大型蠕墨鑄鐵氣缸體材料工藝開(kāi)發(fā)及應(yīng)用

姜愛(ài)龍，房 奪，許景峰，魯 棟

（1.濰柴動(dòng)力股份有限公司，山東濰坊 261061；2.濰柴重機(jī)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(kāi)發(fā)及應(yīng)用

姜愛(ài)龍1，房 奪1，許景峰2，魯 棟2

（1.濰柴動(dòng)力股份有限公司，山東濰坊 261061；2.濰柴重機(jī)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(gè)方面進(jìn)行研究和試驗(yàn)驗(yàn)證，開(kāi)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(shí)際及檢測(cè)結(jié)果論證了工藝實(shí)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(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的大馬力、大轉(zhuǎn)矩、低排放、低油耗的需求急劇增長(zhǎng)，設(shè)計(jì)者不斷提高發(fā)動(dòng)機(jī)的點(diǎn)火峰壓和升功率。發(fā)動(dòng)機(jī)的熱負(fù)荷和機(jī)械負(fù)荷便大幅度增加，缸體、缸蓋等關(guān)鍵零部件的可靠性問(wèn)題變得尤為重要。蠕墨鑄鐵具有球墨鑄鐵的強(qiáng)度，與灰鑄鐵相比又有類(lèi)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(dòng)機(jī)關(guān)鍵零部件材質(zhì)的最佳選擇[1]。

我公司設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)的180 mm缸徑12V柴油機(jī)氣缸體見(jiàn)圖1。設(shè)計(jì)爆壓達(dá)到25 MPa，為滿(mǎn)足此發(fā)動(dòng)機(jī)關(guān)鍵零部件對(duì)熱負(fù)荷和機(jī)械負(fù)荷的要求，發(fā)動(dòng)機(jī)缸體、缸蓋的材質(zhì)均設(shè)計(jì)為蠕墨鑄鐵。其中，氣缸體毛坯質(zhì)量2 700 kg，澆注單臺(tái)氣缸體需蠕化處理的鐵液量達(dá)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(dòng)機(jī)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(dòng)機(jī)關(guān)鍵件對(duì)材質(zhì)的苛刻要求，也無(wú)法借用生產(chǎn)蠕墨鑄鐵機(jī)座等低蠕化率鑄件時(shí)的蠕化處理工藝進(jìn)行生產(chǎn)。因此，為滿(mǎn)足此高性能發(fā)動(dòng)機(jī)對(duì)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(gè)方面進(jìn)行研究和試驗(yàn)驗(yàn)證，開(kāi)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(jī)12V 氣缸體

1 蠕化控制設(shè)備及工具

1.1 喂線(xiàn)處理站

目前喂線(xiàn)處理站根據(jù)處理包進(jìn)出方式主要有三種。①吊車(chē)直接吊運(yùn)處理包進(jìn)出式處理站；②平板車(chē)運(yùn)輸處理包進(jìn)出式處理站；③叉車(chē)叉運(yùn)處理包進(jìn)出式處理站。

我廠(chǎng)原生產(chǎn)中小型蠕墨鑄鐵發(fā)動(dòng)機(jī)缸體缸蓋時(shí)，一般每包蠕化處理鐵液量在1～2 t之間，喂線(xiàn)處理站為叉車(chē)叉運(yùn)處理包進(jìn)出的方式。隨著大型蠕墨鑄鐵氣缸體的開(kāi)發(fā)需要，蠕化處理鐵液量增加到3.5 t，超出了原叉車(chē)運(yùn)輸?shù)某休d量，使得我們不得不將喂線(xiàn)處理站更改為通過(guò)平板車(chē)運(yùn)輸處理包進(jìn)出的方式。更改后的喂線(xiàn)處理站配合不同高度的澆包托盤(pán)，可以實(shí)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(shí)，也能滿(mǎn)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(shí)采用德國(guó)OCC蠕鐵熱分析系統(tǒng)對(duì)鐵液蠕化及孕育狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)，實(shí)際生產(chǎn)中針對(duì)不同產(chǎn)品結(jié)構(gòu)及冷卻條件，需要對(duì)最優(yōu)的蠕化及孕育指數(shù)進(jìn)行試驗(yàn)調(diào)整。

12V柴油機(jī)氣缸體瓦口部位厚度達(dá)83 mm，且從喂線(xiàn)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(lái)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(jì)專(zhuān)用澆包，澆包尺寸見(jiàn)圖2所示。

圖2 3.5 t專(zhuān)用澆包

2 蠕化處理材料

蠕化處理包芯線(xiàn)是喂線(xiàn)工藝用來(lái)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(xiàn)的成分配比及產(chǎn)品品質(zhì)。

嚴(yán)格控制包芯線(xiàn)粉劑成分配比及粉劑含量，包芯線(xiàn)參數(shù)及化學(xué)成分見(jiàn)表1。包芯線(xiàn)芯粉試樣按GB/T 4010進(jìn)行制取，芯粉化學(xué)成分分析按GB/ T 16477.1～16477.5進(jìn)行,單位長(zhǎng)度的芯線(xiàn)、芯粉質(zhì)量，采用滿(mǎn)足測(cè)量精度要求的天平稱(chēng)量。

表1 包芯線(xiàn)的物理特性及化學(xué)成分

3 蠕化工藝開(kāi)發(fā)

3.1 設(shè)定合理喂線(xiàn)速度

喂線(xiàn)速度是決定喂線(xiàn)處理過(guò)程能否取得預(yù)想結(jié)果的關(guān)鍵因素，最佳的喂線(xiàn)速度是使包芯線(xiàn)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(jìn)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(xiàn)速度的確定需要綜合評(píng)估處理站及澆包結(jié)構(gòu)、處理鐵液深度、處理溫度、包芯線(xiàn)成分、包芯線(xiàn)鋼皮種類(lèi)、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(shí)踐過(guò)程中，由于眾多因素都被設(shè)定為常量，因此只要通過(guò)前期試驗(yàn)，針對(duì)特定的生產(chǎn)條件及產(chǎn)品設(shè)定特定的喂線(xiàn)速度是現(xiàn)實(shí)可行的。

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

3.2 設(shè)定合理喂線(xiàn)量

喂線(xiàn)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(xiàn)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(xiàn)成分、吸收率四個(gè)直接因素，而爐料品質(zhì)、鐵液深度、包芯線(xiàn)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(chǎng)在生產(chǎn)蠕墨鑄鐵材質(zhì)時(shí)嚴(yán)格管控工藝過(guò)程的一致性。在原鐵液品質(zhì)控制方面：①生鐵選用特定廠(chǎng)家的高純生鐵，硫含量＜0.015%；廢鋼選用材料牌號(hào)為DC02到DC06的汽車(chē)沖壓件的下腳料打包塊，硫含量＜0.02%；回爐料選用我廠(chǎng)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(cè)原鐵液化學(xué)成分，化學(xué)成分控制范圍見(jiàn)表2；③使用德國(guó)OCC公司熱分析系統(tǒng)檢測(cè)原鐵液液相線(xiàn)溫度，液相線(xiàn)溫度在1 142 ℃～1 148 ℃范圍內(nèi)，見(jiàn)圖3；④每爐鐵液從熔化結(jié)束到全部出完的總時(shí)間控制在90 min以?xún)?nèi)，期間動(dòng)態(tài)根據(jù)熱分析情況在出鐵包中補(bǔ)加高溫石墨化增碳劑，確保喂線(xiàn)處理前鐵液品質(zhì)；⑤使用專(zhuān)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(xiàn)處理前應(yīng)對(duì)鐵液進(jìn)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(guò)以上六個(gè)方面的控制，已基本保證了原鐵液品質(zhì)的一致性，在進(jìn)行大型蠕墨鑄鐵氣缸體材料工藝開(kāi)發(fā)時(shí)，我廠(chǎng)進(jìn)行了不同喂線(xiàn)量工藝試驗(yàn)，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(jī)體瓦口部位80%以上的蠕化率，根據(jù)生產(chǎn)實(shí)際設(shè)定生產(chǎn)180 mm缸徑12V 柴油機(jī)氣缸體時(shí)的喂線(xiàn)量為蠕化線(xiàn)33～38 m，孕育線(xiàn)12～18 m。

3.3 設(shè)定喂線(xiàn)順序

目前我廠(chǎng)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(xiàn)，孕育線(xiàn)使用低硅鋇鐵合金。在處理過(guò)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(jìn)行后孕育，確保孕育的有效性。經(jīng)過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證，將喂線(xiàn)控制程序設(shè)定為先喂蠕化線(xiàn)，而后在某個(gè)時(shí)刻開(kāi)始喂孕育線(xiàn)，保證在蠕化線(xiàn)結(jié)束時(shí)孕育線(xiàn)同時(shí)完成80%，其余20%在蠕化線(xiàn)結(jié)束后喂入鐵液。這種喂線(xiàn)順序的設(shè)定在我廠(chǎng)生產(chǎn)實(shí)踐中取得了良好的應(yīng)用效果。

4 結(jié)果分析

4.1 喂線(xiàn)處理后鐵液熱分析

每包鐵液澆注一個(gè)鑄件，鐵液處理后使用OCC蠕鐵熱分析系統(tǒng)進(jìn)行蠕化指數(shù)檢測(cè)，由于此12V柴油機(jī)氣缸體瓦口部位厚度達(dá)83 mm，且從處理結(jié)束到澆注結(jié)束的時(shí)間控制在8 min以?xún)?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(guò)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(jì)強(qiáng)度要求達(dá)到450 MPa以上，為滿(mǎn)足設(shè)計(jì)需要，根據(jù)鑄件的冷卻條件，從工藝設(shè)計(jì)階段即采用RuT500的工藝進(jìn)行生產(chǎn)，要求珠光體含量達(dá)到95%以上。12V氣缸體化學(xué)成分工藝控制見(jiàn)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(chǎng)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(jìn)行檢驗(yàn)。12V氣缸體試制階段，我們針對(duì)機(jī)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(shí)際生產(chǎn)結(jié)果達(dá)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(cè)

使用德國(guó)卡爾超聲波測(cè)速儀對(duì)圖示氣缸體鑄件本體位置進(jìn)行了超聲檢測(cè)，檢測(cè)位置見(jiàn)圖6，檢測(cè)結(jié)果見(jiàn)表5。從我廠(chǎng)前期生產(chǎn)的經(jīng)驗(yàn)可知，本體檢測(cè)部位的蠕化率在85%～90%之間[5]。

圖6 本體超聲波檢測(cè)位置

表5 超聲波檢測(cè)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(guò)程是批量生產(chǎn)蠕墨鑄鐵材質(zhì)的關(guān)鍵。

（2）在建立喂線(xiàn)速度及喂線(xiàn)量計(jì)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(chǎng)條件進(jìn)行試驗(yàn)，能夠較容易的獲得適宜的喂線(xiàn)參數(shù)。

（3）原鐵液硫含量在0.01%～0.015%之間時(shí)，使用稀土鎂硅鐵蠕化線(xiàn)和低硅鋇孕育線(xiàn)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(duì)處理后鐵液質(zhì)量進(jìn)行評(píng)估。

（5）應(yīng)用此工藝生產(chǎn)的180 mm缸徑12V發(fā)動(dòng)機(jī)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(qiáng)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(xiàn)法批量生產(chǎn)蠕墨鑄鐵氣缸蓋[J].中國(guó)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(kāi)發(fā)[J].鑄造，2012（2）：61.

[4] GB-T26655-2011.蠕墨鑄鐵件標(biāo)準(zhǔn)[S].中國(guó)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(cè)的應(yīng)用研究[C].華東四省一市內(nèi)燃機(jī)學(xué)會(huì)第十四屆聯(lián)合學(xué)術(shù)年會(huì)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(hào):1607-1442

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