蠕墨鑄鐵在發(fā)動機氣缸生產(chǎn)中的應(yīng)用

雖然在1948年人們就首次觀察到了蠕蟲狀石墨鑄鐵，但是穩(wěn)定生產(chǎn)蠕墨鑄鐵需要極為精確的控制范圍，這妨礙了像氣缸體這樣復(fù)雜蠕墨鑄鐵零件的大批量生產(chǎn)。直到有了先進的過程控制技術(shù)，大批量生產(chǎn)才成為可能。還有，大批量生產(chǎn)還必須等到現(xiàn)代測量電子學(xué)和計算機技術(shù)的到來。隨著1990年代鑄造技術(shù)的發(fā)展和鑄造方案的解決，第一款使用蠕墨鑄鐵批量生產(chǎn)的發(fā)動機氣缸體在1999才開始。今天，每個月為發(fā)動機廠家或汽車制造商生產(chǎn)的蠕墨鑄鐵氣缸體達數(shù)十萬個，其中包括：奧迪，克萊斯勒，達夫，戴姆勒，福特，現(xiàn)代，美洲豹，吉普，陸虎，曼，納維斯達，梅賽德斯，標(biāo)致-雪鐵龍，雷諾，斯坎尼亞，大眾和沃爾沃。

排放法規(guī)和對小體積高比性能的需求繼續(xù)驅(qū)動柴油發(fā)動機技術(shù)的發(fā)展。雖然較高的最高點火壓力Pmax提高了發(fā)動機的燃燒效率和功能并使發(fā)動機更精致，但造成的增加熱負載和機械負載就需要新的設(shè)計方案。汽車設(shè)計工程師需要在增加傳統(tǒng)灰鑄鐵和鋁合金零件的壁厚與重量，和采用更高強度的材料（特別是蠕墨鑄鐵）之間做出選擇。

鑒于新發(fā)動機設(shè)計方案通常能夠支持3 ~ 4代車輛使用，因此選用的工程材料必須既能滿足當(dāng)前設(shè)計需求，同時又能為未來性能的提升提供潛力，且無須改變缸體的整體結(jié)構(gòu)。較之普通灰鑄鐵和鋁合金，蠕墨鑄鐵具有至少高75%的抗拉強度，高40%的彈性模量和幾乎高一倍的疲勞強度；因此蠕墨鑄鐵就能很好地滿足當(dāng)前的和將來的發(fā)動機設(shè)計和功能的需求。

1.蠕化率90%蠕墨鑄鐵微觀結(jié)構(gòu)

2.深腐蝕后電鏡下的三維珊瑚狀石墨

蠕墨鑄鐵中的石墨呈現(xiàn)為單獨的“蠕蟲狀”顆粒。正如在灰鐵中一樣，這些石墨顆粒是任意排列的長條狀的，但是長度較短，厚度較厚，并且邊緣也比較圓。雖然在二維平面觀察時這些顆粒呈現(xiàn)蠕蟲狀，但是經(jīng)深腐蝕在掃描電鏡下觀察時，這些單獨的“蠕蟲”在共晶團內(nèi)是與其近鄰的石墨互相連接的。這些復(fù)雜的，珊瑚狀的石墨形貌再加上不平整的表面和圓的邊緣，使得石墨與鐵基體之間有較強的結(jié)合力。這種蠕蟲狀石墨形貌阻止了裂紋的萌生和擴展。這就是為什么蠕墨鑄鐵比灰鑄鐵具有更加優(yōu)良的力學(xué)性能。

蠕墨鑄鐵不可避免地要含有一些球狀石墨。當(dāng)球狀石墨數(shù)量増加時，強度和彈性模量増加，但是鑄造性能，機加工性和導(dǎo)熱率也隨之降低。因此，微觀組織的標(biāo)準(zhǔn)必須根據(jù)生產(chǎn)需求和產(chǎn)品的性能要求來選擇。就氣缸體來說，鑄造性能，機加工性和導(dǎo)熱率都是非常重要的，需要很窄的微觀組織標(biāo)準(zhǔn)。典型的蠕墨鑄鐵微觀組織標(biāo)準(zhǔn)摘要如下：

80%以上的蠕化率以防止?jié)B漏缺陷，和提供最好的機加工性和導(dǎo)熱性；

△無片狀石墨，片狀石墨（如灰鑄鐵中的一樣）將造成局部弱點；

△珠光體>90%以提供高的強度和一致的性能；

△鈦<0.02%以獲得最好的加工性。

與傳統(tǒng)灰鑄鐵相比，蠕墨鑄鐵具備以下優(yōu)勢：

√ 在當(dāng)前運行負載下減小壁厚

√ 通過提高Pmax和負載提高比性能

√ 由于減少了鑄態(tài)性能波動，可減小安全系數(shù)

√ 減小缸筒的膨脹和變形

√ 降低噪音，震動和改善不平順性（NVH）

√ 縮短螺紋嚙合深度從而縮短螺栓長度

與鋁合金相比，蠕墨鑄鐵的機械性能提供了以下機會：

√ 整體尺寸小

√ 比性能高

√ 減小缸筒變形和油耗低

√ 無需缸套或表面刻蝕/涂層

√ 降低噪聲，震動和改善不平順性善

√ 生產(chǎn)成本較低

√ 壽命周期能耗和CO2排放低

√ 可循環(huán)性高

與灰鑄鐵和鋁合金相比，蠕墨鑄鐵的性能為提升乘用車和商用車發(fā)動機設(shè)計及功能提供了許多機會。從1999年開始生產(chǎn)到現(xiàn)在，蠕墨鑄鐵已經(jīng)成為大批量生產(chǎn)發(fā)動機可靠的材料。