喂線工藝生產(chǎn)蠕鐵柴油機缸體缸蓋的技術(shù)

李 明， 齊少豹

(濰柴動力股份有限公司， 山東 濰坊 261205)

1 蠕墨鑄鐵在柴油機上的應用

1.1 蠕墨鑄鐵材料的應用

蠕墨鑄鐵的力學性能介于灰鑄鐵與球墨鑄鐵之間，鑄造性能比球墨鑄鐵好，接近于灰鑄鐵，具有良好的綜合性能。隨著發(fā)動機性能的不斷提高，發(fā)動機的爆發(fā)壓力不斷升高，新一代發(fā)動機的爆發(fā)壓力基本超過160bar，正在開發(fā)的大馬力發(fā)動機的瞬時爆發(fā)壓力已經(jīng)達到200bar甚至更高。高性能灰鑄鐵能夠承受的最大爆發(fā)壓力在200bar左右，已不能滿足大馬力發(fā)動機的使用性能要求。蠕墨鑄鐵的與灰鑄鐵相比抗拉強度高75%、彈性模量提高40%，而疲勞強度提高了近一倍。采用蠕墨鑄鐵制造中、大馬力發(fā)動機氣缸體、氣缸蓋，一方面可以滿足使用性能要求，提高發(fā)動機的效率；另一方面也可以通過設計減輕重量，因此，蠕墨鑄鐵在發(fā)動機氣缸體、氣缸蓋上的應用也越來越廣泛。

1.1.1 國內(nèi)外蠕墨鑄鐵應用情況

近幾年，國外蠕墨鑄鐵在發(fā)動機上的應用，已成為一種趨勢。為適應發(fā)動機增壓、小型化的發(fā)展趨勢，滿足汽車節(jié)能減排標準日益提高的要求，強度高、導熱性和耐熱疲勞性能好的蠕墨鑄鐵缸體缸蓋呈現(xiàn)快速發(fā)展狀態(tài)，尤其是用在柴油機缸體上。奧迪、DAF、福特、現(xiàn)代、MAN、奔馳、標致、雷諾、大眾和沃爾沃這些著名品牌都相繼開發(fā)和使用了蠕墨鑄鐵缸體。未來的發(fā)展方向不僅僅局限在乘用車，商用車上蠕墨鑄鐵材料的應用將進一步推廣。

我國應用歷史要早于國外，應用領(lǐng)域也較廣，但用于發(fā)動機鑄件的例子主要有上海圣德曼、二汽的蠕墨鑄鐵排氣管、無錫柴油機廠和大連柴油機廠的蠕墨鑄鐵缸蓋。

近年來，玉柴、中國重汽、錫柴、濰柴等缸體、缸蓋蠕墨鑄鐵材質(zhì)實際生產(chǎn)量不斷在擴大。

1.2 國內(nèi)外蠕墨鑄鐵生產(chǎn)工藝

國外蠕鐵的應用主要以發(fā)動機鑄件為代表。由于國外對蠕鐵的蠕化率要求較高，因此形成了一些爐前控制技術(shù)，采取嚴格的蠕鐵生產(chǎn)工藝來生產(chǎn)蠕鐵材料鑄件。這些蠕鐵生產(chǎn)工藝主要有：SinterCast工藝和OxyCast 工藝、NovaCast工藝、Backerud工藝等，其中SinterCast工藝是最為典型的蠕鐵生產(chǎn)工藝。

國內(nèi)蠕鐵生產(chǎn)工藝除在蠕化劑方面做了大量工作，使用了很多種類的蠕化劑外，處理控制工藝比較簡單，基本上沒有良好的質(zhì)量控制手段。

近年來，濰柴、中國重汽、錫柴等發(fā)動機企業(yè)先后引進了國際上先進的蠕墨鑄鐵生產(chǎn)控制系統(tǒng)。

2 蠕墨鑄鐵喂線工藝

2.1 蠕墨鑄鐵缸體缸蓋件要求嚴格

我們要生產(chǎn)的蠕墨鑄鐵鑄件，其材料標準要符合歐洲等先進國際標準，達到國際先進水平，為了獲得優(yōu)良的加工性能、鑄造性能和導熱性能，蠕墨鑄鐵的組織要求一般為：在關(guān)鍵部位球化率為0～20%。

2.2 蠕鐵工藝技術(shù)簡介

我們的蠕鐵缸體缸蓋生產(chǎn)工藝經(jīng)過小批生產(chǎn)工藝開發(fā)階段的研究與探索，結(jié)合濰柴自身特點選用了國內(nèi)喂線設備及德國蠕鐵控制技術(shù)進行批量生產(chǎn)工藝開發(fā)。目前已經(jīng)形成了一套成熟的蠕鐵鑄造工藝技術(shù)。

蠕鐵生產(chǎn)系統(tǒng)包括熔化系統(tǒng)、處理系統(tǒng)、澆注系統(tǒng)。利用熱分析技術(shù)可全流程的控制原鐵水狀態(tài)、蠕化處理過程及蠕化處理狀態(tài)、澆注過程以及澆注后鐵液蠕化衰退情況，確保批量生產(chǎn)過程中合格蠕鐵產(chǎn)品的產(chǎn)出。

我們采用的蠕墨鑄鐵生產(chǎn)技術(shù)對原鐵水有嚴格的要求，入口門檻較高。首先要求原鐵水的含硫量較低，理想條件含硫量在0.010%-0.14%之間，其次，對原鐵水碳當量也有較為嚴格的要求，對碳當量的要求通過原鐵水熱分析液相線的溫度范圍提線，原鐵水液相線范圍被要求在1 140～1 144℃之間。

原鐵水符合要求后經(jīng)喂線處理后使用樣杯檢測蠕化狀態(tài)，自動控制系統(tǒng)給出處理意見，澆注、補加喂線或者廢棄，根據(jù)自動控制系統(tǒng)給出的意見處理鐵水后即可進行澆注，澆注必須在一個規(guī)定的時間內(nèi)完成，防止蠕化衰退。

由于蠕墨鑄鐵蠕化范圍很窄，一旦發(fā)生蠕化衰退現(xiàn)象鑄件性能將受到極大影響，因此我們在鑄件常規(guī)檢驗中增加了蠕化率的超聲波無損檢測，避免蠕墨鑄鐵蠕化衰退成灰鐵的危險。

3 蠕鐵生產(chǎn)工藝流程

3.1 蠕鐵缸體缸蓋造型制芯工藝

濰柴生產(chǎn)的蠕鐵柴油機缸體重量為595kg，造型使用上下箱尺寸均為2200mm×1250mm×400mm，半自動化造型，使用自硬砂造型。

6M26機體共使用芯子8種16顆，全部采用冷芯。砂芯表面刷涂醇基涂料后烘干，整體組芯后二次刷涂料進行研箱。

澆注系統(tǒng)如圖1所示，澆注系統(tǒng)有三條橫澆道，兩條在底部通過內(nèi)澆道進入鑄件，另一條橫澆道則通過內(nèi)澆道進入鑄件中部。鑄件采用臥澆的方式進行，底部有大平面，因此采用傾斜澆注。

圖1 6M26缸體澆注系統(tǒng)示意圖

6M26柴油機有灰鐵與蠕鐵兩種材質(zhì)，兩種材質(zhì)使用同一套工裝，使用同樣的澆注系統(tǒng)。

蠕鐵材質(zhì)缸蓋型號為CW200，蠕鐵缸蓋用于船用柴油機，單個缸蓋重量為153kg，每箱兩件。

CW200柴油機缸蓋鑄型采用自硬砂造型，外層形成外輪廓的芯子則采用冷芯，與鑄型一樣采用自硬砂造型。為增加砂芯強度，缸蓋內(nèi)部砂芯采用高強度覆膜砂制芯，鑄型造型完成后刷涂料，涂料采用富士科醇基涂料。

缸蓋采用澆注系統(tǒng)如圖2所示，采用中注+底注的方式進行澆注。

圖2 CW200缸蓋澆注系統(tǒng)示意圖

3.2 蠕墨鑄鐵缸體缸蓋熔煉澆注工藝

蠕墨鑄鐵的熔煉澆注是蠕墨鑄鐵缸體缸蓋生產(chǎn)的關(guān)鍵過程，目前我們采用中頻電爐熔煉原鐵水，使用蠕鐵喂線生產(chǎn)設備進行蠕墨鑄鐵鑄件的生產(chǎn)與在線檢測，然后澆注鑄件。

3.2.1 原鐵水熔煉

生產(chǎn)蠕墨鑄鐵缸體缸蓋采用中頻電爐熔煉原鐵水，蠕墨鑄鐵成分的控制范圍：C3.6%～3.8%，Si1.9%～2.0%， Mn≤0.6%，S≤0.02%，P≤0.07%。

蠕墨鑄鐵對原鐵水要求較為嚴格，在成分范圍合格的同時需要使用熱分析系統(tǒng)對原鐵水進行檢測，確保原鐵水的液相線溫度在1 138～1 146℃范圍內(nèi)。

當液相線溫度不在范圍內(nèi)時，要用增碳劑調(diào)整到控制范圍。當熔化原鐵水的硫含量超過0.02%要求時，需要進行脫硫處理。

3.2.2 鐵液合金化

雖然6M26缸體和CW200缸蓋的材質(zhì)為RuT400，但是蠕鐵缸體和缸蓋工況的不同，而且缸體與缸蓋關(guān)鍵位置壁厚不同，6M26缸體的關(guān)鍵位置壁厚達到60mm，CW200缸蓋的關(guān)鍵壁厚為30mm，因此需采用不同的合金化配比。為了保證氣缸體中珠光體的含量及細化珠光體，有必要對原鐵水加入適量銅和錫進行合金化。

出鐵時同時進行合金化，合金化處理后的澆注鐵水中合金含量如表1所示。

表1 合金化后鐵水合金含量

3.2.3 喂線處理

出鐵合金化后鐵液至扒渣處扒渣，將鐵水運至喂線處理站進行喂線法蠕化處理。喂線法加入蠕化劑和孕育劑比沖入法更易于精確控制加入量，提高吸收率。喂線處理分為蠕化線與孕育線處理，蠕化線采用含鎂包芯線，孕育線則采用含稀土包芯線，包芯線參數(shù)如表2所示。

表2 包芯線參數(shù)

根據(jù)原鐵水含硫量、包芯線中鎂含量與稀土含量、鎂以及稀土元素的燒損情況以及澆包中鐵水深度等因素計算喂線量，在澆包就位后啟動喂線進行喂線處理。

3.2.4 熱分析在線快速判斷

喂線處理結(jié)束之后迅速進行扒渣處理，以扒除浮在鐵液表層的殘余渣，喂線處理后的渣滓中含有與鎂呈化合態(tài)的硫，扒渣不徹底容易造成鐵液回硫以致蠕鐵灰化。

扒渣后利用專用樣杯進行取樣快速檢測，蠕化處理后的鐵液在樣杯中冷卻過程中其冷卻曲線在熱分析系統(tǒng)中顯示如圖3所示。并根據(jù)判蠕化指數(shù)及孕育指數(shù)判據(jù)判斷蠕化處理后的鐵水是否適合澆注。

圖3 蠕化檢測得到的冷卻曲線

3.2.5 澆注鐵水化學成分

澆注熱分析試樣的同時澆注光譜試樣，光譜試樣成分作為技術(shù)控制的重要手段不作為驗收依據(jù)。6M26缸體和CW200缸蓋成分范圍如表3所示。

表3 蠕墨鑄鐵鑄件6M26缸體、CW200缸蓋鐵液成分(%)

3.2.6 澆注

蠕墨鑄鐵蠕化孕育處理后應及時進行澆注，蠕墨鑄鐵鑄件6M26缸體、CW200缸蓋澆注參數(shù)見表4。

表4 澆注參數(shù)如表所示

從蠕化孕育結(jié)束至鑄件澆注結(jié)束的總時間須進行嚴格限制，尤其是缸蓋更應該控制一包鐵水的澆注箱數(shù)，澆注總時間過長鐵液有發(fā)生蠕化衰退的危險，澆注總時間最長不應超過8min。

3.3 蠕墨鑄鐵缸體缸蓋的清理工藝

缸體缸蓋澆注后進行打箱清理，打箱時間根據(jù)鑄件冷卻條件不同確定。6M26缸體澆注重量達到800kg以上，最大壁厚達到60mm，打箱時間≥24h；CW200缸蓋冷卻重量較小，澆注重量在400kg左右，最大壁厚在30mm左右，因此澆注后12h即可打箱。

打箱落砂后進行粗清，砸掉澆冒口系統(tǒng)，由于蠕墨鑄鐵鑄件強度較灰鑄鐵提高70%以上，因此清理澆冒口系統(tǒng)較灰鑄鐵難度大，而且在粗清過程中蠕墨鑄鐵缸體缸蓋鑄件容易出現(xiàn)帶肉缺陷。

3.4 蠕墨鑄鐵缸體缸蓋理化性能

3.4.1 蠕墨鑄鐵缸體理化性能

對6M26缸體進行本體解剖進行本體性能及金相檢驗，檢驗現(xiàn)有工藝條件下機體本體的蠕化情況。鑄件本體性能檢驗在最大壁厚位置(60mm)處取樣檢測，同時進行金相檢驗，在較薄壁厚位置(20mm)進行金相檢驗進行對比。表5所示為本體試樣的機械性能和軟件計算金相蠕化率結(jié)果。

6M26缸體本體60mm壁厚與20mm壁厚鑄件蠕化情況見圖4、5。

表5 6M26缸體本體性能及金相

圖4 1號缸體厚壁(60mm)石墨形形態(tài)與基體形貌(100×)

圖5 2號缸體厚壁(20mm)石墨形形態(tài)與基體形貌(100×)

由圖5及表5中蠕化率結(jié)果可知，氣缸體上不同位置處的蠕化率均在85%以上，厚薄壁影響蠕蟲狀石墨的石墨形態(tài)，但是對蠕化率基本沒有影響。缸體中沒有出現(xiàn)片狀石墨。

由圖6和表5中珠光體含量可知，氣缸體本體的基體組織以珠光體為主，珠光體含量均在80%以上，基體組織中沒有碳化物出現(xiàn)。

3.4.2 蠕墨鑄鐵缸蓋理化性能

對CW200缸蓋進行本體解剖進行本體性能及金相檢驗，檢驗現(xiàn)有工藝條件下缸蓋本體的蠕化情況。缸蓋本體性能檢驗在缸蓋與缸體接觸的火力面位置(壁厚30mm)處取樣檢測，同時進行金相檢驗，在較薄壁厚位置(壁厚10mm)進行金相檢驗進行對比。表6所示為缸蓋本體試樣的機械性能和軟件計算金相蠕化率結(jié)果。

CW200缸蓋1號本體30mm壁厚與10mm壁厚鑄件蠕化情況見圖6、7。

表6 CW200缸蓋本體性能及金相

圖6 1號缸蓋厚壁(30mm)石墨形形態(tài)與基體形貌(100×)

圖7 2號缸蓋厚壁(10mm)石墨形形態(tài)與基體形貌(100×)

由圖7及表6中蠕化率結(jié)果可知，缸蓋上不同位置處的蠕化率均在80%以上，厚薄壁影響蠕蟲狀石墨的石墨形態(tài)，但是對蠕化率基本沒有影響。由圖8和表6中珠光體含量可知，缸蓋本體的基體組織以珠光體為主，珠光體含量均在80%以上，基體組織中沒有出現(xiàn)碳化物。 3.5蠕墨鑄鐵缸體缸蓋本體的超聲波無損檢測

蠕墨鑄鐵生產(chǎn)過程中一旦出現(xiàn)蠕化率過低或者蠕化衰退現(xiàn)象將嚴重影響柴油機缸體缸蓋的使用性能，尤其是蠕化衰退出現(xiàn)片狀石墨的情況下，鑄鐵強度將極大下降，出現(xiàn)片狀石墨的鑄鐵的性能甚至不如HT150。因此，為嚴格控制柴油機缸體缸蓋本體材質(zhì)，確保缸體缸蓋材質(zhì)為蠕蟲狀，引進超聲波無損檢測手段進行缸體缸蓋本體蠕化率的檢測。

經(jīng)過對灰鑄鐵、蠕墨鑄鐵、球墨鑄鐵鑄件的大量檢測，建立了蠕化率與聲速的關(guān)系。在實際生產(chǎn)中我們對蠕墨鑄鐵缸體缸蓋100%進行了超聲波的檢測，一旦檢測到超聲波聲速低于5 000m/s，此時鑄件本體中均有片狀石墨存在。

4 主要問題及對策

4.1 表面不球化層問題

蠕墨鑄鐵缸體缸蓋表層往往有片狀石墨層存在，其根本原因是鐵液中的稀土、鎂都是活性元素，他們可以與造型材料中的硫化物、硅化物以及鑄型表面的氧、氮、氫、一氧化碳等氣體化合，當鑄件表面的蠕化元素被消耗到臨界點以下時就形成表層的片狀石墨層。在蠕化率較高的鑄件表面和冷卻速度較慢的厚壁處比較容易出現(xiàn)表層片狀石墨。如圖8所示。

圖8 6M26缸體10mm壁厚與60mm壁厚位置表層片狀石墨

上圖中可見薄壁(10mm)位置表層片狀石墨層厚度明顯薄于厚壁(60mm)位置的片狀石墨層厚度。

表層片狀石墨的存在降低蠕鐵鑄件的表層強度及耐熱性能，必要時在鑄型砂芯表面采用專業(yè)涂料，適當提高鑄件中蠕化元素的含量能夠有效避免表層片狀石墨的存在。

4.2 縮松問題

在鑄件的最后凝固部位和壁厚變化部位容易出現(xiàn)縮孔和縮松，如圖9所示為缸蓋縮松附近石墨形態(tài)。

可見出現(xiàn)縮松部位與蠕化率偏低是位置是一致的，因此在生產(chǎn)過程中應保證鑄型剛度，合理設計澆冒口防止嚴重的凝固不均現(xiàn)象。同時應力求較高蠕化率，防止出現(xiàn)蠕化率不足造成的縮松現(xiàn)象。

另一方面，蠕墨鑄鐵生產(chǎn)過程中需要進行喂線，需要較高的熔煉溫度才能保證澆注溫度，因此碳當量燒損嚴重。碳當量較低也是造成縮松現(xiàn)象的重要原因之一，因此適當提高碳當量是避免縮松的措施之一。

4.3 石墨蠕化衰退

蠕墨鑄鐵缸蓋在澆注過程中由于一包澆注多件，澆注至末箱時容易出現(xiàn)蠕化衰退現(xiàn)象，造成蠕蟲狀石墨衰退成片狀，在蠕墨鑄鐵缸蓋中發(fā)現(xiàn)的蠕蟲狀石墨中心開始有片狀石墨出現(xiàn)如圖10。

圖10 石墨蠕化衰退開始出現(xiàn)

片狀石墨的存在會導致蠕墨鑄鐵鑄件性能急劇下降，造成鑄件報廢。在正常生產(chǎn)過程中引入熱分析快速檢測方法，能夠在90s內(nèi)快速判斷鐵水蠕化狀態(tài)，防止蠕化不良鐵液的澆注。轉(zhuǎn)運澆注過程中需嚴格控制澆注時間，根據(jù)熱分析系統(tǒng)的建議進行澆注，嚴格控制澆注時間在8min之內(nèi)。

4.4 加工性能問題

由于蠕墨鑄鐵鑄件的強度相對于傳統(tǒng)灰鑄鐵提高了70%以上，達到400MPa以上，同時硬度相對灰鑄鐵也略有提高，延伸率達到1.0-2.5%。加工過程中不可避免的存在刀具磨損量大，加工難度大等問題。

蠕墨鑄鐵缸體冷加工過程中切削量大，加工精度要求高，目前我們采用原有加工灰鑄鐵的機床、刀具進行蠕墨鑄鐵缸體的加工，主要存在如下問題。

4.4.1 硬度高

車削和銑削過程中反映蠕鐵缸體硬度較高，對刀具的磨損較為嚴重，目前我們解決措施是一方面將車削銑削工藝參數(shù)降低，降低切削速度，取原有灰鑄鐵加工參數(shù)的70%左右進行加工。另一方面在鑄造工藝控制室盡量對硬度進行控制，將硬度值控制在該牌號的下限，便于加工。

4.4.2 粘刀、糊刀、刀具磨損量大

在鏜削和鉆削過程中存在的顯著問題是刀具磨損量大，加工速度快時容易出現(xiàn)粘刀糊刀現(xiàn)象。解決這一措施目前可行的方法是降低鏜削、鉆削的加工參數(shù)。

長遠來看蠕墨鑄鐵的加工應開發(fā)專用刀具，結(jié)合蠕墨鑄鐵鑄件的強度高、韌性好的特點研究專用刀具，并開發(fā)新的冷加工工藝。

5 結(jié)論

(1) 蠕鐵是一種柴油機缸體缸蓋的材料選擇。

(2)喂線法與熱分析技術(shù)相結(jié)合的蠕墨鑄鐵生產(chǎn)工藝既有喂線法精確控制喂線量的優(yōu)點，又能通過熱分析技術(shù)對鐵液蠕化效果進行預判，能夠保證蠕化效果，可以應用于蠕墨鑄鐵缸體、缸蓋的批量生產(chǎn)。

(3)分析了蠕墨鑄鐵缸體、缸蓋生產(chǎn)中存在的問題，并提出了對應的解決措施。

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