蠕墨鑄鐵蠕化衰退特性研究

魯棟，許景峰，姜愛龍，張敏之，房奪

（1濰柴重機股份有限公司，山東濰坊261001；2濰柴動力股份有限公司，山東濰坊261041）

·應(yīng)用研究·

蠕墨鑄鐵蠕化衰退特性研究

魯棟1，許景峰1，姜愛龍2，張敏之1，房奪2

（1濰柴重機股份有限公司，山東濰坊261001；2濰柴動力股份有限公司，山東濰坊261041）

蠕墨鑄鐵作為一種新型的鑄造材料在發(fā)動機的關(guān)鍵零部件上已經(jīng)得到廣泛應(yīng)用。蠕墨鑄鐵生產(chǎn)過程中，從蠕化處理結(jié)束到鑄件澆注完畢鐵水的蠕化狀態(tài)存在一定的衰退現(xiàn)象。本文主要進行了原鐵水不同硫含量下蠕化衰退試驗，分析試樣化學(xué)成分、微觀組織以及機械性能隨著澆注等待時間的變化，探究原鐵水不同硫含量的蠕化衰退特性。

蠕墨鑄鐵；蠕化衰退；硫含量；化學(xué)成分；機械性能

蠕墨鑄鐵作為一種新型的鑄造材料，在發(fā)動機的關(guān)鍵零部件如氣缸體、氣缸蓋上已得到應(yīng)用[1-3]。這是由于隨著柴油機國家排放標(biāo)準(zhǔn)及節(jié)能要求的提高，其爆發(fā)力及燃燒峰壓對發(fā)動機的關(guān)鍵零部件的材質(zhì)及性能提出了更高的要求。蠕墨鑄鐵基體石墨形態(tài)介于片狀和球狀之間，具有接近于球墨鑄鐵的力學(xué)性能，同時又具有與灰鑄鐵相似的良好抗振性、導(dǎo)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[2，4]。因此蠕墨鑄鐵在高性能柴油機上的應(yīng)用將愈加廣泛[5]。

近年來，為滿足發(fā)動機新產(chǎn)品的開發(fā)要求，公司相繼開展了喂絲蠕化蠕墨鑄鐵的生產(chǎn)工藝開發(fā)及應(yīng)用，目前已具備批量穩(wěn)定生產(chǎn)蠕墨鑄鐵柴油機氣缸體和氣缸蓋的能力。但是蠕鐵批量生產(chǎn)時一包鐵水需澆注多箱鑄件，存在先澆注與后澆注鑄件蠕化率及性能波動的問題。同時對于大噸位蠕鐵鑄件從蠕化處理到澆注結(jié)束時間較長，存在蠕化衰退的風(fēng)險。為了進一步優(yōu)化蠕鐵生產(chǎn)工藝，根據(jù)公司實際生產(chǎn)情況，探究不同硫含量蠕墨鑄鐵的蠕化衰退規(guī)律，為蠕墨鑄鐵產(chǎn)品穩(wěn)定生產(chǎn)的工藝制定及過程控制提供一定的數(shù)據(jù)支持。

1 試驗方法

1.1 試驗設(shè)備

試驗采用的熔煉設(shè)備為德國A B P 8 t中頻感應(yīng)電爐；蠕化工藝采用喂線蠕化工藝，蠕化設(shè)備為O CC蠕化處理站，并配有O CC熱分析儀，能夠?qū)μ幚砗箬F水的蠕化程度進行檢測分析；采用直讀光譜和C-S儀對原鐵水和蠕化處理后的鐵水進行成分檢測；采用金相顯微鏡對試塊微觀組織和蠕化狀態(tài)觀測，拉伸試驗機及硬度及測定試塊的抗拉強度和硬度。

1.2 試驗方案

為研究分析不同含硫量下蠕化衰退速度及時間，并考慮試驗的有效性和經(jīng)濟性，結(jié)合我廠的生產(chǎn)實際，試驗原鐵水S的質(zhì)量分?jǐn)?shù)范圍控制在0.01%～0.02%，蠕化處理結(jié)束至澆注的等待時間控制在15 m in以內(nèi)。表1為蠕化衰退特性試驗方案。分別試驗原鐵水S的質(zhì)量分?jǐn)?shù)在0.01%～0.02%區(qū)間內(nèi)，低S（0.01%～0.013%）、中S（0.014%～0.016%）及高S（0.017%～0.02%）的蠕化衰退規(guī)律。

表1 蠕化衰退特性試驗方案

1.3 試驗過程

采用電爐進行原鐵水的熔化，嚴(yán)格控制其成分特別是S含量，表2為試驗原鐵水成分要求。成分合格后進行出鐵，為保證蠕鐵中珠光體含量，提高性能，對原鐵水進行合金化處理。本試驗采用的合金化元素為銅和錫。喂線蠕化處理采用兩種蠕化處理芯線，一種為M g含量為5w t%的M g-R e基蠕化線，一種R e含量為10w t%的R e-Si-Fe基孕育線，其芯線直徑均勻13 mm。根據(jù)C-S儀檢測出的原鐵水S含量，確定蠕化線和孕育線的的加入量。表2為原鐵水S含量與蠕化線和孕育線的加入量關(guān)系。蠕化處理結(jié)束后按照表1方案要求分別在處理結(jié)束后3 m in、6 m in、9 m in、12 m in、15 m in各澆注單鑄楔形試塊一塊，在澆注試塊的同時分別對鐵水進行熱分析檢測和直讀光譜檢測，待冷卻12 h后取試塊，分別檢測其性能與金相組織。

表2 原鐵水化學(xué)成分要求

表3 蠕鐵原鐵水中S含量與蠕化線和孕育線的加入量關(guān)系

2 試驗結(jié)果與討論

2.1 等待時間對金相組織的影響

圖1、圖2、圖3分別為原鐵水S質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.012%、0.015%、0.020%時，等待時間分別為3 m in、6 m in、9 m in、12 m in、15 m in時各試塊的金相組織。從圖中可以看出在不同硫含量下試塊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，蠕化率并未隨著等待時間的變化發(fā)生明顯的變化。表4為蠕化處理結(jié)束至澆注等待時間與試塊組織的關(guān)系。

2.2 等待時間對機械性能的影響

表5為蠕化處理結(jié)束至澆注等待時間與試塊機械性能的關(guān)系。從表中可以看出隨著等待時間的變化試塊的抗拉強度、硬度及延伸率未出現(xiàn)明顯的規(guī)律性變化，即在15 m in內(nèi)等待時間對蠕鐵的機械性能未產(chǎn)生明顯的影響。

圖1 硫質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.012%時不同等待時間試塊金相組織

圖2 硫質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.015%時不同等待時間試塊金相組織

圖3 硫質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.020%時不同等待時間試塊金相組織

表4 蠕化處理結(jié)束至澆注等待時間與試塊組織的關(guān)系

表5 蠕化處理結(jié)束至澆注等待時間與試塊機械性能的關(guān)系

2.3 等待時間對化學(xué)成分的影響

包芯線中鎂和稀土是主要的蠕化元素，蠕化處理結(jié)束后鐵水中殘余鎂含量和殘余稀土量決定了石墨的蠕化狀態(tài)[6，7]。加入到鐵水中的蠕化元素，一部分對原鐵水進行脫氧、脫硫，另一部分促進石墨的蠕化。鎂是兩者中對石墨變質(zhì)作用較強的元素，并且鎂在與鐵水的反應(yīng)過程中能夠起到自沸騰的作用；稀土元素沸點較高，抗衰退能力強。我們采用蠕化劑是以鎂為主、以稀土為輔的蠕化劑，利用鎂的沸騰作用對鐵水均勻化，稀土延緩蠕化衰退[8-9]。

表6至表8分別為原鐵水S質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.012%、0.015%、0.02%時不同等待時間試塊中的殘余鎂量與殘余稀土量?？梢钥闯鲭S著等待時間的延長，鐵水中的殘余鎂量存在一定的衰退，在10 m in內(nèi)鎂的衰退量在0.001%左右，對試塊的蠕化率不會產(chǎn)生明顯的影響。在不同S含量下鎂的衰退速率基本一致，原鐵水硫S含量對蠕化衰退未產(chǎn)生明顯的影響。

表6 S質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.012%不同等待時間試塊中的殘余鎂量及殘余稀土量

表7 S質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.015%不同等待時間試塊中的殘余鎂量及殘余稀土量

表8 S質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.02%不同等待時間試塊中的殘余鎂量及殘余稀土量

3 結(jié)論

通過蠕化衰退試驗可以看出，從蠕化處理結(jié)束到澆注等待時間15 m in之內(nèi)S質(zhì)量分?jǐn)?shù)在0.01%～0.02%時蠕鐵未出現(xiàn)明顯的衰退現(xiàn)象，試塊的蠕化率及機械性能未出現(xiàn)明顯的變化；試塊中的殘余鎂量在10 m in時衰退量僅為0.001%，衰退量較小，未引起蠕化率的變化。試驗結(jié)果表明，在原鐵水S質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.01%～0.02%，實際生產(chǎn)過程中從蠕化處理結(jié)束到澆注等待結(jié)束時間控制在15 m in內(nèi)能夠保證蠕化特性的穩(wěn)定性。

［1］邱漢良.蠕墨鑄鐵及其生產(chǎn)技術(shù)［M］.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2010.

［2］張敏之，魯棟，盧彬彬，等.蠕墨鑄鐵柴油機氣缸體喂絲蠕化穩(wěn)定生產(chǎn)工藝［J］.鑄造設(shè)備與工藝，2015（4）:8-10.

［3］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.

［4］史蒂文.道森.蠕鐵生產(chǎn)的過程控制［J］.現(xiàn)代鑄鐵，2012（1）:53-57.

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

［6］鞏紅濤.蠕墨鑄鐵喂絲工藝研究［D］.哈爾濱：哈爾濱理工大學(xué)，2011:3-5.

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

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

［9］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.

Research of Vermicularizing Fading Characteristic of Compacted Graphite Iron

LU Dong1，XU Jing-feng1，JIANG Ai-long2，ZHANG Min-zhi1，F(xiàn)ANG Duo2
（1.Weichai Heavy Machinery CO.，LTD.，Weifang Shandong 261001，China；2.Weichai Power CO.，LTD.，Weifang Shandong 261041，China）

Compacted graphite iron（CGI）as a new type of cast material has been widely used on the key components of engine. Vermicularizing fading of compacted graphite iron existed from the vermicularizing treatment to the end of the filling in the production process.This article mainly carries out the test of vermicularizing fading under different sulfur content，and analyzes the change of sample chemical composition，microstructure and mechanical properties with pouring waiting time，explores the fading characteristic with of different sulfur content.

compacted graphite iron，vermicularizing fading，sulfur content，chemical composition，mechanical property

TG253

A

1674-6694（2016）06-0038-03

10.16666/j.cnki.issn1004-6178.2016.06.012

2016-09-10

魯棟（1987－），男，碩士，助理工程師，主要從事鑄造生產(chǎn)金屬熔煉工藝的開發(fā)工作。