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随着可变涡轮增压技术和高压共轨直喷技术的发展,用户对柴油发动机升功率、结构紧凑性、铸件形状复杂程度和热负荷提出越来越高的要求,对柴油机关键材料及制造技术也提出更高的要求。传统的HT250材料已经不能满足柴油机机体的使用需求,迫切需要研发更高性能、更稳定可靠的柴油机机体材料。同时,随着高端低排放柴油机的发展,柴油机机体的结构越来越复杂,内部型腔尺寸精度显著提高,传统的HT250铸造工艺已不能满足新型高性能机体材料的铸造成型需求,迫切开发适合新材料的铸造工艺。本文基于Cu-Cr-Mo-Sn和Cu-Cr-Mo-Ni两种合金体系,采用四因素三水平正交实验的方法,研究不同合金元素组合对合金灰铸铁的显微组织、拉伸性能和硬度的影响,采用电子显微分析手段分析合金的断裂方式、裂纹源以及断裂机理。在此基础上,优化合金的成分和组成,研制新型高性能合金灰铸铁材料。同时,根据新型合金灰铸铁材料的凝固收缩特性,采用数字模拟加验证的方法设计D12发动机缸体的铸造工艺并优化。试验结果表明:在灰铸铁中加入合金元素Cu、Cr、Mo、Sn或者Ni,合金中珠光体的含量增加,石墨分布更均匀、细小。在Cu-Cr-Mo-Sn/Ni两种体系中,Cu-Cr-Mo-Ni体系表现出更好的综合性能,对合金灰铸铁抗拉强度和延伸率的影响顺序为Mo>Cr>Ni>Cu。根据正交试验结果优化出合金新型高性能缸体材料,其化学组成为 C-3.40%、S-0.08%、Si-1.90%、Mn-0.80%、Cu-0.8%、Cr-0.3%、Mo-0.2%、Ni-0.6%,其铸造拉伸强度达到315MPa,延伸率为0.87%,硬度为228(HB)。其拉伸性能和铸造工艺性能满足新型柴油机的需求。根据新型缸体材料,在传统HT250铸造工艺的基础上,设计D12发动机缸体的三种铸造工艺方案,应用AnyCasting模拟软件对三种方案进行铸造工艺模拟,模拟合金的充型过程、凝固过程、铸造缺陷的形成、分布与控制。结果发现:传统HT250铸造工艺(方案一)的铸造缺陷多,不能满足要求,方案二的模拟结果与方案一相比虽略有好转,但仍有较大面积的可能会出现缺陷。在方案二的基础上增加竖浇道和延长横浇道优化,形成方案三,模拟时未发现明显的铸造缺陷,基本达到试生产的要求。根据模拟优化的铸造工艺设计并加工出D12缸体的模具,并经过300件的小批试生产和加工验证后,发现新方案制备的D12缸体的废品率已经由传统方案的53%左右降至4%左右,满足生产的要求。