大型蠕墨鑄鐵氣缸體材料工藝開發(fā)及應(yīng)用

姜愛龍，房 奪，許景峰，魯 棟

（1.濰柴動力股份有限公司，山東濰坊 261061；2.濰柴重機股份有限公司，山東濰坊 261108）

大型蠕墨鑄鐵氣缸體材料工藝開發(fā)及應(yīng)用

姜愛龍1，房 奪1，許景峰2，魯 棟2

（1.濰柴動力股份有限公司，山東濰坊 261061；2.濰柴重機股份有限公司，山東濰坊 261108）

從蠕化處理設(shè)備、材料、工藝控制三個方面進行研究和試驗驗證，開發(fā)出適合批量生產(chǎn)大型蠕墨鑄鐵氣缸體的蠕化處理工藝，結(jié)合生產(chǎn)實際及檢測結(jié)果論證了工藝實施的可行性和有效性，并批量生產(chǎn)出蠕化率80%以上的大型蠕墨鑄鐵氣缸體。

蠕化處理工藝；蠕墨鑄鐵；氣缸體

0 前言

隨著人們對發(fā)動機的大馬力、大轉(zhuǎn)矩、低排放、低油耗的需求急劇增長，設(shè)計者不斷提高發(fā)動機的點火峰壓和升功率。發(fā)動機的熱負荷和機械負荷便大幅度增加，缸體、缸蓋等關(guān)鍵零部件的可靠性問題變得尤為重要。蠕墨鑄鐵具有球墨鑄鐵的強度，與灰鑄鐵相比又有類似的防振、導(dǎo)熱能力和鑄造性能，而又比灰鑄鐵有更好的塑性和耐疲勞性能，使其成為發(fā)動機關(guān)鍵零部件材質(zhì)的最佳選擇[1]。

我公司設(shè)計開發(fā)的180 mm缸徑12V柴油機氣缸體見圖1。設(shè)計爆壓達到25 MPa，為滿足此發(fā)動機關(guān)鍵零部件對熱負荷和機械負荷的要求，發(fā)動機缸體、缸蓋的材質(zhì)均設(shè)計為蠕墨鑄鐵。其中，氣缸體毛坯質(zhì)量2 700 kg，澆注單臺氣缸體需蠕化處理的鐵液量達3.5 t，且氣缸體毛坯不同部位壁厚差異性大，瓦口部位壁厚為84 mm，最薄位置壁厚僅為8 mm。一方面，這些制造工藝要求使其蠕化處理工藝與中小型發(fā)動機缸體、缸蓋材料的蠕化處理工藝具有明顯的不同；另一方面，由于發(fā)動機關(guān)鍵件對材質(zhì)的苛刻要求，也無法借用生產(chǎn)蠕墨鑄鐵機座等低蠕化率鑄件時的蠕化處理工藝進行生產(chǎn)。因此，為滿足此高性能發(fā)動機對氣缸體材質(zhì)的要求，需要從蠕化處理設(shè)備、材料、工藝控制三個方面進行研究和試驗驗證，開發(fā)出適合批量生產(chǎn)大型蠕墨鑄鐵氣缸體的蠕化處理工藝。

圖1 180柴油機12V 氣缸體

1 蠕化控制設(shè)備及工具

1.1 喂線處理站

目前喂線處理站根據(jù)處理包進出方式主要有三種。①吊車直接吊運處理包進出式處理站；②平板車運輸處理包進出式處理站；③叉車叉運處理包進出式處理站。

我廠原生產(chǎn)中小型蠕墨鑄鐵發(fā)動機缸體缸蓋時，一般每包蠕化處理鐵液量在1～2 t之間，喂線處理站為叉車叉運處理包進出的方式。隨著大型蠕墨鑄鐵氣缸體的開發(fā)需要，蠕化處理鐵液量增加到3.5 t，超出了原叉車運輸?shù)某休d量，使得我們不得不將喂線處理站更改為通過平板車運輸處理包進出的方式。更改后的喂線處理站配合不同高度的澆包托盤，可以實現(xiàn)多種不同高度處理包的通用。在適合大型蠕墨鑄鐵件材料蠕化處理的同時，也能滿足現(xiàn)有中小件產(chǎn)品鐵液處理要求。

1.2 OCC蠕鐵熱分析儀

我公司在生產(chǎn)蠕墨鑄鐵材質(zhì)時采用德國OCC蠕鐵熱分析系統(tǒng)對鐵液蠕化及孕育狀態(tài)進行實時檢測，實際生產(chǎn)中針對不同產(chǎn)品結(jié)構(gòu)及冷卻條件，需要對最優(yōu)的蠕化及孕育指數(shù)進行試驗調(diào)整。

12V柴油機氣缸體瓦口部位厚度達83 mm，且從喂線處理完到澆注結(jié)束大約需要9 min左右。為保障瓦口部位蠕化率在80%以上，我們將中小件蠕化指數(shù)控制范圍由原來的9～16 調(diào)整為14～18 之間，孕育指數(shù)控制在0～6之間。

1.3 蠕化處理澆包

根據(jù)澆注鐵液質(zhì)量及蠕化處理工藝要求設(shè)計專用澆包，澆包尺寸見圖2所示。

圖2 3.5 t專用澆包

2 蠕化處理材料

蠕化處理包芯線是喂線工藝用來處理鐵液的材料，其成分配比及產(chǎn)品品質(zhì)直接影響蠕化處理效果。因此，要想獲得良好的蠕化處理品質(zhì)，必須嚴(yán)格控制包芯線的成分配比及產(chǎn)品品質(zhì)。

嚴(yán)格控制包芯線粉劑成分配比及粉劑含量，包芯線參數(shù)及化學(xué)成分見表1。包芯線芯粉試樣按GB/T 4010進行制取，芯粉化學(xué)成分分析按GB/ T 16477.1～16477.5進行,單位長度的芯線、芯粉質(zhì)量，采用滿足測量精度要求的天平稱量。

表1 包芯線的物理特性及化學(xué)成分

3 蠕化工藝開發(fā)

3.1 設(shè)定合理喂線速度

喂線速度是決定喂線處理過程能否取得預(yù)想結(jié)果的關(guān)鍵因素，最佳的喂線速度是使包芯線的鋼帶在處理包的底部附近熔化失效，釋放出蠕化劑及孕育劑進行反應(yīng)，這樣有利于蠕化劑的穩(wěn)定吸收，是獲得穩(wěn)定蠕化率的前提條件[2]。喂線速度的確定需要綜合評估處理站及澆包結(jié)構(gòu)、處理鐵液深度、處理溫度、包芯線成分、包芯線鋼皮種類、厚度、成型品質(zhì)等因素。目前，要綜合考慮所有因素建立通用的數(shù)學(xué)模型明顯是不可能的。但在生產(chǎn)實踐過程中，由于眾多因素都被設(shè)定為常量，因此只要通過前期試驗，針對特定的生產(chǎn)條件及產(chǎn)品設(shè)定特定的喂線速度是現(xiàn)實可行的。

我廠在生產(chǎn)180 mm缸徑V12大型柴油機氣缸體時使用科德威喂線處理站、特定規(guī)格包芯線、專用澆包（見圖2）、處理溫度控制在1 450 ℃～1 460℃。根據(jù)已有經(jīng)驗將喂線速度設(shè)定在40～60 m/min進行幾組對比試驗，通過表面觀測包芯線鋼皮熔化情況、光譜對比澆包表面鐵液與包底鐵液的成分差異、取樣熱分析對比澆包不同部位鐵液蠕化狀態(tài)三種手段，將喂線速度最終確定為蠕化線52 m/min，孕育線45 m/min。

3.2 設(shè)定合理喂線量

喂線量直接影響加入鐵液中的蠕化劑及孕育劑的總量，決定著最終材質(zhì)蠕化率的高低。喂線量的確定需綜合考慮原鐵液品質(zhì)（成分、可孕育性、純凈度等）、處理鐵液質(zhì)量、包芯線成分、吸收率四個直接因素，而爐料品質(zhì)、鐵液深度、包芯線有效鎂及稀土含量、處理溫度等變量，均是影響直接因素變化的變量。

我廠在生產(chǎn)蠕墨鑄鐵材質(zhì)時嚴(yán)格管控工藝過程的一致性。在原鐵液品質(zhì)控制方面：①生鐵選用特定廠家的高純生鐵，硫含量＜0.015%；廢鋼選用材料牌號為DC02到DC06的汽車沖壓件的下腳料打包塊，硫含量＜0.02%；回爐料選用我廠蠕鐵廢鑄件及澆冒口，硫含量＜0.015%；增碳劑選用經(jīng)高溫石墨化處理的，硫含量＜0.04%；②使用光譜儀、碳硫儀檢測原鐵液化學(xué)成分，化學(xué)成分控制范圍見表2；③使用德國OCC公司熱分析系統(tǒng)檢測原鐵液液相線溫度，液相線溫度在1 142 ℃～1 148 ℃范圍內(nèi)，見圖3；④每爐鐵液從熔化結(jié)束到全部出完的總時間控制在90 min以內(nèi)，期間動態(tài)根據(jù)熱分析情況在出鐵包中補加高溫石墨化增碳劑，確保喂線處理前鐵液品質(zhì)；⑤使用專用澆包，出鐵溫度控制在1 500℃～1 510 ℃，出鐵質(zhì)量控制在3 500±5 kg，喂線處理前應(yīng)對鐵液進行扒渣；⑥采用Cu、Sn合金化工藝，Cu塊加入包底，Sn粒出鐵隨流加入[3]。

圖3 原鐵液熱分析

表2 原鐵液化學(xué)成分控制范圍

通過以上六個方面的控制，已基本保證了原鐵液品質(zhì)的一致性，在進行大型蠕墨鑄鐵氣缸體材料工藝開發(fā)時，我廠進行了不同喂線量工藝試驗，試制出蠕化率70%～95%的蠕墨鑄鐵楔形試塊，反推出此種工藝下，Mg的吸收率為65%～70%，稀土的收得率為85%～90%。為獲得機體瓦口部位80%以上的蠕化率，根據(jù)生產(chǎn)實際設(shè)定生產(chǎn)180 mm缸徑12V 柴油機氣缸體時的喂線量為蠕化線33～38 m，孕育線12～18 m。

3.3 設(shè)定喂線順序

目前我廠將鎂元素與稀土元素集成到一起制備成稀土鎂硅鐵蠕化線，孕育線使用低硅鋇鐵合金。在處理過程中一方面要充分利用鎂的沸騰攪拌作用使孕育均勻，另一方面要盡量進行后孕育，確保孕育的有效性。經(jīng)過試驗驗證，將喂線控制程序設(shè)定為先喂蠕化線，而后在某個時刻開始喂孕育線，保證在蠕化線結(jié)束時孕育線同時完成80%，其余20%在蠕化線結(jié)束后喂入鐵液。這種喂線順序的設(shè)定在我廠生產(chǎn)實踐中取得了良好的應(yīng)用效果。

4 結(jié)果分析

4.1 喂線處理后鐵液熱分析

每包鐵液澆注一個鑄件，鐵液處理后使用OCC蠕鐵熱分析系統(tǒng)進行蠕化指數(shù)檢測，由于此12V柴油機氣缸體瓦口部位厚度達83 mm，且從處理結(jié)束到澆注結(jié)束的時間控制在8 min以內(nèi)。為保障瓦口部位蠕化率在80%以上，我們將蠕化指數(shù)控制在14～18之間，孕育指數(shù)控制在0～6之間。圖4為生產(chǎn)過程中熱分析指數(shù)照片。

圖4 熱分析指數(shù)照片

4.2 12V氣缸體化學(xué)成分

瓦口部位的設(shè)計強度要求達到450 MPa以上，為滿足設(shè)計需要，根據(jù)鑄件的冷卻條件，從工藝設(shè)計階段即采用RuT500的工藝進行生產(chǎn)，要求珠光體含量達到95%以上。12V氣缸體化學(xué)成分工藝控制見表3。

表3 12V氣缸體化學(xué)成分工藝控制 %

4.3 附鑄試塊金相及理化性能

為了更好地表征鑄件本體理化性能及金相情況，我廠澆注重量大于1000kg的鑄件均采用型內(nèi)附鑄試塊代替單鑄試塊進行檢驗。12V氣缸體試制階段，我們針對機體取樣部位厚度，將型內(nèi)附鑄試塊厚度設(shè)定為70 mm[4]。表4為部分批次附鑄試樣理化性能，圖5為附鑄試樣的金相組織，實際生產(chǎn)結(jié)果達到材質(zhì)要求。

表4 附鑄試樣理化性能、金相結(jié)果

圖5 金相組織

4.4 本體超聲波檢測

使用德國卡爾超聲波測速儀對圖示氣缸體鑄件本體位置進行了超聲檢測，檢測位置見圖6，檢測結(jié)果見表5。從我廠前期生產(chǎn)的經(jīng)驗可知，本體檢測部位的蠕化率在85%～90%之間[5]。

圖6 本體超聲波檢測位置

表5 超聲波檢測結(jié)果

5 結(jié)論

（1）可靠的蠕化處理設(shè)備、穩(wěn)定的蠕化處理材料以及嚴(yán)格管控的原鐵液質(zhì)量和工藝過程是批量生產(chǎn)蠕墨鑄鐵材質(zhì)的關(guān)鍵。

（2）在建立喂線速度及喂線量計算的通用數(shù)學(xué)模型明顯比較困難的情況下，根據(jù)生產(chǎn)現(xiàn)場條件進行試驗，能夠較容易的獲得適宜的喂線參數(shù)。

（3）原鐵液硫含量在0.01%～0.015%之間時，使用稀土鎂硅鐵蠕化線和低硅鋇孕育線處理工藝，能夠獲得蠕化率80%以上的蠕鐵鑄件。

（4）應(yīng)用蠕鐵熱分析技術(shù)能夠快速、準(zhǔn)確的對處理后鐵液質(zhì)量進行評估。

（5）應(yīng)用此工藝生產(chǎn)的180 mm缸徑12V發(fā)動機氣缸體，附鑄試塊蠕化率80%以上，基體組織以珠光體為主，抗拉強度450～510 MPa之間，延伸率1.5%以上，硬度210～240 HB之間。

[1] 邱漢泉.蠕墨鑄鐵及其生產(chǎn)技術(shù)[M].北京:化學(xué)工業(yè)出版社,2010.9.

[2] 劉治軍，劉春雷.用喂線法批量生產(chǎn)蠕墨鑄鐵氣缸蓋[J].中國鑄造裝備與技術(shù)，2010（5）：43.

[3] 王成剛，劉文輝，馬順龍,等.蠕墨鑄鐵缸體缸蓋的鑄造技術(shù)開發(fā)[J].鑄造，2012（2）：61.

[4] GB-T26655-2011.蠕墨鑄鐵件標(biāo)準(zhǔn)[S].中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2011.9.

[5] 李明，厲彥斌，房奪.蠕墨鑄鐵蠕化率超聲波檢測的應(yīng)用研究[C].華東四省一市內(nèi)燃機學(xué)會第十四屆聯(lián)合學(xué)術(shù)年會論文摘要集，2011.

Melting process development and application of big CGI cylinder blocks

JIANG AiLong1, FANG Duo1, XU JingFeng2, Lu Dong2
（1.Weichai Power Co.,Ltd., Weifang 261061,Shandong,China; 2.Weichai Heavy Machine Co.,Ltd., Weifang 261108,Shandong ,China）

Through research and trail of equipment, material and process, mass production process of big CGI cylinder blocks was developed, experience and result testifi ed feasibility and validity of this process, big CGI cylinder blocks whose nodularity lower than 20% were produced in batches.

vermicularizing treating process; vermicular cast iron; cylinder blocks

TG255；

A；

1006-9658（2017）01-0054-04

10.3969/j.issn.1006-9658.2017.01.017

2016-07-24

稿件編號:1607-1442

姜愛龍（1982—），男，工程師，主要從事鑄鐵材料工藝開發(fā)及應(yīng)用研究工作.