高牌号糯墨铸铁在缸盖铸件上的应用实践.pdf
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1、2023 年第 S2 期铸件缺陷与预防49高牌号蠕墨铸铁在缸盖铸件上的应用实践缸盖是发动机的核心部件,主要承载发动机燃烧室的热作用,并作为凸轮轴和摇臂轴等部件的支撑。因此,缸盖铸件在高温强度、疲劳性、导热性等方面需要具备良好的综合性能。目前,用于中重型柴油发动机缸盖铸件的材质主要有三种:普通灰铁、合金灰铁、蠕墨铸铁。三种常用材料的典型参数如表 1。蠕铁材料作为灰铁和球铁的中间处理材质,能够大幅提升材质强度。尤其是高蠕化率高牌号蠕铁材质,在大幅提升材质强度的同时,大幅减少石墨变化带来的热导性能的下降,为大幅度提升发动机缸盖的高周安全系数,提升发动机的使用寿命和工作性能提供保障。表 1 铸铁的主要
2、物理学性能1Tab.1 The main physical properties of cast iron1特性参数普通灰铁(HT250)合金灰铸铁(HT300)蠕墨铸铁(RuT450)抗拉强度/MPa250300450弹性模量/GPa105115145热传导率/W(mK)-1463836弯曲疲劳强度/MPa1501703001蠕墨铸铁发展现状1.1国外蠕墨铸铁的开发国外蠕墨铸铁材质的开发可以追溯至 19 世纪 40年代,1948 年 Morrogh H 等人发表The Production of Nodular Structure in Cast Iron论文,他们在研究加 Ce处理灰铸铁铁
3、液生产球墨铸铁的过程中,发现在亚共晶铁液中有一种既不同于球状石墨又不同于片状石墨的新石墨形态,当时称其为“伪片状石墨”(Quasi-flake graphite)2。近年来,在节能、环保、排放升级的背景下,中重型发动机设计开发工艺不断优化,通过缸盖火力面减薄、TOP-DOWN 流动冷却、扩充气门鼻梁区冷却水冷却面积等设计手段,大幅度改善了缸盖的低周疲劳,使蠕墨铸铁相对灰铁的热传导率低的劣势明显弱化,而蠕墨铸铁材料的高性能为发动机重量轻量化、结构紧凑化提供了可能性。鉴于高牌号蠕墨铸铁新材料具有强度高、导热和耐热疲劳、加工性等综合性能好的特点,国内外该材质在发动机缸体、缸盖等重要铸件上的应用越来越
4、多。20 世纪,欧美等工业发达国家在发动机铸件上研究和应用蠕墨铸铁。表 2 是国际主要发动机厂商蠕墨铸铁材质应用情况统计。表 2 国际主要发动机厂商蠕墨铸铁材质铸件应用情况Tab.2 Application of vermicular graphite cast iron material castings by major international engine manufacturersNO.汽车制造公司发动机蠕铁材质部件1奥迪3.06.0 L 柴油机缸体2达夫12.612.9 L 柴油发动机缸体、缸盖3福特2.712.7 L 柴油发动机缸体、缸盖4MAN10.512.4 L 柴油发动机
5、缸体5奔驰1016 L 柴油发动机缸体、缸盖6沃尔沃重型柴油发动机缸体7SCANIA1113 L 柴油发动机缸盖杨磊,韩振中,李连杰,吴晓栋(一汽铸造有限公司 无锡分公司,江苏 无锡 214174)摘要:介绍了高牌号蠕墨铸铁在缸盖铸件上的应用,针对实际生产中出现的问题,在炉料配比、浇注系统工艺、熔炼工艺等方面进行改善。通过调整进铁位置、冷铁工艺实现了无冒口的竖浇工艺;根据生产实际情况,对 Mg 指标异常的铁液采取补加一定量 RE、二次喂丝或补加铁液的方式进行调整,可保证铁液质量稳定,并保证生产过程的连续。对蠕墨铸铁生产企业提供一定的经验借鉴。关键词:蠕墨铸铁;过程控制;熔炼工艺中图分类号:TG
6、250文献标识码:B文章编号:1673 3320(2023)S2 0049 08收稿日期:2023-05-23修定日期:2023-08-11作者简介:杨磊(1984-),毕业于东南大学材料成型及控制工程专业,高级工程师,主要从事商用车铸件铸造工艺开发及质量改进,E-mail:。502023 年第 S2 期铸件缺陷与预防1.2国内蠕墨铸铁的开发及应用我国早期开展了“RE 在铸铁中的应用”项目,由于当时的高牌号灰铸铁缸盖容易开裂,质量难以控制,改用 RESiFe 合金处理铸铁后,石墨形状介于球状与片状之间,缸盖不但不容易开裂,而且其他各项使用性能均良好,当时曾把这种铸铁称为“厚片状石墨铸铁”3。随
7、着发动机性能要求的不断提升,国内主要主机厂也逐步扩大该材质在发动机铸件上的应用,如见表 3 所示,OCC、SINTERCAST 等典型的蠕化设备数量不断增多,不少企业已开始批量化生产。表 3 国内主要发动机铸造厂的高牌号蠕铁开发应用情况Tab.3 Development and application of high grade vermiculite in main engine foundries in China序号铸造厂发动机蠕铁材质部件1潍柴W9-W15(713 L)缸盖W9-W15(713 L)缸盖2重汽MAN缸盖缸体3玉柴K5、K8、K11缸盖K13缸盖K15缸盖4上柴11 L下
8、缸体/缸体5山西国际亚新科福特 911 L缸盖6江铃重汽福特 911 L缸盖7一汽铸造(无锡分公司)516 L缸盖一汽铸造(一铸)16 L缸体2高牌号蠕墨铸铁缸盖铸件的质量问题2.1技术要求高牌号蠕墨铸铁一般要求硬度 HBW200260(其中鼻梁区 HBW220260),珠光体含量 85%,蠕化率 80%,本体抗拉强度 400 MPa,螺栓孔等位置不能有明显可见的缩松缺陷,并通过泵压测试。2.2主要问题(1)材质稳定性材质波动较大,主要表现为本体的抗拉强度从400530 MPa,蠕化率低的仅为 75%,有的甚至出现衰退不蠕化,金相组织如图 1 所示。(a)正常状态蠕铁金相(b)蠕化衰退金相(c
9、)蠕化率低金相图 1 高牌号蠕墨铸铁缸盖铸件的金相组织Fig.1 Microstructure of high grade vermicular graphite cast iron cylinder head casting(2)热节位置缩松缩松波动较大,同样的工艺浇注条件下,不同批次的缩松波动大,主要表现为同一批次的不同炉次和不同包次之间的波动较大,缺陷如图 2 所示。(3)生产过程的质量连续性差前期因铁液处理不合格比例达到 30%左右,无有效手段应对处理,一方面回炉会造成铁液成分波动;另一方面操作者为减少麻烦,存在不合格铁液直接浇注情况,导致生产稳定性下降,产品质量出现波动。2023 年
10、第 S2 期铸件缺陷与预防51(a)缸盖热节分布图 (b)缸盖缩松解剖实物图图 2 蠕墨铸铁缸盖的缩松缺陷Fig.2 Shrinkage defect of vermicular graphite cast iron cylinder head2.3原因分析(1)蠕墨铸铁的稳定区控制范围较窄蠕虫状石墨是介于灰铁片状石墨与球状石墨的中间石墨过渡形态,这个过渡区的稳定区很小,等效镁元素含量区间仅约 0.008%,如图 3 所示。图 3 石墨形态与 Mg 含量的关系图Fig.3 Relationship between graphite morphology and Mg content此外,Mg
11、元素在高温铁液中自身烧损较快,每 5 min就会烧损 0.001%4,最终留给 Mg 的控制范围会比理论范围更小,导致优质高牌号蠕墨铸铁材质的生产难度大幅增加。(2)局部热节较多,控制难度大缸盖铸件局部热节较多,工艺过程不稳定会导致缩松变化较大。出现缩松位置基本位于螺栓孔、导管孔等相对孤立的热节位置。(3)生产过程质量一致性较差生产过程中铁液蠕化处理干扰元素含量波动大(比如 S、O 元素);其中 Ce 含量的波动一定程度上影响铁液稳定于接近共晶点的亚共晶凝固。蠕化丝、孕育丝出现凹陷、丝段不熔,机械喂丝出现断丝、卡丝等问题会严重影响生产连续性,并造成质量波动。3改善措施3.1OCC 工艺生产流程
12、OCC 处理工艺进行高牌号蠕墨铸铁的批量生产,主要流程介绍如下。(1)主要设备蠕化处理设备主要由控制中心、喂丝系统、检测设备等组成5,热分析仪、光谱、碳-硫分析仪、称量装置等检测设备负责提供原铁液的成分及重量参数,控制中心负责根据检测结果进行铁液状态计算和判定,喂丝系统负责根据控制中心指令实施蠕化丝及孕育丝的喂入。(2)生产流程图 4 为 OCC 处理流程图,简述如下:采用电炉对炉料进行熔化,获得符合要求的原铁液;将原铁液的主要参数传输至 OCC 控制中心(其中液相线温度由设备热分析仪检测、S 量由碳硫分析仪检测、金属元素等其他成份由光谱仪检测);图 4 OCC 处理流程图Fig.4 OCC
13、processing flowchart522023 年第 S2 期铸件缺陷与预防 OCC 控制中心根据检测输入参数进行分析,并给出喂丝参考量;喂丝系统根据控制中心指令喂丝;喂丝后经检测设备分析得出蠕化指数及孕育指数,指数在要求范围内后,铁液进行浇注。(3)工艺方案砂箱尺寸为 1 300 mm900 mm350 mm2,采用无冒口的竖浇工艺,浇注系统如图 5 所示。图 5 浇注系统Fig.5 Gating system3.2熔炼工艺3.2.1炉料的选择考虑成份要求及成本情况,生铁严格控制(S)0.03%以下,应储存在干燥处,避免氧化腐蚀,选用Q10 或 Q12 牌号,具体成分控制如表 4。表
14、4 生铁的化学成分(质量分数,%)Tab.4 Chemical composition of pig iron(mass fraction,%)牌号CSiMnPSZ14 4.01.251.60 0.50 0.06 0.04Q10 4.00.81.0 0.20 0.06 0.03Q12 4.01.01.4 0.50 0.06 0.03表 5 为不同废钢主要成份对比情况,废钢 A 为某整车冲压边角料,S 等微量元素稳定,作为高牌号蠕铁炉料使用。该废钢中 Ti 元素稳定,熔化过程中 Ti 均匀扩散至原铁液中,可以阻止因蠕化剂加入过量造成局部大量球状石墨的形成,一定程度扩大了蠕化稳定区蠕化元素的平台区
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