大噸位蠕墨鑄鐵件工藝探討

許景峰，魯 棟，楊淑欣，時(shí) 曉，陳 曦，張敏之

（濰柴重機(jī)股份有限公司濱海鑄造廠，山東濰坊 261001）

隨著蠕墨鑄鐵技術(shù)的發(fā)展，制約蠕墨鑄鐵穩(wěn)定生產(chǎn)的技術(shù)得已解決。目前筆者單位利用喂線法生產(chǎn)蠕墨鑄鐵，通過嚴(yán)格控制各生產(chǎn)環(huán)節(jié)，鑄造生產(chǎn)過程由粗放式改為精細(xì)化管理，并輔以先進(jìn)的熱分析儀技術(shù)及實(shí)用的超聲波技術(shù)，能夠穩(wěn)定生產(chǎn)20余種發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)體、缸蓋等毛坯[1，2]。隨著開發(fā)的新產(chǎn)品不斷增多，大噸位蠕墨鑄鐵技術(shù)亟待進(jìn)行開發(fā)，技術(shù)難點(diǎn)需要逐一攻破，保證產(chǎn)品順利產(chǎn)出。

1 技術(shù)難點(diǎn)解析

1.1 大噸位蠕墨鑄鐵件用蠕化處理設(shè)備設(shè)計(jì)與實(shí)施

我廠原生產(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水量在1 t～2 t之間，喂線處理站為叉車叉運(yùn)處理包進(jìn)出的方式。隨著大噸位蠕墨鑄鐵氣缸體的開發(fā)需要，鐵水蠕化處理量增加到5 t及以上，超出了原叉車運(yùn)輸?shù)某休d量，使得不得不將喂線處理站更改為通過平板車運(yùn)輸處理包進(jìn)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(shí)現(xiàn)多種不同高度處理包的通用。在適合大噸位蠕墨鑄鐵件材料蠕化處理的同時(shí)，也能滿足現(xiàn)有中小件產(chǎn)品鐵水處理要求。通過設(shè)備設(shè)計(jì)及改造實(shí)施，實(shí)現(xiàn)了大噸位蠕墨鑄鐵件蠕化處理工作，充分發(fā)揮了現(xiàn)有喂線裝備的處理能力。

1.2 大噸位蠕墨鑄鐵件用蠕化處理包芯線開發(fā)

蠕化處理包芯線是喂線工藝用來處理鐵液的材料，其內(nèi)部成分組成及含量直接影響蠕化處理效果及鑄件性能。我廠原有的蠕化處理材料（含鎂質(zhì)量分?jǐn)?shù)4%～5%）在處理2 t以下鐵水時(shí)具有明顯的優(yōu)勢，但面臨大噸位鑄件生產(chǎn)時(shí)表現(xiàn)出明顯的不適應(yīng)性，具體表現(xiàn)為蠕化處理時(shí)間長，降溫幅度大，殘余鎂量不好控制。在產(chǎn)品開發(fā)過程中，針對大型鑄件的蠕化處理理論及現(xiàn)場應(yīng)用實(shí)際對大型鑄件蠕化處理用包芯線的組分和含量進(jìn)行多次的探索與試驗(yàn)驗(yàn)證，開發(fā)出含Mg質(zhì)量分?jǐn)?shù)7%～10%的大型蠕墨鑄鐵件用專用蠕化處理包芯線，主要化學(xué)成分見表1.

1.3 大噸位蠕墨鑄鐵件用蠕化處理工藝開發(fā)及應(yīng)用

1.3.1 喂線速度開發(fā)

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，喂線速度的確定需要綜合評估處理站及澆包結(jié)構(gòu)、處理鐵水深度、處理溫度、包芯線成分、包芯線鋼皮種類、厚度、成型質(zhì)量等因素。針對我廠在生產(chǎn)大噸位蠕墨鑄鐵件時(shí)使用科德威喂線處理站、特定規(guī)格包芯線、專用澆包和處理溫度，優(yōu)化設(shè)計(jì)了相應(yīng)的正交對比試驗(yàn)方案，并通過表面觀測包芯線鋼皮熔化情況、光譜對比澆包表面鐵水與包底鐵水的成分差異、取樣熱分析對比澆包不同部位鐵水蠕化狀態(tài)三種手段，開發(fā)出適合我廠實(shí)際的大噸位蠕墨鑄鐵件用蠕化處理喂線速度。

表1 球化包芯線化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%）

1.3.2 喂線量開發(fā)

喂線量直接影響加入鐵液中的蠕化劑及孕育劑的總量，決定著最終產(chǎn)品蠕化率的高低。為開發(fā)適用于大型蠕墨鑄鐵件的喂線工藝，進(jìn)行了不同喂線量工藝試驗(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的收得率為50%～70%，稀土的收得率為75%～90%.為獲得機(jī)體瓦口部位80%以上的蠕化率，根據(jù)原鐵水成分設(shè)定生產(chǎn)大缸徑柴油機(jī)時(shí)的喂線量為蠕化線50 m～70 m，孕育線20 m～30 m.

1.3.3 合金化工藝開發(fā)

合金化工藝是保障鑄件性能的關(guān)鍵因素，影響著鑄件最終的強(qiáng)度、硬度水平。目前機(jī)體瓦口部位壁厚達(dá)到80 mm以上，冷卻條件較差。為滿足本體性能要求，針對大噸位蠕墨鑄鐵件開發(fā)了單獨(dú)的Cu、Sn合金化工藝，對合金化加入順序和加入量進(jìn)行了開發(fā)應(yīng)用。Cu和Sn為低熔點(diǎn)合金，按照前期試驗(yàn)情況，合金直接加入包底可以保證吸收率，為保證蠕鐵性能，確定Cu、Sn加入質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為0.3%～0.8%，0.03%～0.08%.

1.4 大噸位蠕墨鑄鐵件用工藝材料開發(fā)及應(yīng)用

在機(jī)體開發(fā)前期，因過濾片過濾能力限制，極易出現(xiàn)鑄件澆不足而產(chǎn)生報(bào)廢的問題。通過系統(tǒng)研究不同過濾片種類及型號在蠕鐵上的過濾能力，針對大型蠕墨鑄鐵流動(dòng)特點(diǎn)，開發(fā)了多片并行排布的過濾片布置方式，并選用直孔過濾網(wǎng)，解決了澆注重量超過現(xiàn)有最大過濾片過濾能力的問題。

1.5 蠕化衰退研究

大噸位蠕墨出鐵周轉(zhuǎn)時(shí)間長，蠕化完畢到澆注時(shí)間是中小型蠕墨鑄件的兩倍及兩倍以上。一般需要12 min～15 min才能澆注完成，所以需要進(jìn)行蠕化衰退試驗(yàn)，研究衰退速度。為研究蠕化完后不同時(shí)間蠕化衰退速度，試驗(yàn)原鐵水含硫質(zhì)量分?jǐn)?shù)控制在≤0.02%，蠕化處理結(jié)束至澆注的等待時(shí)間控制在15 min內(nèi)，從蠕化完畢3 min開始澆注第一塊試塊，每隔3 min取樣一次，一共取5次，圖1為澆注后試樣金相圖片。

圖1 蠕化不同時(shí)間后試塊金相圖片

通過蠕化衰退試驗(yàn)可以看出，從蠕化處理結(jié)束到澆注等待時(shí)間15 min蠕化率未出現(xiàn)明顯的衰退現(xiàn)象，蠕化率提高5%左右（從85%提高到90%）.蠕化3 min、6 min、9 min后蠕化率均沒有明顯變化，蠕化率一直為85%，蠕化12min后開始蠕化衰退，蠕化率90%，15 min后蠕化率為90%.表明在實(shí)際生產(chǎn)過程中從蠕化處理結(jié)束到澆注等待結(jié)束時(shí)間控制在15 min內(nèi)能夠保證蠕化率的穩(wěn)定。

2 蠕墨鑄鐵材料控制要求

為控制蠕鐵中的一些微量元素（Ti、Pb等）含量，保證加工性能，蠕墨鑄鐵生產(chǎn)中主要原材料最好專用。具體標(biāo)準(zhǔn)如下：

1）生鐵：最好選用低硫、低磷和低鈦且穩(wěn)定，高碳低硅的生鐵（如高純生鐵）；

2）工業(yè)廢鋼：建議采用形狀規(guī)整、薄厚均勻，種類較穩(wěn)定的碳素鋼（如Q235、Q255等）；

3）回爐料：需要經(jīng)過拋丸破碎的蠕鐵回爐料；

4）增碳劑：石墨化且低硫增碳劑。

3 試驗(yàn)結(jié)果與討論

3.1 試驗(yàn)設(shè)備

試驗(yàn)采用的熔煉設(shè)備為8 tABP中頻感應(yīng)電爐；蠕化工藝采用喂線蠕化工藝，蠕化設(shè)備為某國產(chǎn)蠕化處理站，選用OCC熱分析儀，能夠及時(shí)對處理后鐵水的蠕化程度進(jìn)行檢測分析；采用進(jìn)口直讀光譜儀和C-S分析儀對原鐵水和蠕化處理后的鐵水進(jìn)行成分檢測。采用金相顯微鏡觀察試塊微觀組織，采用超聲波檢測機(jī)體聲速，采用拉伸試驗(yàn)機(jī)及硬度及測定試塊的抗拉強(qiáng)度和硬度。

3.2 試驗(yàn)過程控制數(shù)據(jù)

根據(jù)前期技術(shù)分析對大噸位蠕墨鑄鐵進(jìn)行試驗(yàn)，驗(yàn)證原鐵水及鑄件終成分控制范圍見表1，蠕化過程喂線參數(shù)見表2.

表2 鑄件化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%）

喂線參數(shù)及熱分析數(shù)值見表3.

表3 喂線過程參數(shù)控制

3.3 附鑄試塊檢測性能結(jié)果

3.3.1 性能檢測結(jié)果

由于鑄件重量大，選用附鑄試塊進(jìn)行性能檢測，檢測結(jié)果符合圖紙要求。具體鑄件性能檢測見表4，抗拉強(qiáng)度要求≥450 MPa，實(shí)際檢測值480 MPa～510MPa，伸長率要求≥1%，實(shí)際檢測值1.5%～2.5%.不同位置蠕化率80%～85%，符合≥80%要求。

表4 鑄件輔助試塊性能檢測

為保證鑄件性能，檢測不同位置的金相，如圖2所示。厚大位置（主螺栓孔、凸輪軸孔）蠕化率80%，其他薄壁蠕化率85%，符合要求。

3.3.2 超聲波檢測

圖2 機(jī)體不同位置蠕化率

通過對不同蠕化率的蠕鐵試樣進(jìn)行測試，建立了蠕化率與聲速的關(guān)系。由于超聲波經(jīng)過蠕墨鑄鐵的聲速降低比灰鑄鐵少，蠕化程度越高，超聲波的聲速就越高，其關(guān)系曲線如圖3所示[3]。

圖3 蠕墨鑄鐵蠕化率與聲速率的關(guān)系

為進(jìn)一步檢測機(jī)體不同位置蠕化率（主螺栓孔、凸輪軸孔等），進(jìn)行超聲波檢測。檢測不同位置超聲波聲速范圍為5 200 m/s～5 400 m/s，可以判斷機(jī)體不同位置蠕化率為80%～90%.通過建立蠕墨鑄鐵蠕化率與聲速率的關(guān)系，使用超聲波設(shè)備可以快速判斷不同位置蠕化率符不符合標(biāo)準(zhǔn)，比檢測鑄件本體性能更快更方便，而且不破壞本體。

4 結(jié)論

通過對蠕化設(shè)備、包芯線成分含量、蠕化處理工藝、蠕化衰退等技術(shù)難點(diǎn)的研究，成功生產(chǎn)了大噸位糯墨鑄鐵。對原材料應(yīng)進(jìn)行嚴(yán)格控制，最好選用蠕墨鑄鐵專用材料，并增加超聲波等檢測手段，保證產(chǎn)品順利產(chǎn)出。