喂線蠕化工藝在博杜安6M26氣缸體上的應(yīng)用

張敏之 ，于化順 ，張曉蕾 ，許景峰

（1.山東大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，山東，濟(jì)南 250061；2.濰柴動(dòng)力股份有限公司，山東，濰坊 261001）

發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)展的趨勢(shì)是減少排放、降低油耗、提高功率和增加舒適性。近幾年，隨著濰柴動(dòng)力柴油發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)品的升級(jí)換代、功率覆蓋范圍擴(kuò)大，導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)的比功率（kW/排量·升）越來(lái)越大，鑄件材質(zhì)問題成為濰柴動(dòng)力柴油機(jī)升級(jí)換代及技術(shù)貯備的關(guān)鍵技術(shù)制約。

近幾年，蠕墨鑄鐵的應(yīng)用，特別是在歐洲，得到了長(zhǎng)足的進(jìn)展。這是人們?cè)诎l(fā)現(xiàn)蠕墨鑄鐵后，國(guó)外首次把它廣泛應(yīng)用在發(fā)動(dòng)機(jī)缸體等重要鑄件上[1]。我國(guó)自20世紀(jì)60年代開始研究蠕墨鑄鐵，在鑄造性能、金相組織、機(jī)械/物理性能和某些使用性能、鑄件加工的工藝特性以及他們之間相互關(guān)系等方面的研究基本趨于完善，并制訂了蠕鐵金相和牌號(hào)的部級(jí)標(biāo)準(zhǔn)[2]。

蠕墨鑄鐵具有接近球墨鑄鐵的力學(xué)性能和接近灰鑄鐵的良好的工藝性能，同時(shí)還具有優(yōu)異的抗熱疲勞、抗磨損以及較高的彈性模量和抗變形能力[3]。故近幾年，濰柴動(dòng)力在蠕墨鑄鐵研究方面投入了大量的人力、物力，并成功應(yīng)用于博杜安6M26柴油機(jī)氣缸體生產(chǎn)。

1 博杜安6M26柴油機(jī)氣缸體生產(chǎn)條件

1.1 熔煉設(shè)備

采用沖天爐—電爐雙聯(lián)熔煉工藝：10t冷風(fēng)沖天爐熔煉，采用攪拌脫硫（硫量低于0.02%）工藝，20t中頻保溫電爐升溫。

1.2 蠕化設(shè)備

采用喂線蠕化工藝。喂線技術(shù)最早起步于20世紀(jì)70年代的日本，主要應(yīng)用于鋼的精煉技術(shù)。主要在鋼水中完成以下操作：進(jìn)行精煉以獲得氧（O）、硫（S）含量很低的清潔鋼；進(jìn)行加鈣處理，以改變夾雜物的特性；添加合金元素，以精確調(diào)整鋼水的化學(xué)成分或使其微合金化[4]。

采用喂線蠕化，由于鐵液高度的壓力作用和鐵水包蓋隔斷空氣的有效流動(dòng)，再加上合金包芯線是以一定速度的連續(xù)插入，這樣既可避免鎂蒸汽的瞬間大量爆發(fā)，保證高鎂合金的安全加入，又可避免鎂的大量逸出和燒損，提高鎂在鐵液中吸收率[5]。

1.3 蠕化劑及孕育劑

蠕化包芯線直徑為9mm，芯劑量約為165g/m，芯劑中Mg含量為3.5%～5%；孕育包芯線直徑為9mm，芯劑量約為210g/m，芯劑中Re含量為8%～12%。

1.4 檢測(cè)設(shè)備

爐前快速熱分析儀，用于快速檢測(cè)沖天爐C、Si；紅外碳硫儀；直讀光譜儀；奧林巴斯金相顯微鏡；德國(guó)OCC熱分析儀，用于觀察蠕化后熱分析曲線，判斷處理后的鐵水是否適合澆注（MgLn及LnLn值均在-2～2之間時(shí)適合澆注）。

2 博杜安6M26柴油機(jī)氣缸體蠕鐵工藝參數(shù)控制

2.1 博杜安6M26柴油機(jī)氣缸體原鐵水

原鐵水成分控制范圍見表1。

表1 原鐵水成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%）

2.2 博杜安6M26柴油機(jī)氣缸體最終化學(xué)成分

蠕墨鑄鐵的成分取決于鑄件的性能要求及使用條件，原鐵液成分應(yīng)能確保最終成分和便于爐前處理。通常對(duì)原鐵液的成分有如下要求：碳高、硅適當(dāng)?shù)?、磷低（特殊耐磨蠕鐵除外）、硫適當(dāng)?shù)颓曳€(wěn)定，其他元素如錳、鉻、鉬、銅、鎳等根據(jù)要求確定[6]。故博杜安6M26柴油機(jī)氣缸體的碳當(dāng)量選擇為4.3%～4.7%，其化學(xué)成分為ω（C）=3.6%～3.8%，ω（Si）=2.0%～3.0%，ω（P）=0.05%～0.08%，ω（S）＜0.03%，ω（Mg）殘 =0.012%～0.018%，ω（RE）殘 =0.02%～0.05%。

蠕鐵的切削加工性能與球鐵相近，比灰鑄鐵差。這是蠕鐵應(yīng)用于發(fā)動(dòng)機(jī)缸體等有待于解決的問題之一[7]；蠕鐵中加入0.8%～1.0%的銅，可以穩(wěn)定珠光體；加入0.2%～0.4%銅、0.2%鉬、0.062%錫后，蠕鐵淬透性、強(qiáng)度和硬度得到提高[8]；博杜安6M26柴油機(jī)氣缸體結(jié)構(gòu)復(fù)雜，壁厚不均，考慮到缸體的強(qiáng)度、耐磨性及加工性能，加入銅及錫，其控制范圍分別為：含Sn量為0.07%～0.09%，含 Cu量為0.60%～0.80%。

2.3 蠕化處理及澆注溫度

電爐出鐵水，根據(jù)原鐵水成分計(jì)算合金加入量，進(jìn)行爐前處理，要求處理后含Si量1.70%～2.0%。銅和稀土錠直接加在包底，75硅鐵、硅鋇和錫隨流加入。

扒渣后，將鐵水運(yùn)至喂線處理站進(jìn)行喂線法蠕化處理，喂線處理參數(shù)如表2所示。喂線時(shí)，先喂蠕化線，后喂孕育線。

表2 蠕化處理要求

喂線處理結(jié)束之后，澆注熱分析樣杯（德國(guó)OCC熱分析儀），觀察熱分析曲線，判斷處理后的鐵水是否適合澆注（MgLn及LnLn值均在-2～2之間時(shí)適合澆注）。

澆注碳硫試樣和光譜試樣，檢測(cè)處理后鐵水化學(xué)成分；將鐵水運(yùn)至預(yù)定位置，檢測(cè)鐵水的初澆溫度，澆注溫度控制1380℃～1400℃，澆注6M26氣缸體和單鑄試塊。

3 結(jié)果及金相分析

對(duì)單鑄試塊和鑄件本體進(jìn)行理化檢測(cè)，圖1為本體取樣位置示意圖。

圖1 本體取樣位置

3.1 單鑄試塊

單鑄試塊的機(jī)械性能及金相檢測(cè)結(jié)果如表3所示。

圖2所示為典型的單鑄試塊的金相組織形貌。

3.2 附鑄試塊

表4所示為附鑄試塊的硬度及金相檢測(cè)結(jié)果。

圖3所示為典型的附鑄試塊的金相組織形貌。

3.3 鑄件本體

6M26氣缸體鑄件本體的機(jī)械性能及金相檢測(cè)結(jié)果如表5所示。

圖4～圖6所示為6M26氣缸體鑄件本體的金相組織形貌。

表3 單鑄試塊的機(jī)械性能及金相結(jié)果

圖2 典型的單鑄試塊的金相組織

表4 附鑄試塊的硬度及金相結(jié)果

圖3 典型的附鑄試塊的金相組織

4 檢測(cè)結(jié)果分析

由表3、表4、表5中的金相檢測(cè)結(jié)果及圖2、圖3、圖4的金相組織形貌可知，石墨主要以蠕蟲狀出現(xiàn)，蠕化率在75%以上，還有部分以球狀石墨出現(xiàn)，沒有出現(xiàn)片狀石墨；基體組織以珠光體為主，氣缸體本體的珠光體含量在75%以上，單鑄試塊和附鑄試塊的珠光體含量均在85%以上。

表5 氣缸體本體機(jī)械性能及金相

圖4 本體試樣1的金相組織

圖5 本體試樣3的金相組織

圖6 本體試樣5的金相組織

由表3、表4、表5中的機(jī)械性能檢測(cè)結(jié)果可知，氣缸體本體抗拉強(qiáng)度達(dá)到470MPa，單鑄試塊的抗拉強(qiáng)度在480MPa～600MPa范圍內(nèi)；氣缸體本體和單鑄試塊的延伸率均在2.0%～3.0%之間；氣缸體本體的硬度在210HB～240HB之間，單鑄試塊、附鑄試塊的硬度在200HB～280HB之間，單鑄試塊和附鑄試塊的硬度變化范圍較寬，且部分硬度值較高?？估瓘?qiáng)度偏高的原因可能有：殘Mg量較高，蠕化率較低，部分石墨以球狀出現(xiàn)，提高了抗拉強(qiáng)度；Cu、Sn等合金含量較高，提高了抗拉強(qiáng)度。單鑄試塊、附鑄試塊的部分硬度值偏高可能是由組織中球狀石墨的出現(xiàn)以及Cu、Sn等合金含量較高所導(dǎo)致的。

5 結(jié)論及有待解決的問題

5.1 結(jié)論

采用喂線法工藝生產(chǎn)的博杜安6M26氣缸體本體的蠕化率在75%以上，基體組織以珠光體為主，抗拉強(qiáng)度達(dá)到470MPa，延伸率在2.0%～3.0%之間，硬度在210HB～240HB范圍內(nèi)；喂線法工藝可以生產(chǎn)蠕鐵博杜安6M26柴油機(jī)氣缸體。

5.2 有待解決的問題

采用現(xiàn)有喂線蠕化工藝生產(chǎn)的博杜安6M26柴油機(jī)氣缸體中，球狀石墨的含量偏高；蠕化率偏低；抗拉強(qiáng)度和硬度均偏高。因此，下一步在生產(chǎn)中從包芯線喂線長(zhǎng)度、合金加入量等方面對(duì)蠕鐵博杜安6M26柴油機(jī)氣缸體材料工藝有待進(jìn)行進(jìn)一步的優(yōu)化。

［1］張伯明.蠕墨鑄鐵最新發(fā)展［J］.現(xiàn)代鑄鐵，2006（1）：12.

［2］邱漢泉，張正德.中國(guó)蠕墨鑄鐵40年［J］.中國(guó)鑄造裝備與技術(shù)，2006（1）：1.

［3］陳位銘，金勝燦.蠕墨鑄鐵CA6110柴油機(jī)缸體的試驗(yàn)研究［J］.鑄造技術(shù)，2006（4）：341.

［4］吳荷生，吳玉彬.用高鎂合金包芯線生產(chǎn)球墨鑄鐵［J］.鑄造，1999，48（8）：33-34.

［5］王會(huì)群，胡利民.利用“喂線法”處理離心復(fù)合軋輥芯部球墨鑄鐵水［J］.鑄造設(shè)備與工藝，2010（6）：38-40.

［6］鄧勁珊，劉治軍，劉春雷，等.C6113柴油機(jī)蠕墨鑄鐵缸蓋鑄件的質(zhì)量控制［J］.鑄造設(shè)備與工藝，2010:（4）27-29.

［7］于化順.蠕墨鑄鐵生產(chǎn)技術(shù)及工藝［J］.現(xiàn)代鑄鐵，2002（3）：40.

［8］邱漢泉，張正德.中國(guó)蠕墨鑄鐵40年［J］.中國(guó)鑄造裝備與技術(shù)，2006（3）：19-20.