YC6113柴油機蠕墨鑄鐵缸蓋鑄件的質量控制

鄧勁珊，劉治軍，劉春雷，蔡俊濤，賓小麗

（廣西玉柴機器股份有限公司鑄造廠，廣西玉林537005）

·鑄造工藝·

YC6113柴油機蠕墨鑄鐵缸蓋鑄件的質量控制

鄧勁珊，劉治軍，劉春雷，蔡俊濤，賓小麗

（廣西玉柴機器股份有限公司鑄造廠，廣西玉林537005）

通過合理使用爐后配料比，并在沖天爐出鐵時脫硫，可以有效得到滿足蠕墨鑄鐵生產的低硫原鐵液，同時正確選擇、控制化學成分、熔煉工藝及蠕化處理方法，并使用長方形壓邊冒口工藝，使牌號為RuT340的柴油機缸蓋鑄件的蠕化率≥75%，金相組織珠光體體積分數穩(wěn)定達到98%以上，石墨長度為4級，硬度≥160 HBS，綜合廢品率低于8%，滿足相關技術和質量控制要求。

蠕墨鑄鐵；缸蓋；質量控制

近10多年來，出于節(jié)能和環(huán)保方面的需求，同時為滿足國家有關CO2排放的規(guī)定，汽車行業(yè)對柴油機的材料性能提出越來越高的要求。這種要求對推動蠕墨鑄鐵的應用和發(fā)展起到關鍵作用。蠕墨鑄鐵鑄件在高溫、高壓及潤滑不良惡劣條件下具有良好的強度、導熱性、耐磨性、耐蝕性和耐熱疲勞性能，很好地滿足了這種要求。缸蓋是柴油機的關鍵基礎零部件，用蠕墨鑄鐵生產缸蓋已經取得了良好的效果。

本公司的鑄造車間生產有一種牌號為RuT340的YC6113重型汽車柴油機缸蓋，該缸蓋結構由水腔、氣道、油孔、水孔及螺釘孔等組成，內腔結構極其復雜、壁厚不均勻，最薄的部位僅4.5 mm，厚大部位的壁厚達35 mm，熱節(jié)部位較多，鑄造難度較大。鑄件毛坯質量93 kg，要求材料牌號為RuT340，硬度≥160 HBS，鑄件的表面及內腔不允許有任何氣孔、夾砂、夾渣、縮孔以及其他缺陷，同時鑄件有致密性要求，加工完工后要對水腔和氣道等內腔進行氣壓≥0.5 MPa的氣密性試驗，保壓60 s無泄漏后毛坯方算合格。在長期的生產中，我們對蠕墨鑄鐵缸蓋的生產及質量控制積累了一定的經驗，使之符合相關技術和質量要求，現介紹如下。

1 鐵液化學元素的控制

蠕墨鑄鐵化學成分的控制基本上遵循高碳，低硫、磷，和一定的含錳量原則，同時可適當加入一定量的錫、鉻等合金元素，用于穩(wěn)定珠光體，提高硬度及抗熱疲勞性能等。

1）元素C的控制。為獲得盡可能大的石墨化膨脹量得到致密的鑄件，在碳當量一定的前提下，要求高的碳量。但高碳量易促進球狀石墨的形成，故碳值較球墨鑄鐵低，一般ω（C）＝3.6%～4.0%。對于薄壁件，如柴油機的缸蓋，碳量宜控制在上限值。生產蠕墨鑄鐵缸蓋時ω（C）＝3.8%～4.1%。

2）元素Si的控制。硅在蠕墨鑄鐵中的作用是調整基體組織。隨硅量增加，基體組織中的珠光體量減少，而鐵素體量增加。雖然降低硅量可獲得較多的珠光體量，從而提高成品的抗拉強度、屈服強度、硬度等，但過低的硅量易產生白口，故要獲得高珠光體量不能追求過低的硅量，而應采取別的措施，如加入合金等。生產蠕墨鑄鐵缸蓋時一般ω（Si）＝1.6%～2.0%。

3）元素Mn的控制。錳在一定的含量范圍內對石墨的蠕化沒有影響，但對蠕墨鑄鐵卻有一定的穩(wěn)定珠光體的作用，只是蠕墨分支繁雜，相較于普通鑄鐵，其作用有所減弱。一般ω（Mn）＝0.3%～0.6%。

4）P對石墨蠕化也無影響，但過高會產生磷共晶，降低產品沖擊韌性，提高冷脆轉化溫度。故磷含量宜控制在較低的范圍。ω（P）量一般在0.07%以下，缸蓋機加工后基本上沒有因組織或原因不明引起的滲漏。

5）S和蠕化元素（Mg、Re等）有很大的親和力，因此它是消耗蠕化劑的元素，可以說是生產蠕墨鑄鐵的有害元素。硫量極低時（＜0.002%），快速凝固可獲取蠕蟲狀石墨；鐵液中硫量增加時，消耗的蠕化劑也相應增加，使得實際起蠕化作用的蠕化劑量就會減少，且形成硫化夾雜物，同時促進蠕化衰退。但要獲得過低的硫含量，實際生產中很難保證，所以要求在適當低的硫含量范圍內，保持其穩(wěn)定性即可。因此，為了得到穩(wěn)定的蠕化效果，ω（S）=0.015%～0.025%。

6）Sn金屬富有光澤，無毒，不易氧化變色。錫在蠕墨鑄鐵中起到促進珠光體生成的作用，與起同樣作用的銅相比，其促進珠光體生成的能力是銅的10倍。蠕墨鑄鐵生產時通常在加入蠕化劑的時候一起加入適量的錫，以保證鑄件的硬度。但過多的加入錫，鑄件的硬度卻不會再明顯提高，相反，增大了鑄件的脆性，對價格不低的錫材料來說，也是一種成本浪費。經過生產試驗確定按0.5 kg/包（1.8 t鐵液）的加入量控制，效果較好。

7）Cr有增加和穩(wěn)定珠光體量的作用，還能細化珠光體組織，提高鑄鐵的強度。但是鉻又是一種強碳化物元素，和碳有較強的親和力，因此鉻鐵的加入勢必引起鐵液白口傾向的增加，白口寬度增大，所以，在蠕墨鑄鐵生產中對鉻鐵量的加入是嚴格控制的。蠕鐵生產開始實行加錫工藝后，取消了從后爐加鉻鐵的工藝要求。

綜上所述，蠕墨鑄鐵生產的原鐵液及最終成分嚴格按表1控制。

表1 蠕墨鑄鐵化學成分控制要求（質量分數，%）

2 熔煉設備及工藝介紹

2.1 生產條件

熔化工部采用7 t/h冷風沖天爐與7 t工頻電爐雙聯熔煉。車間熔煉設備主要有3臺7 t/h沖天爐和2臺7 t工頻電爐，沖天爐為冷風、水冷、有爐襯雙排大風口；加料系統(tǒng)為自動加料、自動監(jiān)控，同時加料過程中具有自動補償功能；采用7 t工頻電爐提溫、保溫及調整化學成分，保證出鐵溫度在工藝范圍內，使原鐵液成分穩(wěn)定。

2.2 爐料的選擇和配比

1）優(yōu)選沖天爐爐料，嚴控爐料質量

生產蠕墨鑄鐵相對灰鑄鐵，對原鐵液的要求更為嚴格，主要體現在低硫、低氧化，穩(wěn)定的碳、硅含量，合理控制合金含量，同時保證鐵液高溫、純凈等。目前我們已經做到蠕墨鑄鐵的爐料“專料專用”，總的來講，就是使用發(fā)熱量高、低硫的鑄造焦炭，使用含硫量低、成分波動小的Q10、Q12生鐵，使用蠕墨鑄鐵或者球鐵回爐料，使用含銹及雜質少的廢鋼。開辟出“蠕鐵專用”料池，同灰鑄鐵爐料分開放置，掛牌標識，避免混淆。焦炭硫含量要求低于0.2%，生產前提前送樣檢測，確保焦炭質量符合工藝要求。

2）合理配料，確保原鐵液成分穩(wěn)定

沖天爐的配料與生產灰鑄鐵相比有較大的區(qū)別。生產蠕墨鑄鐵時，沖天爐鐵液屬于過共晶成分，沖天爐的增碳效果低，增碳率在（-5%～5%）之間。根據回爐料供應的多少，生鐵所占比例一般在55%～70%之間，回爐料比例在25%～35%?；貭t料供應多時，生鐵的比例就適當減少，回爐料的比例適當增加，以保證鐵液具有更佳的過共晶成分，同時可以降低生產成本。生產蠕墨鑄鐵對廢鋼比例不作要求，根據爐況決定是否加入少量廢鋼調整鐵液碳含量。表2為沖天爐爐料配料比例（批料700 kg）。

表2 蠕墨鑄鐵生產時沖天爐爐料配料比例

2.3 熔煉及脫硫工藝

1）鐵液含硫量及氧化控制，正確取舍

一般情況下，沖天爐開爐初期鐵液溫度較低，易氧化，含硫量也高。正常情況下，為了保證鐵液不氧化，需要加入足夠的焦炭。但是保證低硫又必須更少的焦炭。根據經驗，只有在保證不氧化的基礎上才能減少焦炭，以保證較低的含硫量。如果一味地追求少加焦炭控制低的含硫量，結果是氧化氛圍較濃，導致蠕化劑的加入量增加，鑄件出現大的孔洞類缺陷，結果得不償失。

2）采用沖天爐爐外脫硫，穩(wěn)定控制沖天爐硫含量

原鐵液硫含量的穩(wěn)定至關重要，硫含量影響蠕化合金的加入量，影響蠕化處理的成功率，最終影響鑄件的質量。除了上述幾點外，目前我們普遍采用沖天爐爐外脫硫的方法控制硫含量。2006年我們曾使用脫硫劑（主要成分是石灰）進行爐內脫硫，該方法對沖天爐爐襯腐蝕嚴重，加入量為1%～3%，脫硫率為5%～10%，效果不明顯。隨后我們開發(fā)出一種復合脫硫劑，進行爐外脫硫。具體做法是在沖天爐出鐵液時，把脫硫劑放置在出鐵槽隨鐵液沖入，同時在鐵液包內進行攪拌。采用爐外脫硫法，脫硫率與沖天爐鐵液溫度、原鐵液硫含量、脫硫劑加入量及攪拌操作等有較大關系。鐵液溫度在1 440℃～1 460℃，脫硫劑加入量為0.4%，脫硫前鐵液硫含量在0.03%～0.04%之間，脫硫率可以達到25%～40%。脫硫后要及時撈干凈熔渣，避免回硫，可以穩(wěn)定保證原鐵液ω（S）≤0.025%，滿足蠕墨鑄鐵生產及質量控制要求。需要說明的是，脫硫后的鐵液在工頻爐熔煉時要注意精煉效果，不然鑄件易產生渣氣孔缺陷。

通過多年的生產實際，要保證蠕鐵鑄件的質量，除了在蠕化處理工藝，鑄型工藝等方面改進外，沖天爐熔煉操作愈顯得重要。筆者認為沖天爐熔煉蠕墨鑄鐵的原鐵液的最終目標是：穩(wěn)定的鐵液成分，低硫、低氧化，高溫，純凈。

2.4 蠕化處理工藝

蠕鐵的處理工藝流程與灰鐵有很大的區(qū)別，而與球鐵的工藝流程相近，但在具體控制上比球鐵要求更加精準，因為蠕化過頭則導致蠕化率過低，使其綜合性能打折，蠕化不足則可能導致“灰化”報廢，因此過程控制要求很嚴格，一定要認真對待。

蠕鐵處理工藝流程為：①沖天爐熔煉獲得高溫、高碳、低硫、低氧化的鐵液；②工頻電爐精煉進一步提高鐵液溫度，并調整成分，保證原鐵液溫度達到1 480℃～1 500℃及成分合格；③根據不同的ω（S）量確定1#、2#蠕化劑加入量，1#蠕化劑為埃肯蠕化劑，加入量為0.20%～0.28%，放在處理包包底凹坑并覆蓋蠕鐵專用的孕育劑，2#蠕化劑為稀土硅鐵，加入量根據鐵液ω（S）量調整，一般為0.1%～ 0.2%，放在出鐵槽或漏斗，然后出鐵進行蠕化及孕育處理；④出鐵后要攪拌，目的是使蠕化劑反應充分、均勻，反應完后要扒渣，要求把反應生產的渣扒干凈，防止鐵液“回硫”而灰化；⑤取鐵液澆注三角試樣判斷蠕化是否成功以及蠕化率的高低；⑥倒包及扒渣：把鐵液從處理包倒入澆包，并適當補充孕育劑，倒完包后扒渣，要求把所有浮渣扒干凈，否則易造成鑄件“夾渣”、“漏水”廢品，或造成濾網堵塞而出現“澆不足”；⑦澆注要求又快又準又穩(wěn)，蠕鐵鐵液比灰鐵鐵液更易吸氣和氧化，對澆注要求更高；⑧澆鑄試塊：在澆完最后一箱后立即取樣澆鑄試塊，盡量縮短澆最后一箱與澆試塊的時間間隔，這樣試塊的代表性才有保障；⑨金相及性能檢驗：用澆鑄試塊準確檢測每包鑄件的蠕化率，并每隔10包送檢一個機械性能試塊，每包鐵液澆注的尾箱鑄件抽檢本體打硬度。整個工藝流程一般在13 min～ 15 min內完成，通過緊湊的蠕化處理方法及層層質量把關手段，確保澆注鑄件符合相關技術和質量控制要求。

3 長方形壓邊冒口工藝

此工藝已經成熟運用于生產蠕墨鑄鐵缸蓋多年，生產鑄件數千噸。如圖1所示，壓邊冒口尺寸為215（長）mm×60（寬）mm×70（高）mm，在進氣道側頂面每兩缸設置1個（共3個），壓邊寬度為9 mm，每個冒口設置2個（共6個）內澆口。鐵液從直澆道下來，經過鑄型分型面的內澆口，再上爬經由冒口進入型腔，利于鐵液補縮。由于鐵液從澆包進入型腔路徑較長，很好地發(fā)揮了蠕墨鑄鐵生產中提倡的高溫出鐵低溫澆注的原則，使?jié)沧⑾到y(tǒng)的擋渣作用很好，同時在蓋箱面配以適當的布置合理的氣眼數量，保證排氣通暢和較快的澆注速度，使長期困擾蠕墨鑄鐵缸蓋鑄件的噴油器孔、導管孔和頂桿孔易出現縮孔、縮松和氣縮孔缺陷的質量問題得到很好的消除，由此引起的滲漏、漏水問題也得到較好的解決，大大降低了蠕墨鑄鐵缸蓋的漏水率和綜合廢品率。但壓邊冒口在清理過程中容易打崩造成鑄件損傷報廢的問題也應引起重視，必須培訓操作工使用正確的清理操作方法。

圖1 長方形壓邊冒口工藝（微震造型，每型一件）

據統(tǒng)計2009年生產的近1.5萬臺鑄件中（見表3），綜合廢品率平均低于8%，較好地達到了公司的質量控制要求。

表3 2009年YC6113缸蓋產量及廢品率統(tǒng)計

4 結束語

通過采取以上措施，使用各種質量控制手段，得到了比較滿意的蠕化效果，使YC6113缸蓋鑄件蠕化率穩(wěn)定控制在75%以上，獲得了珠光體體積分數在98%以上，硬度≥160 HBS，石墨長度為4級的合格鑄件；同時綜合廢品率大幅降低，有效地節(jié)約了生產成本，達到了較好的技術質量控制水平，保證了產品的蠕化質量和用戶的需求。

TG245

B

1674-6694（2010）04-0027-03

2010-06-22

鄧勁珊（1979-），男，助理工程師，主要從事現場熔煉技術指導及質量管理工作。