6K缸盖用灰铸铁的Nb微合金化研究

摘要

6K缸盖是6K发动机上最重要的零件之一。为了提高缸盖的使用寿命,在灰铸铁中添加微量合金元素成为选择材料时的一种有效措施。本课题目的是:在国内某公司生产的灰铸铁材料基础上,通过Nb的微合金化,提高6K缸盖的综合力学性能,但不显著提高成本,使其满足应用要求。
　　本文通过对灰铸铁试样金相组织与力学性能的检测,分析了Nb在灰铸铁中的存在形式,Nb对灰铸铁组织和性能的影响规律及机制,并在此基础上,探讨了Nb对6K缸盖组织与性能的影响,确定了Nb最合适的添加量。最后开发出一种Nb微合金化高强度灰铸铁气缸盖,满足了应用要求。
　　研究表明,Nb在灰铸铁中以三种形式存在:(1)灰铸铁凝固之前,Nb与C结合,形成细小的NbC粒子存在于铁液中,这些粒子可以成为石墨的核心,起到孕育作用,导致石墨和共晶团的细化;(2)溶解在基体中,导致固溶强化;(3)形成富铌相镶嵌在共晶团边界上,这是Nb最主要的存在形式。富铌相是Nb、Mo和Ti的碳化物,呈条棒状(包括Y型和V型),长度为2-30μm。
　　Nb的加入,能使珠光体转变温度降低,共析过冷度增加,再加上固溶Nb的拖拽作用阻止了碳原子的扩散,导致珠光体片间距的减小。条状富铌相沿共晶团边界析出消耗了凝固后期铁液中的部分C元素,阻止了大块晶界碳化物和磷共晶的形成,使得碳化物和磷共晶的细化。添加微量铌后,珠光体片间距减小,石墨、共晶团、碳化物及磷共晶得到细化,再加上固溶于基体中的Nb产生固溶强化。因此,铸铁的抗拉强度、韧性、疲劳性能及热疲劳性能同时提高。
　　当Nb含量为0.20％时,抗拉强度和冲击功均出现最大值,且疲劳寿命和热疲劳寿命也比无Nb试样有明显提高,对于模拟气缸盖的板材,强度达到342MPa,成熟度高达1.20,表明此时的灰铸铁材料有很高的冶金质量。因此,我们把0.20%确定为Nb在气缸盖中最合适的添加量。
　　在原有的HT250材料成分中,我们通过添加0.20%的Nb元素并浇注出气缸盖本体,成功开发出一种Nb微合金化高强度灰铸铁气缸盖。这种气缸盖,本体强度均在300MPa以上,强度达到HT300牌号的要求。气缸盖通过了1000小时冷热冲击耐久性和2000小时十一工况耐久性台架试验考核,满足使用要求。

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1 绪 论

1.1 铌对灰铸铁力学性能的影响

1.2 铌对灰铸铁组织的影响

1.3 课题来源和背景

1.4 6K缸盖简介

1.5 缸盖问题及解决方案

1.6 研究目的和内容

2 试验方法

2.1 材料准备和铸造工艺

2.2 金相检验

2.3 力学性能测试

2.4 气缸盖工艺验证试验和台架试验

3 Nb对灰铸铁试样组织及性能的影响

3.1 金相组织

3.2 力学性能

3.3 成熟度

3.4 Nb对灰铸铁组织及性能的影响机理

3.5 本章小结

4 Nb微合金化高强度灰铸铁气缸盖的开发

4.1 工艺验证

4.2 台架试验验证

4.3 本章小结

5 结 论

致谢

参考文献

附录 攻读硕士学位期间发表论文目录