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蠕墨铸铁在发动机气缸生产中的应用

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需要极为精确的控制范围,这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使用蠕墨铸铁批量生产的发动机气缸体在1999开始。今天每个月为发动机厂家或汽车制造商生产的蠕墨铸铁气缸体达数十万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陆虎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造成的增加热负载和机械负载就需要新的设计方案。汽车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能够支持3 ~ 4代车辆使用因此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40%的弹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。


1.蠕化率90%蠕墨铸铁微观结构

2.深腐蚀后电镜下的三维珊瑚状石墨

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更加优良力学性能。

蠕墨铸铁不可避免地要含有一些球状石墨。当球状石墨数量増加时强度和弹性模量増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

<0.02%以获得最好的加工性。

与传统灰铸铁相比蠕墨铸铁具备以下优势

√ 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

 降低噪音震动和改善不平顺性(NVH)

 缩短螺纹啮合深度从而缩短螺栓长度

与铝合金相比蠕墨铸铁的机械性能提供了以下机会

 整体尺寸小

 比性能高

 减小缸筒变形和油耗低

 无需缸套或表面刻蚀/涂层

 降低噪声震动和改善不平顺性善

 生产成本较低

 寿命周期能耗和CO2排放低

 可循环性高

与灰铸铁和铝合金相比,蠕墨铸铁的性能为提升乘用车和商用车发动机设计及功能提供了许多机会。从1999年开始生产到现在,蠕墨铸铁已经成为大批量生产发动机可靠的材料。




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