做作为汽车排气歧管材质的高硅钼球墨铸铁的研究（可编辑）

做作为汽车排气歧管材质的高硅钼球墨铸铁的研究（可编辑） 做作为汽车排气歧管材质的高硅钼球墨铸铁的研究 摘要 汽车排气歧管通过法兰盘与发动机相连,是排气系统温度最高的部件。排气歧管经受排出的高温气流热循环冲击,以及行驶中恶劣的气候条件等,要求发动机排气歧管的材料更加耐热、耐氧化,排气歧管应具有良好的中、高温机械性能和使用性能。 高硅钼球铁为目前汽车排气歧管最主要材料,较其他材料有诸多优越性,如良好的高温强度、热疲劳性,优异的耐氧化性、生长性和良好的高温抗蠕变性,并且高硅钼价格适中,可以大量生产。因此本实验研究通过对高硅钼球做热疲劳实验,研究分析它的一些性能。 热疲劳试验选择多个试样,除原始铸态试样外,做两组实验,热疲劳实验下限温度相同,都是室温,上限温度分别为900?和850?。其中由于高硅钼球墨铸铁汽车排气歧管的工作温度是850?,故850?为试样实验重点。试样在加热10分钟后,取出淬火,再加热。 记录 混凝土 养护记录下载土方回填监理旁站记录免费下载集备记录下载集备记录下载集备记录下载 次数,及试样的尺寸变化,以及裂纹第一次出现的次数及裂纹变化。 热疲劳结束后,采用D/ 2500 X射线衍射仪、JSW-5310和JXA-840扫描电镜、LinK-ISIS能谱和OLYMPUS-PMG3金相显微镜分别对高硅钼球铁显微组织进行观察。运用扫描电镜观察热疲劳裂纹形貌及裂纹萌生和扩展特征,分析裂纹形成及扩展机理。 关键词:高硅钼球铁、热疲劳性、裂纹。 Abstract Exhaust manifold is connected with the engine by the flange, and it is the highest temperature component in the exhaust system. Suffered from high-temperature air cycle impact and trouble weather conditions during driving, the material of the engine exhaust manifold requires better properties, such as heat resistance, high temperature oxidation, and thermal fatigue. The exhaust manifold should have the high temperature mechanical performance and good service behavior. High silicon SiMo nodular cast irons are currently used to produce exhaust manifolds and turbochargers, and they have many advantages over other materials, such as good high temperature strength, thermal fatigue resistance, excellent oxidation resistance, growth properties and good high temperature creep resistance. And high silicon SiMo nodular cast irons are affordable, so they can be mass produced. Therefore, this experiment is made by studying high silicon SiMo nodular cast irons’ thermal fatigue, which aims at analyzing its some properties. In the thermal fatigue testing we select some samples. In addition to the original cast sample, we divide the samples in two groups. The lower experimental temperature are the same in the thermal fatigue testing which are all room temperature, and the imum experimental temperature are 900 ? and 850 ? independently. Because high silicon SiMo nodular cast irons exhaust manifolds are worked at 850 ?, the testing at 850? is main part. The samples are heated for 10 minutes, then we remove them out of the furnace, quenching, and continue reheating. We record the number of thermal fatigue, and the sample’ size changed, and the numbers of cracks the first time appear and cracks changing. After thermal fatigue testing, we observe high silicon SiMo nodular cast irons’ microstructure by using D / 2500 X-ray diffraction, JSW-5310 and JXA-840 scanning electron microscope, LinK-ISIS spectroscopy and optical microscopy. We observe the thermal fatigue cracks and the cracks’ initiation and extending by the electron microscope. Meanwhile we analyze the mechanism of the cracks’ initiation and extending. Key words: high silicon SiMo nodular cast irons, thermal fatigue, cracks. 目录 第1章 绪论 1 第1节 选题目的与意义 1 第2 节 汽车排气歧管材质的要求 2 2.1 抗氧化性与抗生长性 3 2.2 热疲劳性 4 2.3 稳定的显微组织 4 2.4 其他性能 4 第3节 汽车排气歧管材质的发展 5 3.1 排气歧管用铸铁 5 3.2 排气歧管用耐热不锈钢 12 第4节 高硅钼球墨铸铁 13 第5节 小结 15 第2章 实验材料及实验方法 16 第1节 实验材料及制备 16 1.1 化学成分确定 16 1.2 实验材料制备 18 第2节 分析与测试方法 21 2.1 热疲劳试验方法 21 2.2 微观组织分析 22 第3节 实验设备简介 22 3.1 冷场发射扫描电子显微镜(JSM-6700F) 22 3.2 D/ 2500 PC X射线衍射仪 23 第3章 实验中裂纹形成及扩展 24 第1节 试样的处理方法 24 第2节 裂纹形成及扩展 24 第3节 实验结果分析 28 第4章 显微组织及实验结果分析 35 第1节 高硅钼球墨铸铁的显微组织 35 第2节 高硅钼球铁铸态显微组织 36 第3节 裂纹及其附近组织观察 39 结论 42 致谢 43 参考文献 44 绪论 第1节 选题目的与意义 汽车产业近年来一直是国家支柱性产业之一,汽车在给人类带来交通便利的同时,由于其造成的废气也对环境产生恶劣影响。而当今世界,环保对汽车的要求越来越高,相应地对排气管这一重要环保件提出了更高要求。同时改善排气歧管性能还可同时节省能源,使得对汽车排气歧管材质的研究势在必行。排气歧管作为汽车最主要的耐高温部件,所用材质的性能、寿命等问题也因此受到各国材料工作者关注[1-2]。尤其近年来世界能源消耗等问题的日趋严重,汽车工业面临着严峻的挑战,减少废气排放保护环境已经成为对于汽车排气系统的重要要求[3]。 汽车排气歧管是最靠近发动机的器件,工作环境十分恶劣。一般耐热件是在均匀、恒定的高温下工作,但排气歧管是在温差很大的环境中使用。高温气流的热循环冲击频繁,行驶中恶劣的气候条件,要求汽车排气歧管应该具有良好的高温机械性能和使用性能。早期汽车发动机的功率低,燃烧效率不高,排出的废气温度一般不会超过500?,但是随着发动机效率的提高,排气温度也随之提高。近 年来一些欧美国家尤其是美国不断提高汽车尾气排放的 标准 excel标准偏差excel标准偏差函数exl标准差函数国标检验抽样标准表免费下载红头文件格式标准下载 ,同时催化技术和蜗轮增压技术的应用也使得汽车排气歧管的工作温度提高。现在排气歧管的工作温度已经达到了900?以上[4],甚至更高。与此同时,排气歧管的结构也复杂化,这就要求排气歧管材料在循环交变温度状态的工作环境下不仅要具有良好的高温使用性能,还应具备良好的铸造性能。中国已成为汽车制造的大国,但并非汽车制造技术的强国,汽车行业的竞争核心是技术水平的竞争,新技术的研究与应用是提升我们汽车制造水平的重要途径。高硅钼球铁使用于耐高温的汽车耐热零件,其应用效果明显好于HT250、蠕铁和普通球铁,在美国成为汽车耐热件(如排气歧管)的首选材料,在欧洲、日本等发达国家也被广泛应用,而国内汽车排气歧管仍然采用灰铸铁或蠕铁等制造。预期未来,我国随着适应汽车发展的技术趋势和环保要求,排气管材质将会有较大改进,高硅钼球铁以其优异的性能、适宜的成本,无疑会成为排气管材料发展方向之一。高硅钼球铁的开发与应用应引起国内汽车行业的重视。 另外汽车排气歧管材质性能更优越的是高镍球铁。高镍球铁是一种含Ni元素在13%-38%范围内的一种奥氏体铸铁。这种材料要求其铸铁微观组织中石墨为球状,且基体组织为奥氏体组织以及少量碳化物存在。由于基体组织为奥氏体,所以这钟材料具有许多优良的性能。镍元素属于第八族元素,为银白色金属,密度为8.91g/cm,熔点1455?沸点2910?,且具有磁性。在镍含量wt%达到13%以上时即可实现基体的完全奥氏体化[5]。在高镍球铁中除了镍元素外,还含有硬质合金Cr、Si、Mn和微量P、S等元素。高镍球铁具有良好的耐蚀性、抗高温性、在空气中不易被氧化,所以高镍球铁的工业应用很广泛。在国外已经开展了大量的研究并广泛的应用于排气管、燃气涡轮发动机、涡轮增压器壳体、泵体等热部件 中。但是由于镍元素价格较昂贵,并且我国是一个贫镍的国家,以至于对高镍球铁一直因缺镍未能开发,使得高镍球铁排气歧管不能大量生产,因而在国内高镍球铁的研究也很少。 本实验以研究作为汽车排气歧管材质的高硅钼球墨铸铁为目的,对高硅钼球铁的组织、耐热性能进行了详细的分析和研究,尤其是材料的热疲劳性能。使得可以更好的利用高硅钼球墨铸铁。 第2 节 汽车排气歧管材质的要求 排气歧管不同于一般耐热件,其受热特点 表 关于同志近三年现实表现材料材料类招标技术评分表图表与交易pdf视力表打印pdf用图表说话 pdf 现在管内、外间的温差大,表面能温度在150~200?左右,而内腔温度高于900?。针对20世纪90年代美国制定的大气净化法案(汽车排气标准)和欧?排放标准,今后的发动机排气温度会越来越高。同时排气歧管经受排出的高温气流的热循环冲击,以及行驶中恶劣的气候条件等,要求发动机排气歧管需具有高温耐氧化性、高温抗生长性、良好的热疲劳性等。此外为提高排气净化所用催化剂的作用,排气歧管还应具有地热容性。为了便于加工,还应具有良好的加工性和可焊性。排气温度与燃料之间的关系如图1.1: 2.1 抗氧化性与抗生长性 高温氧化时指金属在高温下与氧、硫、卤素等气体接触时发生反应,在其表面上生成氧化物、硫化物、卤化物等固体膜的过程。为提高合金的抗氧化性,一般采用往基体中加入一些与氧亲和力大的元素的方法,促使其在表面形成氧化膜或形成内氧化。对抗氧化性的判定一般采用称重法和测氧化皮厚度法,来衡量抗氧化性。 在高温下工作时,铸铁件还会发生特有的一种不可逆的体积增大的过程, 并同时发生翘曲、龟裂,甚至完全破坏。这种体积膨胀称为生长,其值通常可达5%-12%。有时甚至达到30%-50%。铸铁发生生长时还伴随着力学性能的急剧下降,因此对于在高温下工作的汽车排气歧管,抗生长性和抗氧化性一样重要。抗生长实验主要在抗氧化实验的条件下测量相对生长率。 2.2 热疲劳性 由于高温和温度分布不均匀以及汽车经常涉及到加速、减速、停止和起动,从而产生热应力的反复作用,这种热混加热、冷却或温度急剧变化常常会产生热应力。这种情况下往往形成热疲劳裂纹,通常在高温下的氧化、生长以及组织转变过程都会使铸铁的强度急剧降低。同时,在循环热应力的作用下经常会在排气歧管内产生疲劳裂纹。因此,排气歧管又应具有耐高温疲劳性能。耐高温疲劳测试一般采用通过将试样加热到一定温度下保温一定时间后水冷到室温,反复进行指导出现第一条裂纹的耐热冲击次数来评定。 2.3 稳定的显微组织 在室温至工作温度范围内,材料应尽可能不发生相变或尽量减少相变。因为相变会造成体积的变化,使之产生内应力或变形,影响产品的使用性能和寿命。因此基体材料最好是稳定的铁素体或奥氏体组织。在高温条件下工作的铸铁零件的破坏形式主要表现为高温条件下的腐蚀,组织中的组成相氧化后 如石墨碳,氧化物的体积大于原有体积,引起铸件的不可逆膨胀。片状、蠕虫状、球状三种石墨形态相比,球状石墨的铸铁耐高温性最好,原因在于铸铁在凝固过程中,片状石墨为领先相生长,至共晶凝固结束时,每个共晶团内的石墨构成连续的分枝立体形态,高温下,当氧侵入金属内部,石墨经氧化后,形成一个微观通道,加速氧化过程的进行。球状石墨形核时,单独成长一定尺寸后,被基体包围,以孤立的球存在, 在石墨球被氧化后,不会形成通道,因而减弱了氧化的进一步进行,所以球墨铸铁的抗高温氧化性能好于其他形态的石墨,并且氧化后的孔洞对铸铁的高温强度较其他形态的石墨影响小,蠕墨则介于二者之间。 2.4 其他性能 除了上述几个主要性能外,汽车排气歧管材质还应具有的性能有小的热膨胀系数、优良个高温强度、良好的工艺性能和低成本。小的热膨胀系数有利于减小排气歧管的热应力和热变形,有利于提高产品的使用性能和使用寿命;优良的高温强度:必须满足产品在高温下使用时的必要强度要求;良好的工艺性能和低成本:耐热、耐高温金属材料种类很多,但由于排气歧管复杂的形状,用于制造排气歧管的材料必须具有良好的工艺性,而且其成本必须满足汽车工业批量生产的需求。 第3节 汽车排气歧管材质的发展 汽车排气歧管材质主要分为铸铁和不锈钢两类。下面分别对其作为排气歧管材料的发展及应用特点进行详细说明。 3.1 排气歧管用铸铁 铸铁具有良好的机械性能和铸造性能并且材料与制造成本低廉,因此长期以来一直为排气歧管所用。汽车用排气歧管铸铁材质经历了传统材料灰铸铁,蠕墨铸铁,普通球墨铸铁[6]。近年来,根据使用温度的不同,上述三种铸铁的合金铸铁都得到了广泛的应用。下面分别对几类铸铁材料的性能特点、使用状况及其发展前景进行介绍。 3.1.1 普通灰铸铁 灰铸铁是指具有片状石墨组织的铸铁。它在性能方面有广泛的多样性, 铸造性能好、熔点低、流动性好、缩孔倾向低,铸件的质量容易控制。即使是在比较简单的生产条件下也可制得符合要求的一般铸件。灰铸铁作为排气歧管最先使用的材料,具有良好铸造成型性能,并且生产成本在铸铁材料中最低。据有关文献表明,灰铸铁排气歧管的使用温度大约在550?[7]。灰铸铁具有较高的导热系数和较低的弹性模量,但是常温和高温强度均很低,并且石墨成片状表面较大,氧很容易沿石墨边界侵入,长时间使用会在应力作用下产生裂纹,影响铸件的使用寿命。普通非合金灰铸铁排气歧管在500?以上工作几百个小时后,珠光体将完全分解为铁素体和石墨。因为石墨的比容要比金属基体大得多,若基体中珠光体含量较多并全部分解,则体积将膨胀,使得排气管长度增加,增加了变形量。工作温度若超过650?,则珠光体分解速度将大大增加,同时石墨开始明显地氧化。近年来,通过在其中加入Cr、Ni、Si等合金元素,提高了灰铸铁的力学性能和抗氧化性能,但使用温度的提高不是很明显,因此灰铸铁主要用于较低温度负荷排气歧管的制造。 1973年以前,由于大多数汽车发动机的排气歧管是在低于500 ?温度的条件下工作,对材料的高温氧化和防止珠光体分解的影响不大。因此,选用普通铸铁,包括加入铬、钼0.3%-0.7%的普通灰铸铁就可满足使用要求。普通灰铸铁一般指珠光体类型的灰铸铁,其强度、耐磨性、耐热性均较好,减振性良好,铸造性能较优,被国内许多汽车制造厂应用到发动机排气歧管上。尤其是HT200和HT250,其最高工作温度一般在540 ?左右。国外一般采用的铸铁材料相当于我国的HT250,金相组织为98%以上的珠光体。灰铸铁的金相组织是影响其性能的主要因素,特别是碳元素的形态直接影响到灰铸铁作为排气歧管材料时的性能。为保证良好的铸造工艺性能,在化学成分的控制上采用较高的碳当量3.9%-4.1%。 过去制造排气歧管,灰铸铁是一种可接受的材料。但是对于新型发动机来说,发动机的工作温度会远远高于灰铸铁的工作温度,这种情况下会导致排气歧管中部分片状石墨周围的珠光体中的渗碳体已经分解并向石墨片扩散,并且其性能也显著下降见图1.2,表明该机型的排气歧管已经不适合使用灰铸铁材料。 目前,许多汽车企业使用灰铸铁作为低端车排气歧管材料,如一汽集团大量采用HT250生产部分汽车的排气歧管。 3.1.2 高强度铸铁 随着汽车工业的不断进步,发动机正向大功率、高速度和轻量化方向发展,对发动机气缸体、排气歧管等零部件提出了更高的要求。对于如何提高灰铸铁强度,国内外铸铁研究者做了大量的研究工作,根据我国的生产管理水平和原材料供应情况,采用低合金化是发展高强度灰铸铁现实而又可靠的途径。合金元素按增强硬度的大小排列为:钒、钼、铬、镍等;此外,稀土元素对提高灰铸铁的强度也有积极的作用。铬、钼、铜的加入量与灰铸铁强度的关系见图1.3: 我国在高强度灰铸铁的研究和生产技术上相比国外还有一定的差距。主要表现为:a.强度低,同样化学成分的铁水生产出来的铸件,强度比国外低1~2个牌号;b.铸造工艺落后,铸件壁厚大,质量大;c.断面敏感性大,机械加工性能较差。 1.3.1.3 球墨铸铁 20世纪40年代,科学工作者发现在铁碳合金和镍碳合金中加入铈、镁等元素可使铸件中的石墨成为球状,自此开始了球墨铸铁的开发和应用。铸铁基体中大约含有12%-14%的石墨。石墨按形态分类,有片状石墨、球状石墨、蠕虫状石墨、团絮状石墨。球墨铸铁以其含有球状石墨而得名。球墨铸铁的诞生是继人 类发明炼钢技术之后,在黑色金属应用技术方面又一次大的技术创新,是20世纪材料科学最重大的技术进展之一。最新公布的资料表明,现代球铁是美国国际镍公司INCO青年科研人员麦里斯K. D.Millis首先研究成功的。球墨铸铁生产工艺简单,铸造性能比铸钢好(但比灰口铸铁差),成本低。因此,球墨铸铁曾被汽车制造业认为是另一种较适合的排气歧管材料。 津田昌利等曾研究了不同石墨形态对铸铁的抗氧化性的影响,认为石墨球化后可以显著提高耐热性。灰铸铁主要是片状石墨在基体内相互交错连接,这对高温时铸铁的氧化、生长提供了很好的条件。铸铁氧化后,一般沿石墨片方向进行扩散生长,而球墨铸铁的石墨以圆弧存在于基体中,不会像片状石墨那样引发氧化生长,故此球墨铸铁抗氧化生长较灰铸铁要好,蠕墨铸铁居中。虽然球状石墨影响铸铁的性能,但石墨球数多少及球状石墨的大小也影响韧脆转变特性。这是由于石墨一方面成为裂纹的萌生地,另一方面又有阻止裂纹生长的作用。 为了得到不同性质的合金,合金化是最直接的方法,一般加入铬、镍、钼、钨、钒等元素。研究表明,铬对提高抗氧化性能极为重要,高稳定的含铬固溶体、铬的碳化物以及表面形成的Cr2O3氧化膜,有利于提高铸铁的耐热性能。但考虑到排气歧管的特殊性,为了提高合金的高温强度及改善合金的流动性,碳含量一般为1.6%-2.2%。有资料认为,硅可以形成氧化膜来提高抗氧化能力,且硅量增加1%时,合金相变温度提高50-60 ?,含硅4.25%的铸铁,相变温度可达875 ?,但硅含量愈高,石墨化愈充分。金属钼在一定条件下会阻碍石墨化,并且可以细化珠光体组织,而单独加钼时,并不能促进珠光体的形成。因此,一些铸造企业,在高硅球墨铸铁的基础上再增加少量的钼,形成一种新的硅钼球墨铸铁,用以制造排气歧管。自1997年在美国西雅图第101届铸造年会上对高硅钼排气管的性能等做 了专门讨论以来,福特、克莱斯勒等汽车公司及各大发动机厂商迅速将其应用在发动机排气管上。在我国则被称为“中”硅钼球铁,已有国家标准GB9437?88,牌号RQTSi4Mo。据报道,镍无限固溶于铁,降低γ?α转变温度;镍又是石墨化元素,在凝固期间有助于石墨析出,其石墨化能力约为硅的1/3。镍在促进珠光体组织形成的同时并不提高碳化物的生成倾向,减少碳化物对铸件壁厚的敏感性,日本岩手大学利用这一成果开发了高耐热球墨铸铁的薄壁歧管试制品。 虽然国内外许多研究机构一直致力于球墨铸铁的研究,取得了许多成绩。球墨铸铁的改良状况见下图1.4。球墨铸铁同其他钢铁铸件相比,在许多方面都有良好的材料性能,但其阻尼性能和导热性能比灰铸铁差、冲击韧性较铸钢差等不利因素限制了它的使用。因此,球墨铸铁还有很大的发展潜力。 普通球墨铸铁强度高,足以抵挡应力作用而不致开裂。石墨成球状、表面小、抗氧化性好,但因导热系数低、弹性模数高、变形大,导致排气歧管通道漏气,作为排气歧管材料使用寿命受到限制。现在应用于排气歧管的球墨铸铁大多为合金球墨铸铁,表1.1是球墨铸铁及其合金排气歧管推荐使用的最高温度。从中可看出球铁作为排气歧管材料应用广泛,可以用于不同档次的汽车。 表1.1 球墨铸铁及其合金作为排气歧管使用的最高温度 Tab.1.1 The imum temperature of ductile and its alloys used in exhaust manifold 材料 普通球铁 铁素体基球铁 高硅钼球铁 含Ni球铁 使用温度(?) 650 760 870 925 从表1.1中可知高硅钼球墨铸铁使用温度在870?左右,它被称为美国汽车发动机排气歧管的首选材料[4]。高硅钼球铁关键性能因素是球状石墨、铁素 体基体和Si、Mo等元素的含量。首先,合金中的球状石墨是不连贯的,因此防止了合金的迅速氧化。其次,高硅钼球铁的基体铁素体较珠光体和奥氏体导热性好,从而合金具有较低的热应力,不会像珠光体在高温下分解。除此之外,合金中的Si元素有利于铁素体相的高温稳定性,并在表面形成一层起到保护作用的氧化膜,防止合金进一步氧化,Mo元素能提高合金的高温强度和抗蠕变性能,因此高硅钼球铁的使用温度可以达到较高温度[8-12]。本章1.4将针对高硅钼球墨铸铁进行详细介绍。 3.1.4 蠕墨铸铁 蠕墨铸铁是在球墨铸铁发展过程中开发出来的铸铁品种。这种铸铁的组织特征是具有片状石墨与球状石墨中间形态的蠕虫状石墨。20世纪60年代发现含有蠕虫状石墨的铸铁具有其独特的优点,并且有良好的工业利用价值,现代在机械制造等多个领域推广并应用。 蠕墨铸铁的组织和性能处于灰铸铁和球墨铸铁之间。不仅具有球墨铸铁的机械性能,又有灰铸铁的铸造性能和良好的热传导性能。排气歧管采用蠕墨铸铁材质,使用寿命为灰铸铁的3-4倍。使用寿命之所以提高是因为它有良好的综合性能,强度比灰铸铁高约一倍,导热系数高,弹性模数低,且抗氧化能力及组织稳定性也较高,既不开裂变形又适中。[13]。 我国东风汽车公司铸造一厂于1979年开始研究蠕墨铸铁,并于1984年用蠕铁大批量生产卡车排气管。上世纪90年代初,又成功开发了上海大众桑塔纳轿车排气管等产品[14]。在20世纪80至90年代,美国通用汽车公司、德国大众汽车公司均生产并使用了蠕墨铸铁排气歧管[15]。对轿车发动机排气歧管而言,蠕化率控制在50%左右可以获得最佳的抗热疲劳性能。普通蠕铁排气管的使用温度 可以达到650?,但是随着使用温度的升高,普通蠕铁满足不了使用需求,故研发了抗热疲劳性能为普通蠕铁的3倍中硅钼蠕墨铸铁。将其材质的含硅量增加至4%,高温强度比普通蠕墨铸铁提高30%以上,较高的硅量在铸铁表面形成二氧化硅为主的钝化保护膜,有效的阻止了氧离子向铸件内部渗透,抗氧化能力显著提高。如在700?试验温度下,中硅耐热蠕墨铸铁的抗氧化性比普通蠕墨铸铁提高5倍以上[16]。中硅蠕墨铸铁的基体为铁素体,并且随硅量的增加,铁素体向奥氏体转变的临界温度上升,硅含量4%时,AC1提高到900?[17]。当热循环温度低于此温度时,既没有珠光体的分解和碳的析出,基体也不会发生导致体积变化的相变。高的含硅量还可固溶强化铁素体,提高高温强度,从而大大的提高了蠕墨铸铁的热疲劳性能。中硅蠕墨铸铁中添加0.4%-0.6%钼时可进一步提高抗高温蠕变和抗热疲劳能力,因此中硅蠕铁是制造排气歧管理想材料之一,在800?温度下可长期可靠工作。 3.2 排气歧管用耐热不锈钢 在汽车高性能化、轻量化的过程中,为适应汽车尾气排放标准的严格要求,从上个世纪后期开始在汽车排气系统中使用不锈钢。特别是近年来,为适应排气温度的不断升高,使用能耐高温的不锈钢代替铸铁和碳素钢已得到了汽车制造商的广泛认同。用不锈钢材料制造排气系统的零部件,可在汽车整个寿命期内,大大减少更换排气系统的次数,以节约维修及配件的费用[18-19]。 在欧美国家已经开始应用钢作为排气歧管材料,钢的抗高温能力更强。排气歧管所用的不锈钢有奥氏体系不锈钢和铁素体系不锈钢。奥氏体系不锈钢的高温强度好,但容易发生氧化皮剥落,因此在抗氧化性能方面不如铁素体系不锈钢[20]。 3.2.1 奥氏体不锈钢 20世纪初,德国EssenD发明了奥氏体不锈钢,现在其应用已经占据了举足轻重的地位。奥氏体不锈钢是指组织为奥氏体的不锈钢,与铁素体不锈钢和马氏体不锈钢相比,奥氏体不锈钢具有很多的优点,具有较高的塑性、焊接性好、韧度好。因为奥氏体不锈钢含有大量的Cr和Ni元素,故价格比较贵。奥氏体不锈钢作为排气歧管材料使用温度可达到1050?,但是因为价格较高,所以在我国基本不使用它作为排气歧管材料[21-22]。 3.2.2 铁素体不锈钢 铁素体不锈钢中镍的含量较少,原料的成本较为低廉。铁素体不锈钢的热膨胀系数小、抗高温氧化性能好。这些特有性能,很好地满足了汽车排气系统用钢的要求。下面列出的是排气系统用不锈钢的主要品种[23-24]: 1 409型:又称Cr11,它是阿里根尼?路得卢姆钢铁公司在1961年专门为汽车排气系统开发的钢种,抗氧化温度能达到760?。这种材料具有良好冷热加工性,能更好符合汽车排气系统特有的良好的成形性能、抗高温氧化性和耐高温疲劳性的使用要求。 2 430型:日本从20世纪80年代开始使用SUS430JILH\430LX和436等铁素体不锈钢。在北美,人们用439和441型替代409型在排气歧管上应用。近年来,许多厂商开发了高铬铁素体不锈钢的新品种。日新钢铁开发了此类钢种的最佳成分。日本川崎制铁开发了高加工性能的R429EX和R444EX等耐热不锈钢。 3 Cr14型:传统430型铁素体不锈钢由于含铬的量比较高,价格相对较高。为了降低价格新日铁公司开发了一种低成本、耐高温的铁素体不锈钢YUS450用于排气歧管。将Cr的含量控制在14%左右就可保证900?时的抗氧化能力。 总的来说,汽车排气系统使用铁素体不锈钢要比使用奥氏体钢具有更大的优点。它的使用温度可高达950?,具有较高的强度,比用其它材料减重25%,此外具有很好的加工性和焊接性[25-26]。 第4节 高硅钼球墨铸铁 耐热铸铁由于其优越的性能在科学技术迅速发展的近现代在各个工业领域都显示了其重要地位。在我国耐热铸铁从70年代起开始有了较大的发展,80年代由原华中工学院铸造教研室翻译出版的《耐热铸铁译文集》对于七八十年代国外研究的耐热铸铁的最新方法和新型耐热铸铁的研制和使用进行了详细说明。近年来,多位学者对于耐热铸铁的研究已然达到了国际水准。郑隆滨等人对于目前我国耐热铸铁的生产、特性、选择和使用方法,所存在的一些问题及发展趋势做出总结[27]。 多年前有关学者就发现在铸铁中加入适当的合金元素可提高铸铁的耐热性能,经过长期的探索和实践,可知加入硅、铝、铬、钼等元素可得到长期在高于500?环境中使用的高合金耐热铸铁。其主要特点[28]:1 铸件表面被坚实致密、在高温或突变温度下不易破裂的合金氧化膜覆盖。在高温下组织稳定,不发生分解或脱溶,并有良好的抗热生长能力;2 石墨少而细,分布均匀;3 具有良好的高温力学性能。本文研究的是高硅钼耐热铸铁。较高的硅钼含量可以显著提升铸件的抗拉强度,但同时伴随铸件的硬度提高,塑性下降,铸件变得难于加工,而且脆。这主要是因为高的钼量促使基体珠光体心部产生富钼的碳化物组织,使基体变得硬而脆 合适的孕育处理可以改善和消除碳化物产生倾向;同时较高的硅量,也是铸件变脆的主要因素之一。硅量过低,高温性能变差;硅量过高,铸件的脆性将显著增加。硅的作用主要在于一方面硅作为稳定铁素体的有效元素,可以使铸件获 得铁素体基体,而铁素体基体由于不含有渗碳体,高温下不易发生分解、引起体积膨胀、破坏铸件;另一方面,高的含硅量促进铸铁形成致密的二氧化硅氧化膜层,阻碍氧的继续侵入,故有利于铸铁的抗氧化生长性;同时硅可以通过固溶强化,提高铸件强度。钼作为调解铸件高温性能的有效元素,钼的加入可以细化晶粒和石墨,并可以显著提高铸铁的屈服强度,提高高温使用性能,有利于改善铸件的高温抗蠕变和抗蠕变断裂能力。硅、钼等提高铸件的高温使用综合性能的合金元素的加入,使排气管的使用性能大大提高,其合金化的作用往往较基体的作用更为显著。灰铸铁由于片状石墨在基体内相互交错连接,达对高温时铸件的氧化、生长提供了很好的通道。铸铁氧化后,沿石墨片方向进行扩散生长;而球墨铸铁由于石墨球是孤立存在于基体中的,不会像片状石墨那样引发氧化生长,故其抗氧化生长性较灰铸铁要高。当然,随着基体中碳含量的提高,铸件的氧化倾向增强,故不宜过高。 高硅钼球铁在国外汽车业发动机耐高温铸件上应用广泛(如排气管、涡轮机等),尤其以牌子管最为突出,美国福特汽车公司70%以上排气管采用高硅钼球铁制造。欧美等国家早在20世纪80年代就将高硅钼球铁应用于增压器上,在90年代开始大批量应用于汽车发动机排气管的铸件生产上。1997年在美国西雅图第101届铸造年会上,针对高硅钼排气管的性能、铸造工艺与成等方面作了专门的讨论。福特、克莱斯勒等汽车公司及各大发动机厂商迅速在发动机排气管上应用,一些大型铸造厂业相应开展了高硅钼球铁排气管的铸造技术的实践研究与应用。目前,日本、美国等国也在中国大量寻求高硅钼球铁的汽车、机械高硅钼球铁配件,而且有较高的市场求购价格。 第5节 小结 当今世界,环保对汽车要求越来越高,相应地对排气管这一重要环保节能件提出了更高的要求。汽车排气歧管需要一种既有很好的铸造性能,又同时具备耐高温性能的材料。这种材料应该在高温工作时具有好的耐热性能,可以做成薄壁材料,并且节约成本,具有很好的抗氧化性能、热疲劳性能、尺寸和基体组织都比较稳定。 本文通过对高硅钼球墨铸铁进行不同上限温度下不同热疲劳次数的实验,观察试样实验过程中裂纹形成及扩展情况,并在热疲劳结束后,对试样进行金相显微观察、X射线扫描、断口分析等。并通过实验结果来分析高硅钼球墨铸铁裂纹形成机理和研究耐热性能中的热疲劳性能。以便使高硅钼球墨铸铁可以更好的应用在汽车排气歧管上。 第2章 实验材料及实验方法 第1节 实验材料及制备 1.1 化学成分确定 若想使排气歧管的使用寿命增加,高硅钼球铁必须具有良好的抗氧化性能、抗热疲劳性能,因此要对材料中的基体、石墨形态、合金元素等合理优化。高硅钼球铁的基体为铁素体,石墨形态为球形。 结合国内排气歧管材质的要求,对化学成分进行控制,但具体 制范围确定则应考虑以下几点: 成分选择必须保证获得技术标准规定的金相组织; 要尽可能有利于铸造工艺性能的改善; 要尽可能降低原材料成本。 下面讨论合金元素配比对材料的影响,从而确定材料的化学成分。 1 碳 碳不仅决定石墨的数量和分布形态,而且对铸造工艺性能中的流动性、收缩性、白口倾向等影响很大,同时碳当量对奥氏体铸铁件的缩孔缩松有很大影响。从改善铸造工艺性出发,碳量应选取技术验收标准允许范围的上限,但受到出现碎块状石墨Chuck graphite的限制,对球铁来说存在一个经验公式: SNwC+0.2×wSi+0.06×wNiA常数 A称为饱和数,若铁水的C、Si、Ni含量使饱和值大于某一极限值,则石墨形态就呈碎块状分布。在适当的球化孕育条件下[59]其值与凝固速率有关。对于尺寸为127mm×127 mm×254 mm试块而言,其饱和数为4.5,而涡轮壳类薄壁小件饱和数可达4.8以上。据此确定C的质量分数为2.3%-3.5%。本文中C的质量分数应选择在2.3%-3.5%之间。 2 硅 目前高硅钼球墨铸铁用来制造汽车排气歧管和涡轮增压机外壳。加入硅的主要目的是提高材料的抗氧化性能和热疲劳性能。硅可使铸铁表面形成一层附着力极强的氧化膜,同时它也是促进石墨化的元素,可以提高相变温度,增强组织稳定性。硅能够提高球墨铸铁的抗拉强度、屈服强度和硬度,但是它也可以严重地降低铸铁的导热性,促使材料的塑性指标下降,造成材料抗热疲劳性能的降低。所以一般情况下,添加硅的含量必须与铸件的壁厚相适应,在保证厚壁截面无瑕疵的情况下,也要保证薄壁断面易加工。典型的硅钼球墨铸铁含4%Si和0.5-2%Mo,可在材料温度840-850?间使用,甚至在某些情况下为了 设计 领导形象设计圆作业设计ao工艺污水处理厂设计附属工程施工组织设计清扫机器人结构设计 更好温度还可以更高。这个实验的主要目的是测定Si含量高的高硅钼铸铁的热疲劳性能。增加Si含量将改变抗冻性能,收缩趋势,拉伸性,冲击韧性,抗氧化性,热疲劳寿命,铸造 加工处理和机械加工性。由于Si的含量受饱和数的限制,因此,硅含量定为4.0%-5.0%之间。 3 锰 在铸件中加入适当的锰可以提高铸铁的强度、硬度及耐磨性能。但是,由于锰的偏析倾向大,当含量过高时易形成沿晶界析出网状碳化物Mn3C或FeMn3C,从而降低球墨铸铁的塑性、韧性甚至强度,因此锰的含量不能太高。一般Mn的含量小于0.95%。 4 磷 钢材中的磷能全部溶于 中,使其在室温下的强度升高,塑性降低,产生冷脆现象。除上述有害方面外,磷对钢材有很高的强化作用。磷提高钢材的屈服强度比镍高10倍,比锰高5倍,比铬高5倍,比铜高2.5倍,比硅高2倍,比钛高1.7倍。磷提高钢材的极限强度比镍高6倍,比锰高5倍,比铬高3倍,比铜高1.1倍,比硅高1.3倍,比钛稍低。此外,磷、铜共存可大大提高抗腐蚀性。 针对磷使钢脆化,冲击韧性降低,生产中一般把磷控制在0.12%以下。钢中加如铝、钛细化晶粒,这样既可消除冷脆,又能提高钢的塑性和韧性。传统上把磷含量控制在?0.05%。 5 硫 硫是反石墨球化的元素,当它以硫化物夹杂的形式存在于铁水中时,可能造成夹杂缺陷。微量的硫能够适量的减少组织中碳化物并能增加石墨的球数。在实验中要求原铁水中S的含量小于0.03%。 6)钼 加入Mo会提高基体的再结晶温度,提高了球墨铸铁的高温强度。Mo溶入 铁素体中,形成稳定的特殊碳化物Fe3Mo3C,强化了铁素体基体,环节了球墨铸铁在高温下的软化趋势,提到了其抗蠕变的能力,这也对稳定零件的尺寸有积极意义,同时这种特殊碳化物有着一定吸收震动的能力。另外内燃机尾气通常呈酸性,加入Mo也可以改善球墨铸铁的抗腐蚀性。球墨铸铁的力学性能除了于基体组织类型有关外,还取决于石墨球的形状大小和分布。石墨球越圆,直径越小,分布越均匀,则球墨铸铁的力学性能越高。作为调解铸件高温性能的有效元素,钼的加入可以细化晶粒和石墨,增加球墨数。并可以显著提高铸铁的屈服强度,提高高温使用性能,有利于改善铸件的高温抗蠕变和抗蠕变断裂能力。同时各自独立成球状均匀分布的石墨对提到铸铁的抗氧化性有一定的帮助,否则氧化性气体会沿着连续的石墨边界铸件渗入铸铁内部。硅含量越高,石墨化越充分,但Mo在一定条件下会阻碍石墨化,适当的控制浇注温度和实践以及优化浇注孕育工艺可以改善这一矛盾。硅、钼等提高铸件的高温使用综合性能的合金元素的加入,使排气管的使用性能大大提高,其合金化的作用往往较基体的作用更为显著。Mo是强碳化物形成元素,在铸铁中形成碳化物的倾向较强溶入铁素体的钼,形成稳定的特殊碳化物Fe3Mo3C,强化铁素体基体,缓解球墨铸铁在高温下的软化趋势,提高其抗蠕变的能力,应控制在0.9-1.2%。 1.2 实验材料制备 1.2.1 配料要求 生产高硅钼球墨铸铁铁应选用高质量的炉料,首先,炉料中不能含有超标的微量有害元素,如铅(Pb)、钛(Ti)、砷(As)等,过量的Pb、Ti、As就会对石墨形态和性能产生有害的影响。即使只存在30PPm的Pb或300PPm的As,也会降低高温抗拉强度。实践证明,使用纯净炉料可以使球铁获得理想的组织和性能,Pb 不应大于10PPm,Ti不应大于20PPm。其次要注意炉料尤其是废钢的洁净度,不能过分氧化,否则会加剧铁水吸气,氧化,造成气孔等问题。 1.2.2 熔化温度 由于球铁合金含量较高,含碳量2.0%,熔点较高。浇铸温度过低,对于壁薄件容易出现冷隔或浇不足现象;温度过高又容易出现铸造气孔缺陷,出现缩孔和缩松现象。一般球铁的浇铸温度控制在1390-1420?为宜,只有铁液有一定的过热温度,才能保证铁液成分均一,提高流动性。但是过热温度过高,合金元素容易烧损氧化,且浇注时,容易出现内部缩孔和缩松缺陷。实验表明:当温度在1450?左右时,球铁的流动性较高好;故可以选择浇铸温度在1450?以上,过热温度在1600?左右。 1.2.3 球化处理 在铸铁中石墨形态直接影响着铸件的机械性能,为了得到均匀而细小的球状石墨,我们常采用球化和孕育相结合来达到双重的效果,其中球化过程是保证铸铁的组织中石墨形态由片状变为球状的重要工艺;它是根据Mg合金能够改善石墨表面能,使得石墨在形核长大过程中,沿着球状长大。一般工厂里采用的球化剂有:稀土(1%)镁硅合金MgRe1SiFe,无稀土镁硅合金MgSiFe及纯镁;镍镁硅合金在国外也用于球化剂使用,但国内没有生产过。一般而言,随着含镁量的增加,反应的剧烈程度加剧,形渣率增加,但处理效果和镁的回收率反而下降;较好的加入方式分别为:形内,包底和随流。低镁合金的球化效果,反应剧烈程度,镁吸收率等都较理想,尤其是镍基球化剂;国外普遍采用Ni-Mg合金进行球铁球化处理,沈阳铸造研究所试验后,也认为Ni-Mg金是最好的球铁球化处理剂。因此我们采用镍镁合金来进行球铁球化处理。 1.2.4 孕育处理 孕育处理是继球化处理之后的改善铁水质量的重要手段,提供更多的异质形核,使石墨的数量更多,圆整度好,减少过冷度。同时国外的资料显示:只球化,而没有孕育处理过的铁水中的石墨形态达不到球化的效果;换句话说就是只有孕育和球化处理两者结合起来才能获得很好的球状石墨,球铁白口倾向大,故孕育的另一个主要目的是消除白口,通过良好的孕育增加石墨球数,避免铸件产生共晶碳化物并减少晶间碳化物的量。本试验孕育处理进行了高效孕育剂试验与大剂量孕育试验两方面工作。高效孕育剂试验主要采取高效孕育剂,采用富士科250-900型孕育剂搭配试验,250-900含有少量的钙、铝、钡,可促进形核,抑制碳化物形成,延长孕育衰退时间;对提高球铁的球化率、减少铸件的壁厚敏感性、延缓孕育衰退有明显、稳定一致的效果,我们采用的加入量分别为0.25%。 本试验参照德国牌号第一章所列的GGG-Ni35Si5Cr2成分要求,进行40公斤/炉的试棒与阶梯试样浇注试验。在要求范围内成分有所调整,达到规定化学成分要求。综上述处理后高硅钼球墨铸铁化学成分和性能如下: 表2-1高硅钼球墨铸铁的成分和性能 Tab.2-1 the composition and properties of High-silicon molybdenum ductile iron 化学 成分 C Si Mn P S Mo 3.1 4.7 0.6 0.04 0.02 1.1 性 能 抗拉强度(MPa) 延伸率(%) 硬度(HB) 550 7.0 179 第2节 分析与测试方法 2.1 热疲劳试验方法 所谓热疲劳,是指材料经受温度变化时,引起自由膨胀、收缩收到了约束而产生循环应力或应变,最终导致龟裂而破坏的现象。热疲劳性能将直接影响高硅钼球墨铸铁在排气歧管中的使用寿命。因此热疲劳性能测试为本实验的重点。 热疲劳试验是一种定性的试验,是研究耐热铸铁材料性能不可缺少的试验。金属材料在热应力反复作用下抵抗破坏的能力为热疲劳抗力,表示方法通常为规定循环次数的裂纹长度或规定裂纹长度的循环次数。热疲劳抗力是 评价 LEC评价法下载LEC评价法下载评价量规免费下载学院评价表文档下载学院评价表文档下载 金属材料热疲劳性能的重要指标。在热疲劳试验中最重要的四个参数分别是上限温度T、下限温度Tmin、加热时间t1和冷却时间t2。本文热疲劳试验是将试样从下限温度加热到上限温度后再快冷到下限温度,如此反复,直至试样表面出现裂纹并扩展的过程。热疲劳试验的工艺过程示意图如图2.1所示。热循环下限温度恒定为室温,冷却介质为自来水。由于利用实际的铸件进行热疲劳试验,耗费大量的时间,并且实际工作条件下的影响因素较多,难以获得较为准确的结果,因此在本文中采用小试样替代铸件进行热疲劳试验。本实验所用材料尺寸为15mm×10mm×10mm的无缺口块状试样。取三个平行试样的平均值作为试验数据。 为了分析实验数据,此实验中准备了多个铸态试样,其中一个试样不做任何处理,作为参照。其余试样分成两组,做上限温度分别为900?、850?的实验。每组中试样热循环次数不同。两组实验中试样均在炉中加热10min,后取出迅速水冷,试样温度降到实验下限温度及室温时,再放入炉中加热,如此循环。工艺过 程如图2.1所示。 2.2 微观组织分析 1 采用D/ 2500 PC X射线衍射仪 、JSW-5310和JXA-840型号扫描电镜、和Olympus-PMG3型号金相显微镜对高硅钼球墨铸铁试样显微组织进行观察与分析。 2 采用上述同种型号的扫描电镜观察热疲劳裂纹形貌及裂纹萌生和扩展特征,并分析在热疲劳试验过程中