-现代柴油发动机缸体和缸盖的材料

Ｖ０１．３０ＮＯ．４Ａｐｒ．２００９

铸造技术

ＦｏＵＮＤＲＹＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ

・４５５・

・铸造技术Ｆｏｕｎｄｒｙ

Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ・

蠕墨铸铁——现代柴油发动机缸体和缸盖的材料

史蒂夫・道森

（欣特卡斯特，瑞典）

摘要：在不增加发动机尺寸和重量的前提下，为满足使用寿命的要求，油发动机缸体和缸盖的材料将要由普通的灰口铁转向蠕墨铸铁。蠕墨铸铁的抗拉强度和刚度分别高于普通灰口铁的７５％和４５％，疲劳强度几乎是普通灰口铁的２倍。因此，用蠕墨铸铁缸体和缸盖所制造的柴油发动机不仅满足了使用寿命的要求，同时尺寸也稳定，在整个使用寿命内满足尾气质量的要求。由于欧４标准的要求，在欧洲，已有９种新设计的蠕墨铸铁缸体和缸盖的重型柴油发动机在２００７年启动。预计，欧４标准将在２００９年引入中国的主要城市。中国的铸造业在２０１０年末前将会经历一个很大的转向到研发重型柴油发动机的蠕墨铸铁缸体和缸盖，然后，很快地进入批量生产。同时还要出口到国际市场。关键词：蠕墨铸铁；柴油发动机缸体；柴油发动机缸盖

中圈分类号：ＴＧ２５１．２

文献标识码：Ａ

文章编号：１０００－８３６５（２００９）０４－０４５５—０６

ＣｏｍｐａｃｔｅｄＧｒａｐｈｉｔｅＩｒｏｎ．ＡＭａｔｅｒｉａＩＳｏｌｕｔｉｏｎｆｏｒＭｏｄｅｒｎ

ＤｉｅｓｅｌＥｎｇｉｎｅＣｙｌｉｎｄｅｒＢｌｏｃｋｓａｎｄＨｅａｄｓ

ＤｒＳｔｅｖｅＤａｗｓｏｎ（ＳｉｎｔｅｒＣａｓｔ，Ｓｗｅｄｅｎ）

Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｂａｓｅｄ

ｏｎｔｈｅ

Ｅｕｒｏｐｅａｎｅｘｐｅｒｉｅｎｃｅ，ｔｈｅｐｒｉｍａｒｙ

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＂－，２４０ｂａｒｉｎ２００７．Ｔｈｅｒｅｓｕｌｔｉｎｇｉｎｃｒｅａｓｅｉｎｔｈｅｒｍａｌａｎｄｍｅｃｈａｎｉｃａｌｌｏａｄｉｎｇｈａｖｅｒｅｑｕｉｒｅｄ

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ｇｒｅｙｃａｓｔｉｒｏｎ，ＣＧＩｓａｔｉｓｆｉｅｓｔｈｅｄｕｒａｂｉｌｉｔｙｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔｓａｎｄａｌｓｏｐｒｏｖｉｄｅｓｒｅｑｕｉｒｅｄｔｏｍｅｅｔｅｍｉｓｓｉｏｎｓ

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ｌｉｆｅｏｆｔｈｅｅｎｇｉｎｅ．ＩｎｒｅｓｐｏｎｓｅｔｏＥＵＲＯ４

ｌｅｇｉｓｌａｔｉｏｎ，ｎｉｎｅｎｅｗｈｅａｖｙ－ｄｕｔｙＣＧＩｅｎｇｉｎｅｓｗｅｒｅｌａｕｎｃｈｅｄｉｎＥｕｒｏｐｅｄｕｒｉｎｇ２００７．ＡｓＥＵＲＯ４ｌｅｇｉｓｌａｔｉｏｎｗｉｌｌｂｅｐｈａｓｅｄ－ｉｎｔｏｍａｊｏｒｃｉｔｉｅｓｉｎＣｈｉｎａＰｒｅｓｓｕｒｅｓｏｌｕｔｉｏｎｓａｎｄ

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Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：Ｃｏｍｐａｃｔｅｄｇｒａｐｈｉｔｅｉｒｏｎ；Ｄｉｅｓｅｌｅｎｇｉｎｅ

ｃｙｌｉｎｄｅｒ

ｂｌｏｃｋ；Ｄｉｅｓｅｌｅｎｇｉｎｅｃｙｌｉｎｄｅｒ

ｈｅａｄ

尽管蠕墨铸铁在１９４８年就被发现，由于稳定生产的范围很窄，直至先进的生产控制技术的研究成功并有效地投入了使用，蠕墨铸铁应用于复杂部件（如发动机缸体）的大批量生产才有了可能。最终实现大批量的

收疆日期：２００８—１２—０２；

修订Ｂ期：２００９—０１—１６

作者简介：史蒂夫・道森（１９６２一），加拿大人。加拿大多伦多大学冶金

材料学博士，总裁兼首席执行官．研究方向ｔ蠕墨铸铁的生产制造和柴油机发动机上的应用．

生产还依赖于现代的电子技术和计算机技术。目前每年已有１０００００多ｔ蠕墨铸铁缸体提供给汽车制造公司。这些公司是奥迪（Ａｕｄｉ），达富（ＤＡＦ），福特（Ｆｏｒｄ），

万方数据

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现代（Ｈｙｕｎｄａｉ），曼（ＭＡＮ），奔驰（Ｍｅｒｅｅｄｅｓ），泼萨（ＰＳＡ），大众（Ｖｏｌｋｓｗａｇｅｎ）和沃尔沃（Ｖｏｌｖｏ）等。

尾气标准和高性能比的要求将继续促使柴油发动机技术的发展。较高的燃烧峰压改善了内燃机的性能和尾气的净化，但同时亦增加了热和力的负荷。这都・需要从设计方面找到解决方法。所以发动机的设计者们不是增加传统灰口铁或铝发动机的重量就是要采用较高强度的材料，例如蠕墨铸铁。

新的发动机的设计与制造通常要支持３～４代的车辆技术发展，因而选用的材料不仅要满足目前设计上的要求，也得满足将来发动机性能提高所带来的高材质要求，而不需改变总的设计。与灰口铁或铝相比较，蠕墨铸铁的抗拉强度高了７５％，弹性模量高出４０％及疲劳强度高出１００％，所以它是当前及将来发动机设计和性能提高所需要的理想材料。１蠕墨铸铁的微观结构和性质

如图１所示，在蠕墨铸铁中的石墨呈现单独的蠕虫状颗粒。从２个方向观察，这些石墨呈蠕虫状的外观，但被深浸蚀的试样的微观结构经扫描显示（图２），这些单独的“蠕虫”在晶胞内是与其周围的“近邻”相连接的。正是这些复杂的珊瑚似的石墨结构，结合其圆弧状的边缘和不平整的表面，使得铸铁基体与石墨间有较强的粘合力，去除ｒ开裂源的产生和防止了开裂的发展，并有优良的力学性能。

图ｌ球化率为１０％的蠕墨铸铁的微观结构

Ｆｉｇ．１

ＣＧＩ

ｍｉｃｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｃｃｏｎｔａｉｎｉｎｇｌＯ％ｎｏｄｕｌａｒｉｔｙ

蠕墨铸铁必然地会含有一定数量的球状石墨。球状石墨的增多会增加其强度及刚性，但以损害铁液的可铸性，恶化铸件的可加工性和导热性为代价的。因此，所要求的微观结构标准决定于工艺和铸件的工作性能要求。以柴油发动机缸体和缸盖为例，典型的金相组织要求如下。

（１）ｏ～２０％的球化率，以求最优的可铸性，可加工性和热传导性；

万方数据

图２深腐蚀后的样品在扫描电镜下显示了复杂的、立体的

“珊瑚”状石墨结构

Ｆｉｇ．２

Ｄｅｅｐ＿ｅｔｃｈｅｄ

ＳＥＭｍｉｅｒｏｇｒａｐｈｓｓｈｏｗｔｈｅｃｏｍｐｌｅｘ

ｃｏｒａｌ—ｌｉｋ。ｇ，。ｐｈｉｔｅｉｎｔｈ，ｅｅ－ｄｉｍｅｎｓｉｏｎｓ

（２）没有片状石墨，片状石墨如在灰口铁中的石墨一样，使得其所在处的性能恶化；

（３）大于９０％的珠光体以保证高的、均匀的力学性能；

（４）小于ｏ．０２％钛含量以保证优良的机械加工性能。这个通用的标准将导致最小的抗拉强度达４５０ＭＰａ（试棒的直径为２５ｒａｍ），同时亦满足ＩＳ０１６１１２关于蠕墨铸铁的标准。表１示出了蠕墨铸铁的典型力学性能，同时也示出了普通灰口铁和铝的力学性能以作比较。

农１蠕墨铸铁（ＧＪＶ）以及普通灰Ｉ：１铁（ＧＪＬ）和铝的力学和物

理性能

Ｔａｂ．１

ＭｅｃｈａｎｉｃａｌａｎｄＰｈｙｓｉｃａｌＰｒｏｐｅｒｔｉｅｓｏｆＣＧＩｉｎｃｏｍｐａｒｉｓｏｎ

ｔＯ

ｃｏｎｖｅｎｔｉｏｎａｌｇｒｅｙｃａｓｔｉｒｏｎａｎｄａｌｕｍｉｎｉｕｍ

ａｔ２０℃

２蠕墨铸铁的批量生产

蠕墨铸铁生产技术的成功开发导致了在欧洲、亚

洲和美洲的批量生产。表２给出了已宣布批量生产蠕

《铸造技术｝０４／２００９史蒂夫・道森：蠕墨铸铁——现代柴油发动机缸体和缸盖的材料

墨铸铁铸件的项目。

表２批量生产蠕墨铸铁的项目

Ｔａｂ．２

ＣＧＩＳｅｒｉｅｓＰｒｏｄｕｃｔｉｏｎＰｒｏｇｒａｍｓ

目前蠕墨铸铁的生产量相当于每年约５０００００个发动机量。尽管目前蠕墨铸铁的生产主要集中在欧洲，并局限于柴油发动机，但在世界的其它地区，一些新的项目已获批准，并且蠕墨铸铁的应用已扩大至其它部件。在中国、俄罗斯及印度商用车辆所用的缸体和缸盖的生产在增长。美国３大汽车制造公司（通用、福特和克莱斯勒）中的每一个都已宣布Ｖ形柴油发动机缸体要被应用于越野车（ＳＵＶ）和客商两用车（Ｐｉｃｋ－ｕｐ），并将于２００９年在北美铸造厂生产。考虑到已获批准的生产计划，我们估计有超过３０种不同设计的柴油发动机，将有超过２百万个发动机量的缸体和缸盖在２０１０年生产。预计到２０１２年，ｖ．型柴油发动机加上用于其它商用车辆上的，以蠕墨铸铁为缸体和缸盖的柴油发动机量将相当于全世界车辆发动机总量的１０％。３蠕墨铸铁在发动机设计中的应用

相对于普通灰口铁，应用蠕墨铸铁后的发动机可获下列诸方面的改进：①在目前相同的工作负荷下可降低壁厚（即降低重量），②在目前的设计情况下可增加工作负荷（增加Ｐ。。），③由于蠕墨铸铁的性质变化较小，可降低安全系数，④降低气缸内径的变形，⑤改善噪声、振动和不平顺性（ＮＶＨ），⑥缩短螺纹和螺栓

万方数据

的长度。

在２０世纪９０年代中期蠕墨铸铁开发的初始阶段，许多的开发研究都集中在如何降低重量方面。表３列出了由铸造企业和汽车制造业在发动机设计方面取得的、在降低重量方面的成果，表中括号里重量降低的百分数是由汽车制造业发表的并已批量生产。灰口铁缸体重量列中，以ＸＸＸ表示的柴油发动机的缸体，虽从未由灰口铁制造过，但汽车制造业宣称，如果那些缸体由普通灰口铁制造，为了满足使用寿命的要求，附加重量是必须的。虽然重量的降低量与原来缸体的尺寸和重量有关，如表３所示，使用蠕墨铸铁后，把原灰口铁缸体的重量降低１０％～１５％是可达的目标。

表３

蠕墨铸铁缸体重量相对于灰口铁缸体重量的降低Ｔａｂ．３

Ｗｅｉｇｈｔ

ｒｅｄｕｃｔｉｏｎｒｅｓｕｌｔｓ／ｏｒＣＧＩｖｓ．ｇｒｅｙｉｒｏｎｅｙｌｉｎｄｅｒ

ｂｌｏｃｋｓ

自引入共轨燃料喷入技术后，蠕墨铸铁应用于柴油发动机的重点从降低重量转移到降低尺寸和提高功率。在这方面，蠕墨铸铁相对于灰口铁及铝２倍的疲劳强度，可大大地增加发动机的负荷强度。某汽车制造公司的研究证明，１．３Ｌ的蠕墨铸铁发动机的性能相当于目前１．８Ｌ的灰口铁发动机。为达到上述的指标，Ｐ。，值增加了３０％，同时缸体的重量降低了２２％。尽管增加了Ｐ。，值，试验台疲劳分析显示，重量降低后的蠕墨铸铁缸体提供更多的安全储备，因而在操作性能方面的进一步提高是可能的。与原来的发动机相比较，用蠕墨铸铁组件组装的发动机在长度上缩短了１３％，高度上和宽度上各降低了５％，其重量则降低了９．４％。这个例子说明了蠕墨铸铁在降低发动机的尺寸和增加功率上的双重贡献。

另一个应考虑到的是蠕墨铸铁阻止了气缸内径的

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变形。因为提高了温度和燃烧压力，气缸内径趋向于弹性膨胀。由于蠕墨铸铁有高的力学强度和刚性，所以它能忍受这些力负荷并维持气缸内径形状。由于变形降低了，环的张力减少了，随之磨擦损耗也减少了。这些优点还包括降低了活塞敲击声，降低了噪声一振动一不平顺性，降低了燃料的消耗，从而换油间隔时间也延长了，降低了由于活塞与壁间的空隙而渗漏，防止了扭矩的损失和改善了尾气质量。表４比较了４个用蠕墨铸铁和灰口铁制造的、相同的柴油发动机气缸内径的变形情况（用百分数表示）。

表４用蠕墨铸铁和灰口铁制造的缸体的气缸内径变形比较

Ｔａｂ．４

ＣｙｌｉｎｄｅｒｂｏｒｅｄｉｓｔｏｒｔｉｏｎｆｏｒＣＧＩ

ｖｓ

ｇｒｅｙ

ｉｒｏｎ

蠕墨铸铁高的刚性也改善了噪声一振动一不平顺性。尽管蠕墨铸铁的抗冲击能力差于灰口铁，但是，由于较高的弹性模量强化了缸体，可减少许多加强筋。高于灰口铁４０％的弹性模量扩大了燃烧频率和缸体的共振频率之差值，导致发动机工作宁静了。表５给出了相对于灰口铁发动机，蠕墨铸铁发动机的商用车和客用车的第一扭转振动频率的改变和噪声水平的降低。

表５用蠕墨铸铁和灰口铁制造的类似的发动机的噪声一振动一

不平顺性指标的比较

Ｔａｂ．５

ＮＶＨｒｅｓｕｌｔｓｆｏｒｉｄｅｎｔｉｃａｌｌｙｄｅｓｉｇｎｅｄＣＧＩａｎｄ

ｇｒｅｙ

ｉｒｏｎ

ｅｎｇｉｎｅｓ

４蠕墨铸铁与合金灰口铁

由于发动机负荷的增加开始超过了普通灰口铁（ＧＪＬ２５０）可承受的强度，一些铸造业及汽车制造业为增加抗拉强度，就设法向普通灰口铁中加些合金元素和硬化剂，例如铬、镍、铜、锡和钼等。为了进一步增加强度，完全满足最小抗拉强度为３００ＭＰａ的要求（ＧＪＬ３００），

万方数据

有些标准还降低碳含量，由３．２％到３．ｏ％以缩小片状石墨的尺寸，降低铸件开裂的风险。虽然加入硬化合金和降低碳含量可增加１０ＯＡ～２０ｏＡ的力学性能，但同时也丧失了普通灰口铁的优点：良好的可铸性，良好的热传导性，良好的可机械加工性和便宜的制造成本。

（１）可铸性

在浇注后的普通灰口铁的凝固过程中，片状石墨形成时的体积膨胀，能弥补铁本身凝固时引起的收缩，所以降低了碳的含量也就降低了普通灰口铁本身自我补缩的能力。许多合金元素（铬、铜、锡、钼）在铁液凝固过程中都有偏析现象。这种偏折就使得在最后凝固的铁液中很易形成缩孔和碳化物。总的结果是合金灰口铁的可铸性，包括补注的要求，与蠕墨铸铁没有什么区别。对形状复杂的铸件尤其是这样，例如４气门的缸盖。

（２）热传导

．

向普通灰口铁中加入合金元素相应的降低了它的

导热性。典型的合金加入量（ｏ．３％铬和０．３％钼）将降低普通灰１２１铁的热传导能力约１０％～１５％。另外，

普通灰口铁是由于具有较长的片状石墨才使其有良好的热传导性能，合金灰口铁中的低碳含量将进一步恶化其热传导能力。合金灰口铁的热传导性能比标准的珠光体蠕墨铸铁高出约５％。

（３）可加工性

合金元素的加入在增加了普通灰口铁强度的同时，也增加了铸铁的硬度和耐磨性，当普通灰口铁的强度增加１０％～２０％的同时，它的硬度却要增加３０％。根据合金元素的加入量，合金灰口铁的硬度往往都比蠕墨铸铁高（见表１）。普通灰口铁的可加工性与蠕墨铸铁是有很大差异，但用于合金灰口铁加工的刀具寿命与用于蠕墨铸铁加工的刀具寿命在许多加工工艺中基本上没有区别。

（４）成本

与普通灰１２１铁相比（ＧＪＬ２５０），合金灰口铁易形成缩孔（需要补注）和可加工性差（刀具寿命短），增加了使用合金灰１２１铁的成本。除此之外还得考虑合金本身的成本，例如钼的市场价格从２００４年到目前已由

５

０００欧元／ｔ增加到５００００欧元／ｔ。考虑１００ｋｇ重的

铸件，７０％的铸成率和０．３０Ａ的钼含量，就钼本身所增加的成本就有２０欧元。

（５）噪声一振动一不平顺性（ＮＶＨ）

ＮＶＨ指标的决定因素是铸铁的刚性。当把普通灰１２１铁从ＧＪＬ２５０提高至ＧＪＬ３００，增加了２０％的抗拉强度，但是弹性模量仅增加了约１０％。蠕墨铸铁的弹性模量比普通灰口铁（ＧＪＬ２５０）高４０％。因而，尽管蠕墨铸铁的耐冲击性差于以上两种灰口铁，但它高的弹

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史蒂夫・道森：蠕墨铸铁——现代柴油发动机缸体和缸盖的材料

性模量值将导致噪声降低约１个分贝。

在１９９９年前，当蠕墨铸铁还没被确认为可以确保高质量、大批量生产的时候，合金灰口铁确实是制作重型发动机缸体的材料。而今，先进的工艺控制和生产技术已能保证蠕墨铸铁高质量、大批量的生产，所以已没必要再选用合金灰口铁了。合金灰口铁在可铸性、热传导、可加工性和成本方面与蠕墨铸铁相类似，但却没有蠕墨铸铁的其它优点。如果柴油发动机设计者们认可由于使用合金灰口铁所带来的以上诸问题，倒不如选用蠕墨铸铁而全面提升材料的性质和由于应用高性质材料而充分的改善发动机的工作性能，噪声一振动一不平顺性指标和使用寿命。５蠕墨铸铁与铝

（１）与铝相比较，蠕墨铸铁的力学性质对发动机可提供以下一些可能性：①较小的尺寸，②较高的性能比，③降低气缸内径的变形和改进油耗，④不需气缸衬套或表面不需浸蚀处理或涂层，⑤改善噪声一振动一不平顺性，⑥低的生产成本，⑦改善可循环利用性

由于蠕墨铸铁和铝之间的密度差别较大（蠕墨铸铁

７．１ｇ／ａｍ３，铝２．７

ｇ／ＣｌＴｌ３），人们会自然的认为蠕墨铸铁

缸体要比相似容积的铝制缸体重。但是，由于蠕墨铸铁的高强度和高刚度，因而可降低主要承负荷处的厚度，缸体大大的被缩短了。与其有关的其它一些配件，例如缸盖、曲轴、凸轮轴和底座板等也随之被缩短了，从而总重量降低了。对有两排气缸组成的Ｖ型缸体，这些确实是其优点。总的结果是，组装好的蠕墨铸铁发动机与组装好的铝发动机的重量几乎相同。表６示出了这样的结果，即奥迪４．２

Ｌ，Ｖ８

ＴＤＩ（以蠕墨铸铁为缸体）实

际上比奔驰４．０ＬＶ８ＣＤＩ铝发动机还轻４ｋｇ。

表６奥迪４．２Ｌ。蠕墨铸铁ｖ８发动机比奔驰４．０Ｌ铝Ｖ８发

动机轻４ｋｇ

Ｔａｂ．６

Ａｕｄｉ４．２ｌｉｔｒｅＣＧＩＶ８ｉｓ４

ｋｇｓｍａｌｌｅｒａｎｄｌｉｇｈｔｅｒｔｈａｎ

ｔｈｅ

Ｍｅｒｃｅｄｅｓ４．０１ｉｔｒｅａｌｕｍｉｎｉｕｍＶ８

（２）能耗和环境

甚至在直列气缸发动机方面，用于铁方面的能耗大大小于用于铝方面的能耗。按照目前的循环再利用率，每吨铸铁（包括灰口铁、球墨铸铁和蠕墨铸铁）的能

万方数据

耗约１０

５００

ＭＪ／ｔ，而铝的能耗则为９０

０００

ＭＪ／ｔ。假

设，蠕墨铸铁缸体重３５ｋｇ，而相对应的铝缸体重

２８

ｋｇ，则一个铝缸体的能耗就要比一个铸铁缸体的能

耗多出２

１５０ＭＪ。

假设汽油的热值为３４ＭＪ／ｔ，２１５０

ＭＪ／ｔ的能耗

相当于６３Ｌ汽油的热值。经估计，每轻１００ｋｇ重量，行驶１００ｋｍ可以节省汽油０．５Ｌ。则铝相对于铸铁

７

ｋｇ重量的减轻，需行驶约１８０

０００

ｋｍ才能抵消上述

的能耗差值。很清楚，政府的政策制订者们和汽车制造业应考虑一辆车在其使用寿命期间内能耗平衡的问题。一些国家，应如此考虑，例如中国，政策由中央政府制订并且其能源又依赖于进口。６设计方面的考虑

（１）轿车的蠕墨铸铁发动机汽缸的最小壁厚是

３．５

ｍｍ（－－０．５，＋１．ｏ）。这是与普通灰口铁一样的，

这也证明了，液态蠕墨铸铁具有足够好的流动性去浇注形状复杂的铸件。假设，蠕墨铸铁铸件的最小壁厚与普通灰口铁铸件一样（指砂型），蠕墨铸铁件重量的减轻不是在最小壁厚处。对蠕墨铸铁缸体而言是要重新设计重负荷处的壁厚。例如，降低重负荷处的壁厚

由２０ｍｍ到１５ｍｍ，重量将会大幅的降低，同时又不

影响铸造工艺。相反，降低冷却水壁厚从３．５ｍｍ到

３．０

ｍｍ，可能就超出了工艺能力并也只能少许降低重

量。所以蠕墨铸铁的高强度提供给设计者们去降低发动机重量的着重点应在降低重负荷处的厚壁，同时又不超出铸造工艺可造型的极限。虽然每公斤重量的降低都是重要的，壁厚处和壁薄处都应考虑，但是由蠕墨铸铁强度的提高所提供的有效重量降低的潜力应是在壁厚处厚度的降低。

（２）在选用灰口铁或球墨铸铁时，设计工程师们知道，均匀一致的石墨形状对维持力学强度是至关重要的。对灰口铁而言，恶化的石墨形状，例如Ｄ型石墨的存在，可降低灰口铁的力学性能达２０％～２５％。在球墨铸铁中，蟹脚状石墨或爆破状石墨的存在也降低它的强度和刚度。由于以上的经验，设计者们也会倾向于设定蠕墨铸铁应有均匀一致的石墨结构。但是，当０％～２０％球化率被要求在关键部位以优化可铸性、导热性和可加工性时，在非关键部位有较高的球化率将会是有利的。蠕墨铸铁在快速冷却的部位倾向于有较高的球化率，在非关键部位的薄壁处（约小于

５

ｍｍ）的球化率可高达５０％。这些非关键的薄壁部

位没有热负荷，不需过多的加工，较高的球化率只增加了铸件的强度、刚度和塑性。因而蠕墨铸铁铸件的微观结构要求，应着重在铸件工作的关键部位，例如气缸内径壁和热负荷部位，并尽可能地利用薄壁部位处高

Ｖ０１．３０Ｎｏ．４

ＦＯＵＮＤＲＹＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ

Ａｐｒ．２００９

球化率带来的有利因素。

（３）为克服普通灰口铁由于热疲劳而导致的损坏，通常都采用增加材料以提高它的强度和刚性。与灰口铁比较，蠕墨铸铁有较低的导热系数，如套用现成的灰口铁发动机设计，那么在相同的部位，蠕墨铸铁部件会有较高的热应力负荷。假如蠕墨铸铁部件由于热负荷过高而损坏，特别是在套用现有的灰口铁部件设计的情况，解决此类问题的方法不是增加、而是降低壁厚以提高热传导性能。另外，优化冷却水通道并使其尽可能地靠近热源以达到最佳的冷却效果也是重要的。总的效果是，蠕墨铸铁强度的增加大于其带来的热负荷增加，即强度增加的正面效果不仅抵消了热负荷增加的负面效果，还能进一步降低重量和延长发动机寿命。在有些情况下，正如上面所提到的，需优化和改进冷却水通道的设计，包括降低壁厚和靠近热源。７蠕墨铸铁的标准和用语

某些国家和国际组织制定和发表了它们各自的蠕墨铸铁标准。等级的区分采用了抗拉强度和微观结构中的球化率（以百分比表示），在表７中列出了最近发表的各种标准。

表７蠕墨铸铁标准总览

Ｔａｂ．７

ＳｕｍｍａｒｙｏｆＣＧＩＳｔａｎｄａｒｄｓ

在历史上，ＣＧＩ是ＣｏｍｐａｃｔｅｄＧｒａｐｈｉｔｅ

Ｉｒｏｎ（致密

石墨铸铁）和Ｖｅｒｍｉｃｕｌａｒ

ＧｒａｐｈｉｔｅＣａｓｔＩｒｏｎ（蠕虫状

石墨铸铁）的简称。Ｃｏｍｐａｃｔｅｄ（被压致密的）这个字主要用于讲英语的国家，Ｖｅｒｍｉｃｕｌａｒ这个字主要用于许多非讲英语的国家。最近（２００６年），ＩＳｏ（新的蠕墨铸铁标准）把此二字结合使用为“Ｃｏｍｐａｃｔｅｄ（Ｖｅｒｍｉｃ－

ｕｌａｒ）ＧｒａｐｈｉｔｅＣａｓｔ

Ｉｒｏｎ”（被压致密的蠕虫状的石墨

铸铁）。ＩＳＯ把ＣＧＩ的命名简称为ＧＪＶ，基于抗拉强度的不同，又分为５个不同级别。他们分别是ＧＪＶ３００（铁素体基体蠕墨铸铁），ＧＪＶ３５０，ＧＪＶ４００，ＧＪＶ４５０（这些是珠光体基体蠕墨铸铁）和ＧＪＶ５００（合金化的蠕墨铸铁）。

除了国际和某些国家制定了蠕墨铸铁的标准外，一些汽车制造公司也制定了他们各自内部的蠕墨铸铁标准，它们是：奥迪（Ａｕｄｉ），宝马（ＢＭＷ），卡特彼勒（Ｃａｔｅｒｐｉｌｌａｒ），喀明斯（Ｃｕｍｍｉｎｓ），达富卡车（ＤＡＦ

万方数据

Ｔｒｕｃｋｓ），台莫勒克莱斯勒（ＤａｉｍｌｅｒＣｈｒｙｓｌｅｒ），福特（Ｆｏｒｄ）。通用电器（ＧｅｎｅｒａｌＥｌｅｃｔｒｉｃ），通用汽车（Ｇｅｎ－

ｅｒａｌ

Ｍｏｔｏｒｓ），现代（Ｈｙｕｎｄａｉ），强迪瑞（Ｊｏｈｎ

Ｄｅｅｒｅ），

欧倍尔（Ｏｐｅｌ），劳斯莱斯动力装置（Ｒｏｌｌｓ－Ｒｏｙｃｅ

Ｐｏｗ—

ｅｒ

Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ）和大众（Ｖｏｌｋｓｗａｇｅｎ）等。

毫无例外，在把蠕墨铸铁应用于发动机缸体和缸

盖时，所有这些公司都把球化率规定在０％～２０％的范围内。这样狭窄的球化率范围，可能对中国的铸造业提出了较大的挑战。目前，中国的ＪＢ４４０３—８７标准允许球化率高达５０％。中国标准中的球化率，大大地高于国际上制定的标准（ｏ％－－－２０％），将会产生如下一些致命的问题。

（１）大于２０％的球化率将会大大地增加缩孑Ｌ的产生，特别是对一些形状复杂的铸件，例如发动机的缸体和缸盖。由于气孔而增加了废品率，由于增加补注而降低了生产率，最终导致利润的降低。更使人头疼的是，气孔一般都只能在机械加工后的测试中才能发现（例如在渗漏试验中）。由经机械加工后的试压试漏才发现的废品而造成的经济损失，比原铸件废品所造成的经济损失更大（约２倍左右）。

（２）大于２０％的球化率将显著的降低铸铁的导热性能。高的球化率易导致重型发动机缸盖气门间区域的热开裂，还会使气缸内径容易变形，从而导致油耗增加，扭矩降低和增加燃烧不完全气体的排放。

（３）大于２０％的球化率将大大降低加工刀具的使用寿命。同时，由于球化率的变化范围太大（０％～５０％），使得机械加工的优化也增加了困难。

在中国，如果要把蠕墨铸铁应用到一些形状复杂的、并有热负荷的部件，例如发动机缸体和缸盖，我们

建议中国的ＪＢ４４０３－８７的蠕墨铸铁标准有必要把球化率的要求限制在２０％以内。这样的调整，将使得中国的蠕墨铸铁标准与国际的ＩＳ０１６１１２标准和国际上各汽车制造公司的标准相一致（接轨）。更重要的是采用了ｏ％～２０％的球化率标准将使得中国的铸造业能顺利地进入迅速增长的蠕墨铸铁缸体和缸盖的国际市场。８结束语

蠕墨铸铁高于灰口铁和铝的力学性质，为客用车和商用车内燃发动机的设计和运作性能的改进提供了许多贡献。自１９９９年以来，批量生产的经验确认了蠕墨铸铁是质量可靠的、有生命力的、可大批量生产的发动机材料。其生产量由１９９９年的零将会增加至２０１０年的２百万个发动机量。令人信服的统计材料显示，各汽车制造公司都生产多种蠕墨铸铁的缸体，并且毫无例外地，这些汽车制造公司都在开发更多以蠕墨铸铁为缸体和缸盖的发动机。

Ｖ０１．３０ＮＯ．４Ａｐｒ．２００９

铸造技术

ＦｏＵＮＤＲＹＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ

・４５５・

・铸造技术Ｆｏｕｎｄｒｙ

Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ・

蠕墨铸铁——现代柴油发动机缸体和缸盖的材料

史蒂夫・道森

（欣特卡斯特，瑞典）

摘要：在不增加发动机尺寸和重量的前提下，为满足使用寿命的要求，油发动机缸体和缸盖的材料将要由普通的灰口铁转向蠕墨铸铁。蠕墨铸铁的抗拉强度和刚度分别高于普通灰口铁的７５％和４５％，疲劳强度几乎是普通灰口铁的２倍。因此，用蠕墨铸铁缸体和缸盖所制造的柴油发动机不仅满足了使用寿命的要求，同时尺寸也稳定，在整个使用寿命内满足尾气质量的要求。由于欧４标准的要求，在欧洲，已有９种新设计的蠕墨铸铁缸体和缸盖的重型柴油发动机在２００７年启动。预计，欧４标准将在２００９年引入中国的主要城市。中国的铸造业在２０１０年末前将会经历一个很大的转向到研发重型柴油发动机的蠕墨铸铁缸体和缸盖，然后，很快地进入批量生产。同时还要出口到国际市场。关键词：蠕墨铸铁；柴油发动机缸体；柴油发动机缸盖

中圈分类号：ＴＧ２５１．２

文献标识码：Ａ

文章编号：１０００－８３６５（２００９）０４－０４５５—０６

ＣｏｍｐａｃｔｅｄＧｒａｐｈｉｔｅＩｒｏｎ．ＡＭａｔｅｒｉａＩＳｏｌｕｔｉｏｎｆｏｒＭｏｄｅｒｎ

ＤｉｅｓｅｌＥｎｇｉｎｅＣｙｌｉｎｄｅｒＢｌｏｃｋｓａｎｄＨｅａｄｓ

ＤｒＳｔｅｖｅＤａｗｓｏｎ（ＳｉｎｔｅｒＣａｓｔ，Ｓｗｅｄｅｎ）

Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｂａｓｅｄ

ｏｎｔｈｅ

Ｅｕｒｏｐｅａｎｅｘｐｅｒｉｅｎｃｅ，ｔｈｅｐｒｉｍａｒｙ

Ｆｌｒｉｎｇ

ｐａｔｈｔｏａｃｈｉｅｖｉｎｇｉｍｐｒｏｖｅｄｅｎｇｉｎｅ

ｔｈｅｃｏｍｂｕｓｔｉｏｎ

ｃｈａｍｂｅｒ．Ｉｎ

ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅｉＳｔｏｉｎｃｒｅａｓｅｔｈｅＰｅａｋ

Ｅｕｒｏｐｅａｎｃｏｍｍｅｒｃｉａｌｖｅｈｉｃｌｅ

Ｐｒｅｓｓｕｒｅ（Ｐ嗍）ｊｎ

ｔｈｅ

ｓｅｃｔｏｒ，Ｐ懈ｈａｓ

ｉｎｃｒｅａｓｅｄｆｒｏｍａｐｐｒｏｘｉｍａｔｅｌｙ１８０ｂａｒｉｎ１９９９ｔｏ２２０

ａ

＂－，２４０ｂａｒｉｎ２００７．Ｔｈｅｒｅｓｕｌｔｉｎｇｉｎｃｒｅａｓｅｉｎｔｈｅｒｍａｌａｎｄｍｅｃｈａｎｉｃａｌｌｏａｄｉｎｇｈａｖｅｒｅｑｕｉｒｅｄ

ｃｈａｎｇｅ

ｆｒｏｍｃｏｎｖｅｎｔｉｏｎａｌｇｒｅｙｃａｓｔｉｒｏｎｔｏＣｏｍｐａｃｔｅｄＧｒａｐｈｉｔｅＩｒｏｎ（ＣＧｌ）ｉｎｏｒｄｅｒｔｏｓａｔｉｓｆｙｄｕｒａｂｉｌｉｔｙｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔｓｗｉｔｈｏｕｔｉｎｃｒｅａｓｉｎｇｔｈｅｓｉｚｅ

ｏｒ

ｔｈｅｗｅｉｇｈｔｏｆｔｈｅｅｎｇｉｎｅｓ．Ｗｉｔｈ

ｔｈｅ

ａｔｌｅａｓｔ７５％ｈｉｇｈｅｒ

ｔｅｎｓｉｌｅｓｔｒｅｎｇｔｈ，４５％ｈｉｇｈｅｒｓｔｉｆｆｎｅｓｓａｎｄａｐｐｒｏｘｉｍａｔｅｌｙｄｏｕｂｌｅｔｈｅｆａｔｉｇｕｅｓｔｒｅｎｇｔｈｏｆｃｏｎｖｅｎｔｉｏｎａｌ

ｇｒｅｙｃａｓｔｉｒｏｎ，ＣＧＩｓａｔｉｓｆｉｅｓｔｈｅｄｕｒａｂｉｌｉｔｙｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔｓａｎｄａｌｓｏｐｒｏｖｉｄｅｓｒｅｑｕｉｒｅｄｔｏｍｅｅｔｅｍｉｓｓｉｏｎｓ

ｌｅｇｉｓｌａｔｉｏｎｔｈｒｏｕｇｈｏｕｔ

ｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌｓｔａｂｉｌｉｔｙ

ｔｈｅ

ｌｉｆｅｏｆｔｈｅｅｎｇｉｎｅ．ＩｎｒｅｓｐｏｎｓｅｔｏＥＵＲＯ４

ｌｅｇｉｓｌａｔｉｏｎ，ｎｉｎｅｎｅｗｈｅａｖｙ－ｄｕｔｙＣＧＩｅｎｇｉｎｅｓｗｅｒｅｌａｕｎｃｈｅｄｉｎＥｕｒｏｐｅｄｕｒｉｎｇ２００７．ＡｓＥＵＲＯ４ｌｅｇｉｓｌａｔｉｏｎｗｉｌｌｂｅｐｈａｓｅｄ－ｉｎｔｏｍａｊｏｒｃｉｔｉｅｓｉｎＣｈｉｎａＰｒｅｓｓｕｒｅｓｏｌｕｔｉｏｎｓａｎｄ

ｔｈｅ

ｓａｍｅ

ｄｕｒｉｎｇ２００９，ｔｈｅｓａｍｅＰｅａｋＦｉｒｉｎｇ

ｄｕｒａｂｉｌｉｔｙｃｈａｌｌｅｎｇｅｓｗｉｌｌｕｎｄｏｕｂｔｅｄｌｙｂｅｆａｃｅｄ，ａｎｄｔｈｅｓａｍｅｓｏｌｕｔｉｏｎｓｗｉｌｌ

ａ

ｕｎｄｏｕｂｔｅｄｌｙ

ｅｘｐｅｒｉｅｎｃｅ

ａ

ｂｅ

ｉｍｐｌｅｍｅｎｔｅｄ．Ａｓ

ｒｅｓｕｌｔ，ｉｔｉＳｆｏｒｅｃａｓｔｔｈａｔｔｈｅＣｈｉｎｅｓｅｆｏｕｎｄｒｙｉｎｄｕｓｔｒｙｗｉｌｌ

ｅｎｇｉｎｅｃｙｌｉｎｄｅｒ

ｓｉｇｎｉｆｉｃａｎｔｕｐ－ｔｕｒｎｉｎＣＧＩｐｒｏｄｕｃｔｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔｏｆｈｅａｖｙ－ｄｕｔｙｄｉｅｓｅｌ

ｂｌｏｃｋｓｂｅｆｏｒｅｏｆ

ｔｈｅ

ｅｎｄｏｆｔｈｅｄｅｃａｄｅ，ｗｉｔｈｔｈｅｓｔａｒｔｏｆｓｅｒｉｅｓｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎｆｏＩｌｏｗｉｎｇｓｈｏｒｔｌｙｔｈｅｒｅａｆｔｅｒ．ＣＧＩ

ａｃｔｉｖｉｔｙ

ａｎｄ

ｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎ

ｃｏｕｒｓｅ，ｔｈｉｓ

ｅｘｐｅｒｉｅｎｃｅ

ｗｉｌＩ

ａｌｓｏＩｅａｄｔｏｗａｒｄ

ｎｅｗｆｏｕｎｄｒｙ

ｏｐｐｏｒｔｕｎｉｔｉｅｓｆｏｒｔｈｅｅｘｐｏｒｔｍａｒｋｅｔ．

Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：Ｃｏｍｐａｃｔｅｄｇｒａｐｈｉｔｅｉｒｏｎ；Ｄｉｅｓｅｌｅｎｇｉｎｅ

ｃｙｌｉｎｄｅｒ

ｂｌｏｃｋ；Ｄｉｅｓｅｌｅｎｇｉｎｅｃｙｌｉｎｄｅｒ

ｈｅａｄ

尽管蠕墨铸铁在１９４８年就被发现，由于稳定生产的范围很窄，直至先进的生产控制技术的研究成功并有效地投入了使用，蠕墨铸铁应用于复杂部件（如发动机缸体）的大批量生产才有了可能。最终实现大批量的

收疆日期：２００８—１２—０２；

修订Ｂ期：２００９—０１—１６

作者简介：史蒂夫・道森（１９６２一），加拿大人。加拿大多伦多大学冶金

材料学博士，总裁兼首席执行官．研究方向ｔ蠕墨铸铁的生产制造和柴油机发动机上的应用．

生产还依赖于现代的电子技术和计算机技术。目前每年已有１０００００多ｔ蠕墨铸铁缸体提供给汽车制造公司。这些公司是奥迪（Ａｕｄｉ），达富（ＤＡＦ），福特（Ｆｏｒｄ），

万方数据

Ｖ０１．３０Ｎｏ．４

ＦＯＵＮＤＲＹＴＥＣＨＮＯＬｏＧＹ

Ａｐｒ．２００９

现代（Ｈｙｕｎｄａｉ），曼（ＭＡＮ），奔驰（Ｍｅｒｅｅｄｅｓ），泼萨（ＰＳＡ），大众（Ｖｏｌｋｓｗａｇｅｎ）和沃尔沃（Ｖｏｌｖｏ）等。

尾气标准和高性能比的要求将继续促使柴油发动机技术的发展。较高的燃烧峰压改善了内燃机的性能和尾气的净化，但同时亦增加了热和力的负荷。这都・需要从设计方面找到解决方法。所以发动机的设计者们不是增加传统灰口铁或铝发动机的重量就是要采用较高强度的材料，例如蠕墨铸铁。

新的发动机的设计与制造通常要支持３～４代的车辆技术发展，因而选用的材料不仅要满足目前设计上的要求，也得满足将来发动机性能提高所带来的高材质要求，而不需改变总的设计。与灰口铁或铝相比较，蠕墨铸铁的抗拉强度高了７５％，弹性模量高出４０％及疲劳强度高出１００％，所以它是当前及将来发动机设计和性能提高所需要的理想材料。１蠕墨铸铁的微观结构和性质

如图１所示，在蠕墨铸铁中的石墨呈现单独的蠕虫状颗粒。从２个方向观察，这些石墨呈蠕虫状的外观，但被深浸蚀的试样的微观结构经扫描显示（图２），这些单独的“蠕虫”在晶胞内是与其周围的“近邻”相连接的。正是这些复杂的珊瑚似的石墨结构，结合其圆弧状的边缘和不平整的表面，使得铸铁基体与石墨间有较强的粘合力，去除ｒ开裂源的产生和防止了开裂的发展，并有优良的力学性能。

图ｌ球化率为１０％的蠕墨铸铁的微观结构

Ｆｉｇ．１

ＣＧＩ

ｍｉｃｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｃｃｏｎｔａｉｎｉｎｇｌＯ％ｎｏｄｕｌａｒｉｔｙ

蠕墨铸铁必然地会含有一定数量的球状石墨。球状石墨的增多会增加其强度及刚性，但以损害铁液的可铸性，恶化铸件的可加工性和导热性为代价的。因此，所要求的微观结构标准决定于工艺和铸件的工作性能要求。以柴油发动机缸体和缸盖为例，典型的金相组织要求如下。

（１）ｏ～２０％的球化率，以求最优的可铸性，可加工性和热传导性；

万方数据

图２深腐蚀后的样品在扫描电镜下显示了复杂的、立体的

“珊瑚”状石墨结构

Ｆｉｇ．２

Ｄｅｅｐ＿ｅｔｃｈｅｄ

ＳＥＭｍｉｅｒｏｇｒａｐｈｓｓｈｏｗｔｈｅｃｏｍｐｌｅｘ

ｃｏｒａｌ—ｌｉｋ。ｇ，。ｐｈｉｔｅｉｎｔｈ，ｅｅ－ｄｉｍｅｎｓｉｏｎｓ

（２）没有片状石墨，片状石墨如在灰口铁中的石墨一样，使得其所在处的性能恶化；

（３）大于９０％的珠光体以保证高的、均匀的力学性能；

（４）小于ｏ．０２％钛含量以保证优良的机械加工性能。这个通用的标准将导致最小的抗拉强度达４５０ＭＰａ（试棒的直径为２５ｒａｍ），同时亦满足ＩＳ０１６１１２关于蠕墨铸铁的标准。表１示出了蠕墨铸铁的典型力学性能，同时也示出了普通灰口铁和铝的力学性能以作比较。

农１蠕墨铸铁（ＧＪＶ）以及普通灰Ｉ：１铁（ＧＪＬ）和铝的力学和物

理性能

Ｔａｂ．１

ＭｅｃｈａｎｉｃａｌａｎｄＰｈｙｓｉｃａｌＰｒｏｐｅｒｔｉｅｓｏｆＣＧＩｉｎｃｏｍｐａｒｉｓｏｎ

ｔＯ

ｃｏｎｖｅｎｔｉｏｎａｌｇｒｅｙｃａｓｔｉｒｏｎａｎｄａｌｕｍｉｎｉｕｍ

ａｔ２０℃

２蠕墨铸铁的批量生产

蠕墨铸铁生产技术的成功开发导致了在欧洲、亚

洲和美洲的批量生产。表２给出了已宣布批量生产蠕

《铸造技术｝０４／２００９史蒂夫・道森：蠕墨铸铁——现代柴油发动机缸体和缸盖的材料

墨铸铁铸件的项目。

表２批量生产蠕墨铸铁的项目

Ｔａｂ．２

ＣＧＩＳｅｒｉｅｓＰｒｏｄｕｃｔｉｏｎＰｒｏｇｒａｍｓ

目前蠕墨铸铁的生产量相当于每年约５０００００个发动机量。尽管目前蠕墨铸铁的生产主要集中在欧洲，并局限于柴油发动机，但在世界的其它地区，一些新的项目已获批准，并且蠕墨铸铁的应用已扩大至其它部件。在中国、俄罗斯及印度商用车辆所用的缸体和缸盖的生产在增长。美国３大汽车制造公司（通用、福特和克莱斯勒）中的每一个都已宣布Ｖ形柴油发动机缸体要被应用于越野车（ＳＵＶ）和客商两用车（Ｐｉｃｋ－ｕｐ），并将于２００９年在北美铸造厂生产。考虑到已获批准的生产计划，我们估计有超过３０种不同设计的柴油发动机，将有超过２百万个发动机量的缸体和缸盖在２０１０年生产。预计到２０１２年，ｖ．型柴油发动机加上用于其它商用车辆上的，以蠕墨铸铁为缸体和缸盖的柴油发动机量将相当于全世界车辆发动机总量的１０％。３蠕墨铸铁在发动机设计中的应用

相对于普通灰口铁，应用蠕墨铸铁后的发动机可获下列诸方面的改进：①在目前相同的工作负荷下可降低壁厚（即降低重量），②在目前的设计情况下可增加工作负荷（增加Ｐ。。），③由于蠕墨铸铁的性质变化较小，可降低安全系数，④降低气缸内径的变形，⑤改善噪声、振动和不平顺性（ＮＶＨ），⑥缩短螺纹和螺栓

万方数据

的长度。

在２０世纪９０年代中期蠕墨铸铁开发的初始阶段，许多的开发研究都集中在如何降低重量方面。表３列出了由铸造企业和汽车制造业在发动机设计方面取得的、在降低重量方面的成果，表中括号里重量降低的百分数是由汽车制造业发表的并已批量生产。灰口铁缸体重量列中，以ＸＸＸ表示的柴油发动机的缸体，虽从未由灰口铁制造过，但汽车制造业宣称，如果那些缸体由普通灰口铁制造，为了满足使用寿命的要求，附加重量是必须的。虽然重量的降低量与原来缸体的尺寸和重量有关，如表３所示，使用蠕墨铸铁后，把原灰口铁缸体的重量降低１０％～１５％是可达的目标。

表３

蠕墨铸铁缸体重量相对于灰口铁缸体重量的降低Ｔａｂ．３

Ｗｅｉｇｈｔ

ｒｅｄｕｃｔｉｏｎｒｅｓｕｌｔｓ／ｏｒＣＧＩｖｓ．ｇｒｅｙｉｒｏｎｅｙｌｉｎｄｅｒ

ｂｌｏｃｋｓ

自引入共轨燃料喷入技术后，蠕墨铸铁应用于柴油发动机的重点从降低重量转移到降低尺寸和提高功率。在这方面，蠕墨铸铁相对于灰口铁及铝２倍的疲劳强度，可大大地增加发动机的负荷强度。某汽车制造公司的研究证明，１．３Ｌ的蠕墨铸铁发动机的性能相当于目前１．８Ｌ的灰口铁发动机。为达到上述的指标，Ｐ。，值增加了３０％，同时缸体的重量降低了２２％。尽管增加了Ｐ。，值，试验台疲劳分析显示，重量降低后的蠕墨铸铁缸体提供更多的安全储备，因而在操作性能方面的进一步提高是可能的。与原来的发动机相比较，用蠕墨铸铁组件组装的发动机在长度上缩短了１３％，高度上和宽度上各降低了５％，其重量则降低了９．４％。这个例子说明了蠕墨铸铁在降低发动机的尺寸和增加功率上的双重贡献。

另一个应考虑到的是蠕墨铸铁阻止了气缸内径的

Ｖ０１．３０Ｎｏ．４

ＦＯＵＮＤＲＹＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ

Ａｐｒ．２００９

变形。因为提高了温度和燃烧压力，气缸内径趋向于弹性膨胀。由于蠕墨铸铁有高的力学强度和刚性，所以它能忍受这些力负荷并维持气缸内径形状。由于变形降低了，环的张力减少了，随之磨擦损耗也减少了。这些优点还包括降低了活塞敲击声，降低了噪声一振动一不平顺性，降低了燃料的消耗，从而换油间隔时间也延长了，降低了由于活塞与壁间的空隙而渗漏，防止了扭矩的损失和改善了尾气质量。表４比较了４个用蠕墨铸铁和灰口铁制造的、相同的柴油发动机气缸内径的变形情况（用百分数表示）。

表４用蠕墨铸铁和灰口铁制造的缸体的气缸内径变形比较

Ｔａｂ．４

ＣｙｌｉｎｄｅｒｂｏｒｅｄｉｓｔｏｒｔｉｏｎｆｏｒＣＧＩ

ｖｓ

ｇｒｅｙ

ｉｒｏｎ

蠕墨铸铁高的刚性也改善了噪声一振动一不平顺性。尽管蠕墨铸铁的抗冲击能力差于灰口铁，但是，由于较高的弹性模量强化了缸体，可减少许多加强筋。高于灰口铁４０％的弹性模量扩大了燃烧频率和缸体的共振频率之差值，导致发动机工作宁静了。表５给出了相对于灰口铁发动机，蠕墨铸铁发动机的商用车和客用车的第一扭转振动频率的改变和噪声水平的降低。

表５用蠕墨铸铁和灰口铁制造的类似的发动机的噪声一振动一

不平顺性指标的比较

Ｔａｂ．５

ＮＶＨｒｅｓｕｌｔｓｆｏｒｉｄｅｎｔｉｃａｌｌｙｄｅｓｉｇｎｅｄＣＧＩａｎｄ

ｇｒｅｙ

ｉｒｏｎ

ｅｎｇｉｎｅｓ

４蠕墨铸铁与合金灰口铁

由于发动机负荷的增加开始超过了普通灰口铁（ＧＪＬ２５０）可承受的强度，一些铸造业及汽车制造业为增加抗拉强度，就设法向普通灰口铁中加些合金元素和硬化剂，例如铬、镍、铜、锡和钼等。为了进一步增加强度，完全满足最小抗拉强度为３００ＭＰａ的要求（ＧＪＬ３００），

万方数据

有些标准还降低碳含量，由３．２％到３．ｏ％以缩小片状石墨的尺寸，降低铸件开裂的风险。虽然加入硬化合金和降低碳含量可增加１０ＯＡ～２０ｏＡ的力学性能，但同时也丧失了普通灰口铁的优点：良好的可铸性，良好的热传导性，良好的可机械加工性和便宜的制造成本。

（１）可铸性

在浇注后的普通灰口铁的凝固过程中，片状石墨形成时的体积膨胀，能弥补铁本身凝固时引起的收缩，所以降低了碳的含量也就降低了普通灰口铁本身自我补缩的能力。许多合金元素（铬、铜、锡、钼）在铁液凝固过程中都有偏析现象。这种偏折就使得在最后凝固的铁液中很易形成缩孔和碳化物。总的结果是合金灰口铁的可铸性，包括补注的要求，与蠕墨铸铁没有什么区别。对形状复杂的铸件尤其是这样，例如４气门的缸盖。

（２）热传导

．

向普通灰口铁中加入合金元素相应的降低了它的

导热性。典型的合金加入量（ｏ．３％铬和０．３％钼）将降低普通灰１２１铁的热传导能力约１０％～１５％。另外，

普通灰口铁是由于具有较长的片状石墨才使其有良好的热传导性能，合金灰口铁中的低碳含量将进一步恶化其热传导能力。合金灰口铁的热传导性能比标准的珠光体蠕墨铸铁高出约５％。

（３）可加工性

合金元素的加入在增加了普通灰口铁强度的同时，也增加了铸铁的硬度和耐磨性，当普通灰口铁的强度增加１０％～２０％的同时，它的硬度却要增加３０％。根据合金元素的加入量，合金灰口铁的硬度往往都比蠕墨铸铁高（见表１）。普通灰口铁的可加工性与蠕墨铸铁是有很大差异，但用于合金灰口铁加工的刀具寿命与用于蠕墨铸铁加工的刀具寿命在许多加工工艺中基本上没有区别。

（４）成本

与普通灰１２１铁相比（ＧＪＬ２５０），合金灰口铁易形成缩孔（需要补注）和可加工性差（刀具寿命短），增加了使用合金灰１２１铁的成本。除此之外还得考虑合金本身的成本，例如钼的市场价格从２００４年到目前已由

５

０００欧元／ｔ增加到５００００欧元／ｔ。考虑１００ｋｇ重的

铸件，７０％的铸成率和０．３０Ａ的钼含量，就钼本身所增加的成本就有２０欧元。

（５）噪声一振动一不平顺性（ＮＶＨ）

ＮＶＨ指标的决定因素是铸铁的刚性。当把普通灰１２１铁从ＧＪＬ２５０提高至ＧＪＬ３００，增加了２０％的抗拉强度，但是弹性模量仅增加了约１０％。蠕墨铸铁的弹性模量比普通灰口铁（ＧＪＬ２５０）高４０％。因而，尽管蠕墨铸铁的耐冲击性差于以上两种灰口铁，但它高的弹

《铸造技术）０４／２００９

史蒂夫・道森：蠕墨铸铁——现代柴油发动机缸体和缸盖的材料

性模量值将导致噪声降低约１个分贝。

在１９９９年前，当蠕墨铸铁还没被确认为可以确保高质量、大批量生产的时候，合金灰口铁确实是制作重型发动机缸体的材料。而今，先进的工艺控制和生产技术已能保证蠕墨铸铁高质量、大批量的生产，所以已没必要再选用合金灰口铁了。合金灰口铁在可铸性、热传导、可加工性和成本方面与蠕墨铸铁相类似，但却没有蠕墨铸铁的其它优点。如果柴油发动机设计者们认可由于使用合金灰口铁所带来的以上诸问题，倒不如选用蠕墨铸铁而全面提升材料的性质和由于应用高性质材料而充分的改善发动机的工作性能，噪声一振动一不平顺性指标和使用寿命。５蠕墨铸铁与铝

（１）与铝相比较，蠕墨铸铁的力学性质对发动机可提供以下一些可能性：①较小的尺寸，②较高的性能比，③降低气缸内径的变形和改进油耗，④不需气缸衬套或表面不需浸蚀处理或涂层，⑤改善噪声一振动一不平顺性，⑥低的生产成本，⑦改善可循环利用性

由于蠕墨铸铁和铝之间的密度差别较大（蠕墨铸铁

７．１ｇ／ａｍ３，铝２．７

ｇ／ＣｌＴｌ３），人们会自然的认为蠕墨铸铁

缸体要比相似容积的铝制缸体重。但是，由于蠕墨铸铁的高强度和高刚度，因而可降低主要承负荷处的厚度，缸体大大的被缩短了。与其有关的其它一些配件，例如缸盖、曲轴、凸轮轴和底座板等也随之被缩短了，从而总重量降低了。对有两排气缸组成的Ｖ型缸体，这些确实是其优点。总的结果是，组装好的蠕墨铸铁发动机与组装好的铝发动机的重量几乎相同。表６示出了这样的结果，即奥迪４．２

Ｌ，Ｖ８

ＴＤＩ（以蠕墨铸铁为缸体）实

际上比奔驰４．０ＬＶ８ＣＤＩ铝发动机还轻４ｋｇ。

表６奥迪４．２Ｌ。蠕墨铸铁ｖ８发动机比奔驰４．０Ｌ铝Ｖ８发

动机轻４ｋｇ

Ｔａｂ．６

Ａｕｄｉ４．２ｌｉｔｒｅＣＧＩＶ８ｉｓ４

ｋｇｓｍａｌｌｅｒａｎｄｌｉｇｈｔｅｒｔｈａｎ

ｔｈｅ

Ｍｅｒｃｅｄｅｓ４．０１ｉｔｒｅａｌｕｍｉｎｉｕｍＶ８

（２）能耗和环境

甚至在直列气缸发动机方面，用于铁方面的能耗大大小于用于铝方面的能耗。按照目前的循环再利用率，每吨铸铁（包括灰口铁、球墨铸铁和蠕墨铸铁）的能

万方数据

耗约１０

５００

ＭＪ／ｔ，而铝的能耗则为９０

０００

ＭＪ／ｔ。假

设，蠕墨铸铁缸体重３５ｋｇ，而相对应的铝缸体重

２８

ｋｇ，则一个铝缸体的能耗就要比一个铸铁缸体的能

耗多出２

１５０ＭＪ。

假设汽油的热值为３４ＭＪ／ｔ，２１５０

ＭＪ／ｔ的能耗

相当于６３Ｌ汽油的热值。经估计，每轻１００ｋｇ重量，行驶１００ｋｍ可以节省汽油０．５Ｌ。则铝相对于铸铁

７

ｋｇ重量的减轻，需行驶约１８０

０００

ｋｍ才能抵消上述

的能耗差值。很清楚，政府的政策制订者们和汽车制造业应考虑一辆车在其使用寿命期间内能耗平衡的问题。一些国家，应如此考虑，例如中国，政策由中央政府制订并且其能源又依赖于进口。６设计方面的考虑

（１）轿车的蠕墨铸铁发动机汽缸的最小壁厚是

３．５

ｍｍ（－－０．５，＋１．ｏ）。这是与普通灰口铁一样的，

这也证明了，液态蠕墨铸铁具有足够好的流动性去浇注形状复杂的铸件。假设，蠕墨铸铁铸件的最小壁厚与普通灰口铁铸件一样（指砂型），蠕墨铸铁件重量的减轻不是在最小壁厚处。对蠕墨铸铁缸体而言是要重新设计重负荷处的壁厚。例如，降低重负荷处的壁厚

由２０ｍｍ到１５ｍｍ，重量将会大幅的降低，同时又不

影响铸造工艺。相反，降低冷却水壁厚从３．５ｍｍ到

３．０

ｍｍ，可能就超出了工艺能力并也只能少许降低重

量。所以蠕墨铸铁的高强度提供给设计者们去降低发动机重量的着重点应在降低重负荷处的厚壁，同时又不超出铸造工艺可造型的极限。虽然每公斤重量的降低都是重要的，壁厚处和壁薄处都应考虑，但是由蠕墨铸铁强度的提高所提供的有效重量降低的潜力应是在壁厚处厚度的降低。

（２）在选用灰口铁或球墨铸铁时，设计工程师们知道，均匀一致的石墨形状对维持力学强度是至关重要的。对灰口铁而言，恶化的石墨形状，例如Ｄ型石墨的存在，可降低灰口铁的力学性能达２０％～２５％。在球墨铸铁中，蟹脚状石墨或爆破状石墨的存在也降低它的强度和刚度。由于以上的经验，设计者们也会倾向于设定蠕墨铸铁应有均匀一致的石墨结构。但是，当０％～２０％球化率被要求在关键部位以优化可铸性、导热性和可加工性时，在非关键部位有较高的球化率将会是有利的。蠕墨铸铁在快速冷却的部位倾向于有较高的球化率，在非关键部位的薄壁处（约小于

５

ｍｍ）的球化率可高达５０％。这些非关键的薄壁部

位没有热负荷，不需过多的加工，较高的球化率只增加了铸件的强度、刚度和塑性。因而蠕墨铸铁铸件的微观结构要求，应着重在铸件工作的关键部位，例如气缸内径壁和热负荷部位，并尽可能地利用薄壁部位处高

Ｖ０１．３０Ｎｏ．４

ＦＯＵＮＤＲＹＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ

Ａｐｒ．２００９

球化率带来的有利因素。

（３）为克服普通灰口铁由于热疲劳而导致的损坏，通常都采用增加材料以提高它的强度和刚性。与灰口铁比较，蠕墨铸铁有较低的导热系数，如套用现成的灰口铁发动机设计，那么在相同的部位，蠕墨铸铁部件会有较高的热应力负荷。假如蠕墨铸铁部件由于热负荷过高而损坏，特别是在套用现有的灰口铁部件设计的情况，解决此类问题的方法不是增加、而是降低壁厚以提高热传导性能。另外，优化冷却水通道并使其尽可能地靠近热源以达到最佳的冷却效果也是重要的。总的效果是，蠕墨铸铁强度的增加大于其带来的热负荷增加，即强度增加的正面效果不仅抵消了热负荷增加的负面效果，还能进一步降低重量和延长发动机寿命。在有些情况下，正如上面所提到的，需优化和改进冷却水通道的设计，包括降低壁厚和靠近热源。７蠕墨铸铁的标准和用语

某些国家和国际组织制定和发表了它们各自的蠕墨铸铁标准。等级的区分采用了抗拉强度和微观结构中的球化率（以百分比表示），在表７中列出了最近发表的各种标准。

表７蠕墨铸铁标准总览

Ｔａｂ．７

ＳｕｍｍａｒｙｏｆＣＧＩＳｔａｎｄａｒｄｓ

在历史上，ＣＧＩ是ＣｏｍｐａｃｔｅｄＧｒａｐｈｉｔｅ

Ｉｒｏｎ（致密

石墨铸铁）和Ｖｅｒｍｉｃｕｌａｒ

ＧｒａｐｈｉｔｅＣａｓｔＩｒｏｎ（蠕虫状

石墨铸铁）的简称。Ｃｏｍｐａｃｔｅｄ（被压致密的）这个字主要用于讲英语的国家，Ｖｅｒｍｉｃｕｌａｒ这个字主要用于许多非讲英语的国家。最近（２００６年），ＩＳｏ（新的蠕墨铸铁标准）把此二字结合使用为“Ｃｏｍｐａｃｔｅｄ（Ｖｅｒｍｉｃ－

ｕｌａｒ）ＧｒａｐｈｉｔｅＣａｓｔ

Ｉｒｏｎ”（被压致密的蠕虫状的石墨

铸铁）。ＩＳＯ把ＣＧＩ的命名简称为ＧＪＶ，基于抗拉强度的不同，又分为５个不同级别。他们分别是ＧＪＶ３００（铁素体基体蠕墨铸铁），ＧＪＶ３５０，ＧＪＶ４００，ＧＪＶ４５０（这些是珠光体基体蠕墨铸铁）和ＧＪＶ５００（合金化的蠕墨铸铁）。

除了国际和某些国家制定了蠕墨铸铁的标准外，一些汽车制造公司也制定了他们各自内部的蠕墨铸铁标准，它们是：奥迪（Ａｕｄｉ），宝马（ＢＭＷ），卡特彼勒（Ｃａｔｅｒｐｉｌｌａｒ），喀明斯（Ｃｕｍｍｉｎｓ），达富卡车（ＤＡＦ

万方数据

Ｔｒｕｃｋｓ），台莫勒克莱斯勒（ＤａｉｍｌｅｒＣｈｒｙｓｌｅｒ），福特（Ｆｏｒｄ）。通用电器（ＧｅｎｅｒａｌＥｌｅｃｔｒｉｃ），通用汽车（Ｇｅｎ－

ｅｒａｌ

Ｍｏｔｏｒｓ），现代（Ｈｙｕｎｄａｉ），强迪瑞（Ｊｏｈｎ

Ｄｅｅｒｅ），

欧倍尔（Ｏｐｅｌ），劳斯莱斯动力装置（Ｒｏｌｌｓ－Ｒｏｙｃｅ

Ｐｏｗ—

ｅｒ

Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ）和大众（Ｖｏｌｋｓｗａｇｅｎ）等。

毫无例外，在把蠕墨铸铁应用于发动机缸体和缸

盖时，所有这些公司都把球化率规定在０％～２０％的范围内。这样狭窄的球化率范围，可能对中国的铸造业提出了较大的挑战。目前，中国的ＪＢ４４０３—８７标准允许球化率高达５０％。中国标准中的球化率，大大地高于国际上制定的标准（ｏ％－－－２０％），将会产生如下一些致命的问题。

（１）大于２０％的球化率将会大大地增加缩孑Ｌ的产生，特别是对一些形状复杂的铸件，例如发动机的缸体和缸盖。由于气孔而增加了废品率，由于增加补注而降低了生产率，最终导致利润的降低。更使人头疼的是，气孔一般都只能在机械加工后的测试中才能发现（例如在渗漏试验中）。由经机械加工后的试压试漏才发现的废品而造成的经济损失，比原铸件废品所造成的经济损失更大（约２倍左右）。

（２）大于２０％的球化率将显著的降低铸铁的导热性能。高的球化率易导致重型发动机缸盖气门间区域的热开裂，还会使气缸内径容易变形，从而导致油耗增加，扭矩降低和增加燃烧不完全气体的排放。

（３）大于２０％的球化率将大大降低加工刀具的使用寿命。同时，由于球化率的变化范围太大（０％～５０％），使得机械加工的优化也增加了困难。

在中国，如果要把蠕墨铸铁应用到一些形状复杂的、并有热负荷的部件，例如发动机缸体和缸盖，我们

建议中国的ＪＢ４４０３－８７的蠕墨铸铁标准有必要把球化率的要求限制在２０％以内。这样的调整，将使得中国的蠕墨铸铁标准与国际的ＩＳ０１６１１２标准和国际上各汽车制造公司的标准相一致（接轨）。更重要的是采用了ｏ％～２０％的球化率标准将使得中国的铸造业能顺利地进入迅速增长的蠕墨铸铁缸体和缸盖的国际市场。８结束语

蠕墨铸铁高于灰口铁和铝的力学性质，为客用车和商用车内燃发动机的设计和运作性能的改进提供了许多贡献。自１９９９年以来，批量生产的经验确认了蠕墨铸铁是质量可靠的、有生命力的、可大批量生产的发动机材料。其生产量由１９９９年的零将会增加至２０１０年的２百万个发动机量。令人信服的统计材料显示，各汽车制造公司都生产多种蠕墨铸铁的缸体，并且毫无例外地，这些汽车制造公司都在开发更多以蠕墨铸铁为缸体和缸盖的发动机。