴姆勒，福特，现代，美洲豹，吉普

3、，陆虎，曼，纳维斯达，梅赛德斯，标致-雪铁龙，雷诺，斯坎尼亚，大众和沃尔沃。排放法规和对小体积高比性能的需求继续驱动柴油发动机技术的发展。虽然较高的的最高点火压力Pmax提高了发动机的燃烧效率，功能并使发动机更精致，所造成的增加的热负载和机械负载就需要新的设计方案。设计工程师需要在增加传统灰铸铁和铝合金零件的壁厚与重量和采用更高强度的材料，特别是蠕墨铸铁之间做出选择。鉴于新发动机设计方案通常倾向于支持3到4代的车辆，所选用的工程材料必须既能满足当前设计需求，同时又能为未来性能的提升提供潜力，而且无须改变缸体的整体结构。较之普通灰铸铁和铝合金，蠕墨铸铁具有至少高75%的抗拉强度，高40%的弹

4、性模量和几乎高一倍的疲劳强度；因此蠕墨铸铁就能很好地满足当前的和将来的发动机设计和功能的需求。微观组织与性能-7-如图1所示，蠕墨铸铁中的石墨呈现为单独的‘蠕虫状’颗粒。正如在灰铁中一样，这些石墨颗粒是任意排列的长条状的，但是长度较短，厚度较厚，并且边缘也比较圆。虽然在二维平面观察时这些颗粒呈现蠕虫状，但是经深腐蚀在扫描电镜下(图2)观察时，这些单独的‘蠕虫’在共晶团内是与其近邻的石墨互相连接的。这些复杂的，珊瑚状的石墨形貌再加上不平整的表面和圆的边缘，使得石墨与铁基体之间有较强的结合力。这种蠕虫状石墨形貌阻止了裂纹的萌生和扩展。这就是为什么蠕墨铸铁比灰铸铁具有优良力学性能的原因。图1:蠕

5、化率90%的蠕墨铸铁的微观结构图2:深腐蚀后在扫面电镜下显示了复杂的三维珊瑚状石墨。蠕墨铸铁不可避免地要含有一些球状石墨。当球状石墨数量增加时，强度和弹性模量增加，但是铸造性能，机加工性和导热率也随之降低。因此，微观组织的标准必须根据生产需求和产品的性能要求来选择。就气缸体来说，铸造性能，机加工性和导热率都是非常重要的，需要很窄的微观组织标准。典型的蠕墨铸铁微观组织标准摘要如下：·80%以上的蠕化率以防止渗漏缺陷，和提供最好的机加工性和导热性。·无片状石墨--片状石墨（如灰铸铁中的一样）将造成局部弱点。·珠光体>90%以提供高的强度和一致的性能。·钛<0.02%以获得最好的加工性。这种通常

6、的标准规定将在25mm直径试棒上获得最小450MPa的强度，与国际蠕墨铸铁标准ISO16112牌号GJV450的标准一致。该牌号蠕墨铸铁的典型机械性能与普通灰铸铁(国际标准GJL250)，合金灰铸铁(国际标准GJL300)和铝合金相比在下列表1中摘要列出：表1:蠕墨铸铁，传统灰铸铁和铝合金在20ºC时机械和物理性能的比较性能单位GJV450GJL250GJL300A390.0抗拉强度MPa450250300275弹性模量GPa14510511580延伸率%1-2001-7-扭转-弯曲疲劳(20ºC)MPa210110125100扭转-弯曲疲劳(225ºC)MPa20510012035泊松比

7、0.260.270.270.33导热系数W/m-K364639130热膨胀系数μm-m-K12121218密度g/cc7.17.17.12.7布氏硬度BHN10-3000215-255190-225215-255110-150发动机设计的机会与传统灰铸铁相比，蠕墨铸铁提供了以下机会:·在当前运行负载下减小壁厚·通过提高Pmax和负载提高比性能·由于减少了铸态性能波动，可减小安全系数·减小缸筒的膨胀和变形·降低噪音，震动和