【文章內容簡介】 用到發(fā)動機排氣歧管上。尤其是HT200 和HT250 ，其最高工作溫度一般在540 ℃左右。國外一般采用的鑄鐵材料相當于我國的HT250，金相組織為98%以上的珠光體。灰鑄鐵的金相組織是影響其性能的主要因素，特別是碳元素的形態(tài)直接影響到灰鑄鐵作為排氣歧管材料時的性能。為保證良好的鑄造工藝性能，在化學成分的控制上采用較高的碳當量(%%)。過去制造排氣歧管，灰鑄鐵是一種可接受的材料。但是對于新型發(fā)動機來說，發(fā)動機的工作溫度會遠遠高于灰鑄鐵的工作溫度，這種情況下會導致排氣歧管中部分片狀石墨周圍的珠光體中的滲碳體已經分解并向石墨片擴散，并且其性能也顯著下降()，表明該機型的排氣歧管已經不適合使用灰鑄鐵材料。圖 溫度對抗拉強度下降百分比的影響 temperature influence on tensile strength目前，許多汽車企業(yè)使用灰鑄鐵作為低端車排氣歧管材料，如一汽集團大量采用HT250 生產部分汽車的排氣歧管。 高強度鑄鐵隨著汽車工業(yè)的不斷進步，發(fā)動機正向大功率、高速度和輕量化方向發(fā)展，對發(fā)動機氣缸體、排氣歧管等零部件提出了更高的要求。對于如何提高灰鑄鐵強度，國內外鑄鐵研究者做了大量的研究工作，根據我國的生產管理水平和原材料供應情況，采用低合金化是發(fā)展高強度灰鑄鐵現實而又可靠的途徑。合金元素按增強硬度的大小排列為：釩、鉬、鉻、鎳等；此外，稀土元素對提高灰鑄鐵的強度也有積極的作用。鉻、鉬、銅的加入量與灰鑄鐵強:圖 鉻、鉬、銅的加入量與灰鑄鐵強度的關系 Relationship between the cast iron and content of Cr, Mo, Cu我國在高強度灰鑄鐵的研究和生產技術上相比國外還有一定的差距。主要表現為：a. 強度低，同樣化學成分的鐵水生產出來的鑄件，強度比國外低1~2個牌號； ，鑄件壁厚大，質量大；，機械加工性能較差。 球墨鑄鐵20 世紀 40 年代，科學工作者發(fā)現在鐵碳合金和鎳碳合金中加入鈰、鎂等元素可使鑄件中的石墨成為球狀，自此開始了球墨鑄鐵的開發(fā)和應用。鑄鐵基體中大約含有 12%14%的石墨。石墨按形態(tài)分類，有片狀石墨、球狀石墨、蠕蟲狀石墨、團絮狀石墨。球墨鑄鐵以其含有球狀石墨而得名。球墨鑄鐵的誕生是繼人類發(fā)明煉鋼技術之后，在黑色金屬應用技術方面又一次大的技術創(chuàng)新，是 20 世紀材料科學最重大的技術進展之一。最新公布的資料表明，現代球鐵是美國國際鎳公司(INCO)青年科研人員麥里斯(K. )首先研究成功的。球墨鑄鐵生產工藝簡單，鑄造性能比鑄鋼好（但比灰口鑄鐵差） ，成本低。因此，球墨鑄鐵曾被汽車制造業(yè)認為是另一種較適合的排氣歧管材料。津田昌利等曾研究了不同石墨形態(tài)對鑄鐵的抗氧化性的影響，認為石墨球化后可以顯著提高耐熱性?；诣T鐵主要是片狀石墨在基體內相互交錯連接，這對高溫時鑄鐵的氧化、生長提供了很好的條件。鑄鐵氧化后，一般沿石墨片方向進行擴散生長，而球墨鑄鐵的石墨以圓弧存在于基體中，不會像片狀石墨那樣引發(fā)氧化生長，故此球墨鑄鐵抗氧化生長較灰鑄鐵要好，蠕墨鑄鐵居中。雖然球狀石墨影響鑄鐵的性能，但石墨球數多少及球狀石墨的大小也影響韌脆轉變特性。這是由于石墨一方面成為裂紋的萌生地，另一方面又有阻止裂紋生長的作用。為了得到不同性質的合金，合金化是最直接的方法，一般加入鉻、鎳、鉬、鎢、釩等元素。研究表明，鉻對提高抗氧化性能極為重要，高穩(wěn)定的含鉻固溶體、鉻的碳化物以及表面形成的 Cr2O3 氧化膜，有利于提高鑄鐵的耐熱性能。但考慮到排氣歧管的特殊性，為了提高合金的高溫強度及改善合金的流動性，碳含量一般為 %%。有資料認為，硅可以形成氧化膜來提高抗氧化能力，且硅量增加 1%時，合金相變溫度提高 5060 ℃，含硅 %的鑄鐵，相變溫度可達 875 ℃，但硅含量愈高,石墨化愈充分。金屬鉬在一定條件下會阻礙石墨化,并且可以細化珠光體組織，而單獨加鉬時，并不能促進珠光體的形成。因此，一些鑄造企業(yè)，在高硅球墨鑄鐵的基礎上再增加少量的鉬，形成一種新的硅鉬球墨鑄鐵，用以制造排氣歧管。自 1997 年在美國西雅圖第 101 屆鑄造年會上對高硅鉬排氣管的性能等做了專門討論以來，福特、克萊斯勒等汽車公司及各大發(fā)動機廠商迅速將其應用在發(fā)動機排氣管上。在我國則被稱為“中”硅鉬球鐵，已有國家標準(GB9437 —88，牌號RQTSi4Mo)。據報道，鎳無限固溶于鐵，降低 γ→α 轉變溫度；鎳又是石墨化元素，在凝固期間有助于石墨析出，其石墨化能力約為硅的 1/3。鎳在促進珠光體組織形成的同時并不提高碳化物的生成傾向，減少碳化物對鑄件壁厚的敏感性，日本巖手大學利用這一成果開發(fā)了高耐熱球墨鑄鐵的薄壁歧管試制品。雖然國內外許多研究機構一直致力于球墨鑄鐵的研究，取得了許多成績。球墨鑄鐵的改良狀況見下圖 。球墨鑄鐵同其他鋼鐵鑄件相比，在許多方面都有良好的材料性能，但其阻尼性能和導熱性能比灰鑄鐵差、沖擊韌性較鑄鋼差等不利因素限制了它的使用。因此，球墨鑄鐵還有很大的發(fā)展?jié)摿?。圖 球墨鑄鐵的改良狀況 Improvement of cast iron普通球墨鑄鐵強度高，足以抵擋應力作用而不致開裂。石墨成球狀、表面小、抗氧化性好，但因導熱系數低、彈性模數高、變形大，導致排氣歧管通道漏氣，作為排氣歧管材料使用壽命受到限制?，F在應用于排氣歧管的球墨鑄鐵大多為合金球墨鑄鐵，表 是球墨鑄鐵及其合金排氣歧管推薦使用的最高溫度。從中可看出球鐵作為排氣歧管材料應用廣泛，可以用于不同檔次的汽車。表 球墨鑄鐵及其合金作為排氣歧管使用的最高溫度 The maximum temperature of ductile and its alloys used in exhaust manifold材料 普通球鐵 鐵素體基球鐵 高硅鉬球鐵 含 NI 球鐵使用溫度（℃） 650 760 870 925℃左右，它被稱為美國汽車發(fā)動機排氣歧管的首選材料 [4]。高硅鉬球鐵關鍵性能因素是球狀石墨、鐵素體基體和Si 、Mo等元素的含量。首先，合金中的球狀石墨是不連貫的，因此防止了合金的迅速氧化。其次，高硅鉬球鐵的基體鐵素體較珠光體和奧氏體導熱性好，從而合金具有較低的熱應力，不會像珠光體在高溫下分解。除此之外，合金中的Si元素有利于鐵素體相的高溫穩(wěn)定性，并在表面形成一層起到保護作用的氧化膜，防止合金進一步氧化，Mo 元素能提高合金的高溫強度和抗蠕變性能，因此高硅鉬球鐵的使用溫度可以達到較高溫度 [812]。本章。 蠕墨鑄鐵蠕墨鑄鐵是在球墨鑄鐵發(fā)展過程中開發(fā)出來的鑄鐵品種。這種鑄鐵的組織特征是具有片狀石墨與球狀石墨中間形態(tài)的蠕蟲狀石墨。20世紀60年代發(fā)現含有蠕蟲狀石墨的鑄鐵具有其獨特的優(yōu)點，并且有良好的工業(yè)利用價值，現代在機械制造等多個領域推廣并應用。蠕墨鑄鐵的組織和性能處于灰鑄鐵和球墨鑄鐵之間。不僅具有球墨鑄鐵的機械性能，又有灰鑄鐵的鑄造性能和良好的熱傳導性能。排氣歧管采用蠕墨鑄鐵材質，使用壽命為灰鑄鐵的 34 倍。使用壽命之所以提高是因為它有良好的綜合性能，強度比灰鑄鐵高約一倍，導熱系數高，彈性模數低，且抗氧化能力及組織穩(wěn)定性也較高，既不開裂變形又適中 。 [13]。我國東風汽車公司鑄造一廠于1979年開始研究蠕墨鑄鐵，并于1984年用蠕鐵大批量生產卡車排氣管。上世紀90年代初，又成功開發(fā)了上海大眾桑塔納轎車排氣管等產品 [14]。在20世紀80至90年代，美國通用汽車公司、德國大眾汽車公司均生產并使用了蠕墨鑄鐵排氣歧管 [15]。對轎車發(fā)動機排氣歧管而言，蠕化率控制在50%左右可以獲得最佳的抗熱疲勞性能。普通蠕鐵排氣管的使用溫度可以達到650℃，但是隨著使用溫度的升高，普通蠕鐵滿足不了使用需求，故研發(fā)了抗熱疲勞性能為普通蠕鐵的3倍中硅鉬蠕墨鑄鐵。將其材質的含硅量增加至4%，高溫強度比普通蠕墨鑄鐵提高30%以上，較高的硅量在鑄鐵表面形成二氧化硅為主的鈍化保護膜，有效的阻止了氧離子向鑄件內部滲透，抗氧化能力顯著提高。如在700℃試驗溫度下，中硅耐熱蠕墨鑄鐵的抗氧化性比普通蠕墨鑄鐵提高5倍以上 [16]。中硅蠕墨鑄鐵的基體為鐵素體，并且隨硅量的增加，鐵素體向奧氏體轉變的臨界溫度上升，硅含量4%時，AC 1提高到900℃ [17]。當熱循環(huán)溫度低于此溫度時，既沒有珠光體的分解和碳的析出，基體也不會發(fā)生導致體積變化的相變。高的含硅量還可固溶強化鐵素體，提高高溫強度，從而大大的提高了蠕墨鑄鐵的熱疲勞性能。中硅蠕墨鑄%%鉬時可進一步提高抗高溫蠕變和抗熱疲勞能力，因此中硅蠕鐵是制造排氣歧管理想材料之一，在800℃溫度下可長期可靠工作。 排氣歧管用耐熱不銹鋼在汽車高性能化、輕量化的過程中，為適應汽車尾氣排放標準的嚴格要求，從上個世紀后期開始在汽車排氣系統(tǒng)中使用不銹鋼。特別是近年來，為適應排氣溫度的不斷升高，使用能耐高溫的不銹鋼代替鑄鐵和碳素鋼已得到了汽車制造商的廣泛認同。用不銹鋼材料制造排氣系統(tǒng)的零部件，可在汽車整個壽命期內，大大減少更換排氣系統(tǒng)的次數，以節(jié)約維修及配件的費用 [1819]。在歐美國家已經開始應用鋼作為排氣歧管材料，鋼的抗高溫能力更強。排氣歧管所用的不銹鋼有奧氏體系不銹鋼和鐵素體系不銹鋼。奧氏體系不銹鋼的高溫強度好，但容易發(fā)生氧化皮剝落，因此在抗氧化性能方面不如鐵素體系不銹鋼 [20]。 奧氏體不銹鋼20世紀初，德國EssenD發(fā)明了奧氏體不銹鋼，現在其應用已經占據了舉足輕重的地位。奧氏體不銹鋼是指組織為奧氏體的不銹鋼，與鐵素體不銹鋼和馬氏體不銹鋼相比，奧氏體不銹鋼具有很多的優(yōu)點，具有較高的塑性、焊接性好、韌度好。因為奧氏體不銹鋼含有大量的Cr和Ni元素，故價格比較貴。奧氏體不銹鋼作為排氣歧管材料使用溫度可達到1050℃，但是因為價格較高，所以在我國基本不使用它作為排氣歧管材料 [2122]。 鐵素體不銹鋼鐵素體不銹鋼中鎳的含量較少，原料的成本較為低廉。鐵素體不銹鋼的熱膨脹系數小、抗高溫氧化性能好。這些特有性能，很好地滿足了汽車排氣系統(tǒng)用鋼的要求。下面列出的是排氣系統(tǒng)用不銹鋼的主要品種 [2324]：(1) 409型：又稱Cr11，它是阿里根尼—路得盧姆鋼鐵公司在1961年專門為汽車排氣系統(tǒng)開發(fā)的鋼種，抗氧化溫度能達到760℃。這種材料具有良好冷熱加工性，能更好符合汽車排氣系統(tǒng)特有的良好的成形性能、抗高溫氧化性和耐高溫疲勞性的使用要求。(2) 430型：日本從2