蠕墨鑄鐵柴油機氣缸體喂絲蠕化穩(wěn)定生產(chǎn)工藝

張敏之，魯　棟，盧彬彬，楊淑欣，時　曉，許景峰

（濰柴重機股份有限公司濱海鑄造廠，山東濰坊261001）

·鑄造工藝·

蠕墨鑄鐵柴油機氣缸體喂絲蠕化穩(wěn)定生產(chǎn)工藝

張敏之，魯棟，盧彬彬，楊淑欣，時曉，許景峰

（濰柴重機股份有限公司濱海鑄造廠，山東濰坊261001）

蠕墨鑄鐵作為一種新型的鑄造材料具有灰鑄鐵和球墨鑄鐵的綜合性能，已經(jīng)在發(fā)動機關(guān)鍵零部件（如氣缸體、缸蓋）上得到應用。本文介紹了喂絲蠕化工藝在蠕墨鑄鐵柴油機氣缸體生產(chǎn)中的應用，通過嚴格控制原鐵水成分、喂絲蠕化工藝、澆注過程等工藝參數(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)蠕墨鑄鐵氣缸體的穩(wěn)定生產(chǎn)，其鑄件蠕化率均達到80%以上，抗拉強度在450MPa以上。

蠕墨鑄鐵；喂絲工藝；蠕化率；穩(wěn)定生產(chǎn)

隨著柴油機國家排放標準及節(jié)能要求的提高，產(chǎn)品升級換代的速度需要不斷加快，其爆發(fā)力以及燃燒峰壓對發(fā)動機的關(guān)鍵零部件如氣缸體、缸蓋等的材質(zhì)及性能提出了更高的要求[1]。蠕墨鑄鐵由于其基體石墨形態(tài)介于片狀和球狀之間，具有接近于球墨鑄鐵的力學性能，同時又具有與灰鑄鐵相似的良好抗振性、導熱性及鑄造性能，且較灰鑄鐵具有更優(yōu)的塑形和抗疲勞性[2,3]。因此，蠕墨鑄鐵在高性能柴油機上得到廣泛應用。

由于蠕墨鑄鐵的研究時間較短，加之蠕化處理工藝要求嚴格，給工業(yè)穩(wěn)定生產(chǎn)帶來了一定的困難，限制了其進一步的應用[4]。目前，較為成熟的蠕化工藝為喂絲蠕化法，該方法能夠有效避免蠕化劑的燒損和大量溢出，同時提高蠕化劑在鐵水中的收得率、防止鎂蒸氣的瞬間大量爆發(fā)，又可減少鎂光、煙塵的污染；并且該方法還可以精確地控制蠕化劑的加入量，減少溫度損失，精確控制殘余鎂量，從而穩(wěn)定獲得最佳的蠕化效果[5,6]。

近年來，為滿足發(fā)動機新產(chǎn)品的開發(fā)要求，我公司相繼開展了喂絲蠕墨鑄鐵的生產(chǎn)工藝研究，目前已具備批量穩(wěn)定生產(chǎn)蠕墨鑄鐵柴油機氣缸體和缸蓋的能力。本文介紹了公司蠕墨鑄鐵穩(wěn)定生產(chǎn)的方法，并對喂絲蠕化工藝蠕鐵鑄件穩(wěn)定生產(chǎn)的控制因素進行了分析。

1　蠕鐵生產(chǎn)工藝

1.1生產(chǎn)設(shè)備

我廠蠕鐵生產(chǎn)采用的熔煉設(shè)備為德國ABP 20 t中頻感應電爐，蠕化設(shè)備采用OCC蠕化處理站，并配有OCC熱分析儀，能夠?qū)崿F(xiàn)對鐵水蠕化程度的檢測；采用直讀光譜和C-S儀檢測鐵水的化學成分。采用金相顯微鏡進行組織和蠕化狀態(tài)的觀測，拉伸試驗機測定試樣的抗拉強度。

1.2原材料及鐵水化學成分控制

原鐵水化學成分是蠕墨鑄鐵穩(wěn)定生產(chǎn)的基礎(chǔ)，應具備低硫、低磷和低鈦的特點，原鐵水中硫含量對鑄件的蠕化率及蠕化劑的消耗有決定的影響，表1為我廠蠕墨鑄鐵原鐵水的化學成分要求。為了保證原鐵水質(zhì)量，采用的原材料包括：生鐵（Q10）、低碳廢鋼、回爐料、硅鐵和錳鐵。將生鐵、廢鋼、回爐料和硅鐵按照一定的比例置于感應電爐中熔化，熔化結(jié)束后取樣，利用CS儀和直讀光譜儀對原鐵水的化學成分進行檢測，若化學成分達不到生產(chǎn)所需的要求，需調(diào)整原鐵水化學成分，直到達到要求為止。

表1　蠕墨鑄鐵原鐵水化學成分要求（質(zhì)量分數(shù)，%）

1.3合金化處理

為了保證蠕墨鑄鐵基體組織中珠光體的含量，改善基體組織、提高基體性能，需要對原鐵水進行合金化處理，銅和錫是蠕墨鑄鐵生產(chǎn)中常用的兩種合金化元素，一方面可以穩(wěn)定并細化珠光體，另一方面不會增加鐵水的白口傾向和縮松傾向，從而實現(xiàn)達到提高強度、增加硬度的目的。

1.4蠕化處理及孕育處理

蠕化處理是蠕墨鑄鐵生產(chǎn)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，采用喂絲蠕化工藝，生產(chǎn)中采用兩種蠕化處理芯線，一種為Mg質(zhì)量分數(shù)為5%的Mg-Re基蠕化線，一種Re質(zhì)量分數(shù)為10%的Re-Si-Fe基孕育線，其芯線直徑均為10mm.根據(jù)C-S儀檢測出的原鐵水S質(zhì)量分數(shù)，確定蠕化線和孕育線的的加入長度，表2為S質(zhì)量分數(shù)與蠕化線和孕育線的加入長度的關(guān)系。

表2　蠕鐵原鐵水中S的質(zhì)量分數(shù)與蠕化線和孕育線的加入量關(guān)系

蠕化線和孕育線的加入量確定后，為了得到理想的蠕化效果，還應嚴格控制生產(chǎn)工藝，表3為蠕鐵生產(chǎn)的參數(shù)。鐵水的出爐溫度也影響著蠕化效果，出鐵溫度過高會加大蠕化劑的燒損，如果出鐵溫度過低，從蠕化處理到澆注的時間必須縮短，很難保證蠕化效果。此外，澆注時間過長則會導致蠕化衰退[7]。

表3　蠕鐵生產(chǎn)參數(shù)

1）爐前金相檢測

2）熱分析檢測

利用OCC熱分析系統(tǒng)對蠕化處理后的鐵水進行分析檢測，此方法可直觀地觀測蠕化效果。

3）超聲波檢測

利用超聲波檢測儀對鑄件機體蠕化率進行檢測，可以得到不同位置的蠕化率，此種方法方便、快捷，并且能夠?qū)崿F(xiàn)每臺機體的檢測。

2　蠕鐵氣缸體生產(chǎn)試驗

開展了博杜安系列發(fā)動機蠕鐵氣缸體生產(chǎn)的研究與試驗，以博杜安某機型氣缸體為例進行生產(chǎn)試驗。根據(jù)博杜安氣缸體的工藝要求制芯、造型，之后進行組芯、研箱，其中組芯工藝為整體下芯工藝，圖1為博杜安某機型氣缸體鑄造下箱組芯的結(jié)構(gòu)。研箱結(jié)束后，根據(jù)喂絲蠕化工藝要求進行澆注生產(chǎn)，表4為蠕鐵氣缸體生產(chǎn)鐵水的化學成分。

為更好地檢測蠕鐵性能，生產(chǎn)中設(shè)置附鑄試棒、單鑄試棒。取機體解剖后瓦口處材料進行機械性能和金相組織檢測，圖2為氣缸體本體的取樣位置，同時檢測附鑄試棒和單鑄試棒。表5為本體瓦

1.5蠕化率的檢測

為了監(jiān)控生產(chǎn)過程，保證蠕鐵產(chǎn)品的蠕化效果，在生產(chǎn)時同時采用爐前金相檢測和熱分析檢測對蠕化率進行檢測分析,鑄件生產(chǎn)結(jié)束后采用超聲波檢測，確保蠕化率達到要求以及生產(chǎn)工藝的準確可靠?？谔幖霸嚢舻臋C械性能與金相組織。圖3為單鑄試棒的金相組織，圖4為附注試棒的金相組織，圖5為機體瓦口處的金相組織。

圖1　博杜安某機型氣缸體下箱組芯結(jié)構(gòu)

表4　博杜安蠕鐵氣缸體生產(chǎn)鐵水的化學成分（質(zhì)量分數(shù)，%）

圖2　本體取樣位置

表5　本體及試棒的機械性能與金相組織

圖3　單鑄試棒金相組織

圖4　附鑄試棒金相組織

從圖3a）、圖4a）、圖5a）可以看出單鑄試棒、附鑄試棒、機體本體中石墨均主要以蠕蟲狀存在，同時存在少量的球狀石墨，蠕化率均在80%以上；從圖3b）、圖4b）、圖5b）中可以看出單鑄試棒、附鑄試棒、機體本體組織主要以珠光體為主，其中單鑄試棒珠光體的含量在85%以上，附鑄試棒和機體本體的珠光體含量在80%以上。從表5中可以看出單鑄試棒的抗拉強度為475 MPa，硬度為229 HB，附鑄試棒的抗拉強度為493 MPa，硬度為219 HB，機體本體的抗拉強度為473 MPa；硬度為207 HB，斷后伸長率為2%，均達到性能要求。

圖5　氣缸體瓦口處金相組織

3　穩(wěn)定生產(chǎn)的控制因素

1）嚴格控制原鐵水的化學成分，尤其是S的質(zhì)量分數(shù)，使其穩(wěn)定地處于某一較低的數(shù)值（0.01%～0.03%）；2）精確地控制蠕化劑、孕育劑的加入量及加入速度，綜合考慮原鐵水的熔煉方式、原鐵水成分、出爐溫度及蠕化劑的成分等因素；3）嚴格控制原鐵水的碳當量，使液相線的溫度達到共晶成分對應的溫度；4）通過熱分析儀、金相檢測、超聲檢測等多種手段對蠕化率進行檢測，對生產(chǎn)過程進行控制。

4　結(jié)論

利用喂絲蠕化工藝進行了博杜安氣缸體的生產(chǎn)，檢測結(jié)果表明附鑄試棒、單鑄試棒、機體本體蠕化率在均在80%以上，組織以珠光體為主，抗拉強度達到473 MPa，硬度在207 HB，斷面伸長率為2%；實現(xiàn)了工業(yè)上柴油機氣缸體的穩(wěn)定生產(chǎn)。

［1］李明,劉慶義,張行河,等.發(fā)動機鑄鐵件新材料工藝探討［J］.鑄造設(shè)備與工藝,2009（3）:43-45.

［2］張伯明.蠕墨鑄鐵最新發(fā)展［J］.現(xiàn)代鑄鐵,2006（1）: 14-18.

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［4］李培.蠕墨鑄鐵生產(chǎn)工藝控制及應用［J］.鑄造,2002,51（2）：119-120.

［5］王有清,胡飛,施華武,等.蠕墨鑄鐵在氣缸體鑄件上的應用和發(fā)展［J］.現(xiàn)代鑄鐵,2010（6）:23-25.

［6］劉春雷.蠕墨鑄鐵柴油機氣缸體的生產(chǎn)工藝［J］.鑄造, 2012（9）:59-60.

［7］徐明.蠕墨鑄鐵的生產(chǎn)與質(zhì)量控制［J］.鑄造設(shè)備與工藝, 2009（3）:50-52.

Stable Production Process of Compacted G raphite Iron Diesel Engine Cylinder Block With Feeding Cored-wire Technology

ZHANG M in-zhi，LU Bin-bin，LU Dong，YANG Shu-xin，SH IXiao，XU Jing-feng
（WeichaiHeavy Machinery CO.LTD.，Weifang Shandong 261001，China）

As a newkind of castingmaterial，compacted graphite iron（CGI）has the comprehensive performance of gray cast iron and nodular cast iron.It has been applied in the engine key parts（cylinder block，cylinder head）.Feeding cored-wire technology of CGIproduction have been introduced in this paper.It can realize stable production of CGIwith control of the original composition of themolten iron and pouring process and other process parameters.The vermicular graphite rate of casting alloys is higher than 80%，and the strength ismore than 450MPa.

compacted graphite iron，feeding cored-wire，vermicular graphite rate，stable production.

TG24文獻標識嗎：A

1674-6694（2015）04-0008-03

10.16666/j.cnki.issn1004-6178.2015.04.004

2015-06-07

張敏之（1980－），男，碩士，工程師，主要從事鑄造生產(chǎn)、金屬熔煉工藝方面的工作。