钒对灰铸铁气缸套力学性能影响分析

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摘要：通过钒含量从0.1%到0.5%的变化，来检测钒含量对灰铸铁气缸套抗拉强度和硬度的影响。结果表明：在灰铸铁中，加入一定含量的钒，能显著改善气缸套的力学性能。在气缸套生产中，提出钒含量的控制范围不超过0.3%，并提出和铜元素联合使用，提高其综合性能。

关键词：钒；灰铸铁；气缸套；抗拉强度；硬度

引言

船用柴油机气缸套，在工作时因承受高温﹑高压﹑摩擦﹑腐蚀等复杂应力的作用，对其抗拉强度和耐磨性有较高的要求，一般选择低合金灰铸铁作为气缸套的使用材料，常用的材料有含磷铸铁﹑铬钼铜铸铁﹑硼铸铁等。随着原油价格的上涨，较多的企业从使用成本的角度考虑，用重油代替轻质油燃用，而燃油的劣质化，更是加大了气缸套的损耗，缩短了使用寿命和维修周期，增加了成本。因此，具有更高强度和耐磨性的气缸套，成为人们进一步追求的目标。钒对灰铸铁力学性能的影响，已得到人们的认可，含钒铸铁在气缸套上的应用，取得了不错的效果。从气缸套生产的角度出发，探讨钒含量对气缸套力学性能的影响很有必要，本文对此进行了研究。

1试验条件和方法

1.1试验条件

在某厂用于试验的铸件是230型气缸套，毛坯重量210kg，熔炼设备为0.5T中频炉，铁水出炉温度＞1450℃，铁水出炉后进行孕育处理，浇注温度＞1300℃，金属模离心铸造生产气缸套，铸型转速＞800rpm。

1.2试验方法

在满足气缸套高强度低合金化要求的情况下，选择低碳当量CE%=3.6～4.3%（亚共晶）的铁水成分。考虑钒元素强烈的反石墨化能力，在合金的联合使用上，配合一定含量的铜来中和钒的白口倾向。铜的加入既起到增加和稳定基体组织中珠光体组织的作用，又作为促进石墨化的元素，可抵消钒元素的加入而造成增大白口倾向的不利影响。在保持碳当量CE%=3.6～4.3%稳定范围的情况下，通过含钒量从0.1%、0.2%、0.3%、0.4%、0.5%的变化，分别来检测其对气缸套抗拉强度和硬度的影响。原铁液的化学成分如表1所示。铁水出炉经孕育处理后，浇注试块，作成分分析。每炉浇注3根试棒，用干模砂型，经机加工制成Φ20×225mm拉伸试棒，3根试棒拉伸强度的平均值作为试验数据。在气缸套的本体截取环片，检测硬度，在环片接近工作面的部位，取3次测试的平均值作为试验数据。

2试验结果及分析

试验结果测试的数据如表2所示。钒是强烈形成碳化物的元素，在铸铁中能形成几种稳定的碳化物（VC，V2C，V4C3）。钒与碳﹑氮具有很强的亲和力，铸铁的含碳量较高，在各温度范围内均可形成碳化物。钒在灰铸铁中增加介稳定共晶平衡温度，降低温度共晶温度，从而促进共晶碳化物的形成。同时铸铁中存在一定的氮，在形成钒的碳化物的同时也易形成氮化物和碳氮化物。这些碳化物、氮化物中的钒是以固溶状态和化合态弥散分布镶嵌在铸铁基体上，作为硬质相，强化和细化了珠光体，使含钒铸铁的机械性能有很大的提高。

2.1含钒量对抗拉强度的影响

含钒量和抗拉强度的关系如图1所示。从图1可见，碳当量CE%在3.70～4.28%的范围内波动，随着钒含量的增加，抗拉强度呈上升的趋势，而且比较明显。每增加0.1%V，抗拉强度提高有10～20MPa。由此可见，钒含量对气缸套抗拉强度的影响是显著的。这是因为钒是强烈的反石墨化元素，阻碍石墨的析出，使石墨变得细小，削弱了石墨对基体的割烈作用，从而使铸铁的抗拉强度显著得到提高。同时，随着钒含量的增加，也增大了白口倾向，促使基体内硬质点的产生，这就限制了它的作用。因此，钒含量对铸铁的影响并不是越高越好。有关文献指出，铸铁中，加入量在0.3%以下时，钒的作用较易控制，钒明显增加灰铸铁的共晶团数量，可以有效地使石墨细化，并使珠光体增多，从而提高铸铁的强度，厚大截面的铸件加入钒，可使整个截面的组织较为均匀，这是钒具有的非常重要的特点。

2.2含钒量对硬度的影响

含钒量和硬度的关系如图2所示。从图2中可以看出，随着含钒量的增加，气缸套环片的硬度也是呈现上升的趋势，布氏硬度从HB220变化到HB270，硬度的提高是明显的。同时也注意到，每增加0.1%V，可使珠光体灰铸铁的布氏硬度提高5～15HB。这是由于钒和碳、氮有很强的亲和力，铸铁在凝固过程中，形成有极高显微硬度的碳化物、氮化物及碳氮化物，钒有相当部分是以块状的碳化物、氮化物及碳氮化物析出，弥散分布在基体上，随着钒含量的增加，碳化物、氮化物的数量增多，基体中碳化物、氮化物的支撑作用加强，从而细化了珠光体，强化了铁素体。由于钒碳化物的硬度很高，显微硬度高达HV2800，镶嵌在基体上，使得铸铁的宏观硬度随之增大。这就是钒铸铁气缸套具有很高耐磨性的原因。在硬度提高、耐磨性增强的同时，一些不利的作用也显现出来，机械加工性能显著恶化，刀具磨损较快，甚至出现大量的白口。在铸铁组织中形成的碳化物等超过一定量以后不仅无益，而且会增大白口倾向，促使基体内硬质点的产生，并且通过热处理后也无法消除，给切削加工造成极大困难。因此，灰铸铁气缸套在改善性能的同时，含钒量也不是越多越好，而是应该控制在一定的范围内。一般来讲，灰铸铁的钒含量理论上推荐不超过0.3%，并且和铜元素配合使用，以中和钒在铸铁中的强烈作用而带来的负面效果。

2.3碳当量对抗拉强度和硬度的影响

气缸套选择低碳当量CE=3.6~4.3%的铁水成分，是要满足其高强度的要求。大家都知道，灰铸铁的碳当量越低，其抗拉强度越高，硬度也相应增加。而随着碳当量的降低，必然导致铸造性能降低、铸件断面敏感性增大、铸件内应力增加﹑切削性能降低等问题。因此，铸件碳当量的选择不是越低越好，应根据铸件的性能结构优选而定，不足的性能要求则必须辅以其它措施解决。低合金低碳当量灰铸铁是气缸套生产比较好的选择。在合适的低碳当量范围内，添加少量的合金，来满足气缸套的力学性能和使用性能要求。

2.4Si/C对力学性能的影响

在碳当量保持不变的条件下，适当提高Si/C比，强度性能会有所提高，切削性能会有较大改善。在气缸套的生产中，这对钒元素的加入而导致白口倾向增大的不利影响能起到一定的抵消作用，从而获得满足使用要求的力学性能。在Si/C为0.70~0.75时，效果比较明显。同时，也应考虑到钒合金的价格一般比较昂贵，企业从经济性角度考虑，生产气缸套可使用含钒生铁，再补加一定量的含钒合金，获得相应的钒含量，以节省钒合金的用量，降低生产成本，提高经济效益。

3结论

①钒铸铁是比较好的耐磨材料，适合用作船用柴油机气缸套的使用材料。②含钒量能显著提高灰铸铁的抗拉强度和硬度，提高耐磨性。③灰铸铁气缸套中，含钒量也不是越高越好，而是应当控制在一定范围内，一般不超过0.3%，并且是和铜元素一起联合使用，有利于气缸套综合性能的提高。④提高Si/C比到0.70~0.75，有利于抵消钒元素强烈的反石墨化作用而产生的白口倾向。

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作者：严继斌 单位：武汉船舶职业技术学院