喂线工艺生产蠕铁柴油机缸体缸盖的技术

李 明， 齐少豹

(潍柴动力股份有限公司， 山东 潍坊 261205)

1 蠕墨铸铁在柴油机上的应用

1.1 蠕墨铸铁材料的应用

蠕墨铸铁的力学性能介于灰铸铁与球墨铸铁之间，铸造性能比球墨铸铁好，接近于灰铸铁，具有良好的综合性能。随着发动机性能的不断提高，发动机的爆发压力不断升高，新一代发动机的爆发压力基本超过160bar，正在开发的大马力发动机的瞬时爆发压力已经达到200bar甚至更高。高性能灰铸铁能够承受的最大爆发压力在200bar左右，已不能满足大马力发动机的使用性能要求。蠕墨铸铁的与灰铸铁相比抗拉强度高75%、弹性模量提高40%，而疲劳强度提高了近一倍。采用蠕墨铸铁制造中、大马力发动机气缸体、气缸盖，一方面可以满足使用性能要求，提高发动机的效率；另一方面也可以通过设计减轻重量，因此，蠕墨铸铁在发动机气缸体、气缸盖上的应用也越来越广泛。

1.1.1 国内外蠕墨铸铁应用情况

近几年，国外蠕墨铸铁在发动机上的应用，已成为一种趋势。为适应发动机增压、小型化的发展趋势，满足汽车节能减排标准日益提高的要求，强度高、导热性和耐热疲劳性能好的蠕墨铸铁缸体缸盖呈现快速发展状态，尤其是用在柴油机缸体上。奥迪、DAF、福特、现代、MAN、奔驰、标致、雷诺、大众和沃尔沃这些著名品牌都相继开发和使用了蠕墨铸铁缸体。未来的发展方向不仅仅局限在乘用车，商用车上蠕墨铸铁材料的应用将进一步推广。

我国应用历史要早于国外，应用领域也较广，但用于发动机铸件的例子主要有上海圣德曼、二汽的蠕墨铸铁排气管、无锡柴油机厂和大连柴油机厂的蠕墨铸铁缸盖。

近年来，玉柴、中国重汽、锡柴、潍柴等缸体、缸盖蠕墨铸铁材质实际生产量不断在扩大。

1.2 国内外蠕墨铸铁生产工艺

国外蠕铁的应用主要以发动机铸件为代表。由于国外对蠕铁的蠕化率要求较高，因此形成了一些炉前控制技术，采取严格的蠕铁生产工艺来生产蠕铁材料铸件。这些蠕铁生产工艺主要有：SinterCast工艺和OxyCast 工艺、NovaCast工艺、Backerud工艺等，其中SinterCast工艺是最为典型的蠕铁生产工艺。

国内蠕铁生产工艺除在蠕化剂方面做了大量工作，使用了很多种类的蠕化剂外，处理控制工艺比较简单，基本上没有良好的质量控制手段。

近年来，潍柴、中国重汽、锡柴等发动机企业先后引进了国际上先进的蠕墨铸铁生产控制系统。

2 蠕墨铸铁喂线工艺

2.1 蠕墨铸铁缸体缸盖件要求严格

我们要生产的蠕墨铸铁铸件，其材料标准要符合欧洲等先进国际标准，达到国际先进水平，为了获得优良的加工性能、铸造性能和导热性能，蠕墨铸铁的组织要求一般为：在关键部位球化率为0～20%。

2.2 蠕铁工艺技术简介

我们的蠕铁缸体缸盖生产工艺经过小批生产工艺开发阶段的研究与探索，结合潍柴自身特点选用了国内喂线设备及德国蠕铁控制技术进行批量生产工艺开发。目前已经形成了一套成熟的蠕铁铸造工艺技术。

蠕铁生产系统包括熔化系统、处理系统、浇注系统。利用热分析技术可全流程的控制原铁水状态、蠕化处理过程及蠕化处理状态、浇注过程以及浇注后铁液蠕化衰退情况，确保批量生产过程中合格蠕铁产品的产出。

我们采用的蠕墨铸铁生产技术对原铁水有严格的要求，入口门槛较高。首先要求原铁水的含硫量较低，理想条件含硫量在0.010%-0.14%之间，其次，对原铁水碳当量也有较为严格的要求，对碳当量的要求通过原铁水热分析液相线的温度范围提线，原铁水液相线范围被要求在1 140～1 144℃之间。

原铁水符合要求后经喂线处理后使用样杯检测蠕化状态，自动控制系统给出处理意见，浇注、补加喂线或者废弃，根据自动控制系统给出的意见处理铁水后即可进行浇注，浇注必须在一个规定的时间内完成，防止蠕化衰退。

由于蠕墨铸铁蠕化范围很窄，一旦发生蠕化衰退现象铸件性能将受到极大影响，因此我们在铸件常规检验中增加了蠕化率的超声波无损检测，避免蠕墨铸铁蠕化衰退成灰铁的危险。

3 蠕铁生产工艺流程

3.1 蠕铁缸体缸盖造型制芯工艺

潍柴生产的蠕铁柴油机缸体重量为595kg，造型使用上下箱尺寸均为2200mm×1250mm×400mm，半自动化造型，使用自硬砂造型。

6M26机体共使用芯子8种16颗，全部采用冷芯。砂芯表面刷涂醇基涂料后烘干，整体组芯后二次刷涂料进行研箱。

浇注系统如图1所示，浇注系统有三条横浇道，两条在底部通过内浇道进入铸件，另一条横浇道则通过内浇道进入铸件中部。铸件采用卧浇的方式进行，底部有大平面，因此采用倾斜浇注。

图1 6M26缸体浇注系统示意图

6M26柴油机有灰铁与蠕铁两种材质，两种材质使用同一套工装，使用同样的浇注系统。

蠕铁材质缸盖型号为CW200，蠕铁缸盖用于船用柴油机，单个缸盖重量为153kg，每箱两件。

CW200柴油机缸盖铸型采用自硬砂造型，外层形成外轮廓的芯子则采用冷芯，与铸型一样采用自硬砂造型。为增加砂芯强度，缸盖内部砂芯采用高强度覆膜砂制芯，铸型造型完成后刷涂料，涂料采用富士科醇基涂料。

缸盖采用浇注系统如图2所示，采用中注+底注的方式进行浇注。

图2 CW200缸盖浇注系统示意图

3.2 蠕墨铸铁缸体缸盖熔炼浇注工艺

蠕墨铸铁的熔炼浇注是蠕墨铸铁缸体缸盖生产的关键过程，目前我们采用中频电炉熔炼原铁水，使用蠕铁喂线生产设备进行蠕墨铸铁铸件的生产与在线检测，然后浇注铸件。

3.2.1 原铁水熔炼

生产蠕墨铸铁缸体缸盖采用中频电炉熔炼原铁水，蠕墨铸铁成分的控制范围：C3.6%～3.8%，Si1.9%～2.0%， Mn≤0.6%，S≤0.02%，P≤0.07%。

蠕墨铸铁对原铁水要求较为严格，在成分范围合格的同时需要使用热分析系统对原铁水进行检测，确保原铁水的液相线温度在1 138～1 146℃范围内。

当液相线温度不在范围内时，要用增碳剂调整到控制范围。当熔化原铁水的硫含量超过0.02%要求时，需要进行脱硫处理。

3.2.2 铁液合金化

虽然6M26缸体和CW200缸盖的材质为RuT400，但是蠕铁缸体和缸盖工况的不同，而且缸体与缸盖关键位置壁厚不同，6M26缸体的关键位置壁厚达到60mm，CW200缸盖的关键壁厚为30mm，因此需采用不同的合金化配比。为了保证气缸体中珠光体的含量及细化珠光体，有必要对原铁水加入适量铜和锡进行合金化。

出铁时同时进行合金化，合金化处理后的浇注铁水中合金含量如表1所示。

表1 合金化后铁水合金含量

3.2.3 喂线处理

出铁合金化后铁液至扒渣处扒渣，将铁水运至喂线处理站进行喂线法蠕化处理。喂线法加入蠕化剂和孕育剂比冲入法更易于精确控制加入量，提高吸收率。喂线处理分为蠕化线与孕育线处理，蠕化线采用含镁包芯线，孕育线则采用含稀土包芯线，包芯线参数如表2所示。

表2 包芯线参数

根据原铁水含硫量、包芯线中镁含量与稀土含量、镁以及稀土元素的烧损情况以及浇包中铁水深度等因素计算喂线量，在浇包就位后启动喂线进行喂线处理。

3.2.4 热分析在线快速判断

喂线处理结束之后迅速进行扒渣处理，以扒除浮在铁液表层的残余渣，喂线处理后的渣滓中含有与镁呈化合态的硫，扒渣不彻底容易造成铁液回硫以致蠕铁灰化。

扒渣后利用专用样杯进行取样快速检测，蠕化处理后的铁液在样杯中冷却过程中其冷却曲线在热分析系统中显示如图3所示。并根据判蠕化指数及孕育指数判据判断蠕化处理后的铁水是否适合浇注。

图3 蠕化检测得到的冷却曲线

3.2.5 浇注铁水化学成分

浇注热分析试样的同时浇注光谱试样，光谱试样成分作为技术控制的重要手段不作为验收依据。6M26缸体和CW200缸盖成分范围如表3所示。

表3 蠕墨铸铁铸件6M26缸体、CW200缸盖铁液成分(%)

3.2.6 浇注

蠕墨铸铁蠕化孕育处理后应及时进行浇注，蠕墨铸铁铸件6M26缸体、CW200缸盖浇注参数见表4。

表4 浇注参数如表所示

从蠕化孕育结束至铸件浇注结束的总时间须进行严格限制，尤其是缸盖更应该控制一包铁水的浇注箱数，浇注总时间过长铁液有发生蠕化衰退的危险，浇注总时间最长不应超过8min。

3.3 蠕墨铸铁缸体缸盖的清理工艺

缸体缸盖浇注后进行打箱清理，打箱时间根据铸件冷却条件不同确定。6M26缸体浇注重量达到800kg以上，最大壁厚达到60mm，打箱时间≥24h；CW200缸盖冷却重量较小，浇注重量在400kg左右，最大壁厚在30mm左右，因此浇注后12h即可打箱。

打箱落砂后进行粗清，砸掉浇冒口系统，由于蠕墨铸铁铸件强度较灰铸铁提高70%以上，因此清理浇冒口系统较灰铸铁难度大，而且在粗清过程中蠕墨铸铁缸体缸盖铸件容易出现带肉缺陷。

3.4 蠕墨铸铁缸体缸盖理化性能

3.4.1 蠕墨铸铁缸体理化性能

对6M26缸体进行本体解剖进行本体性能及金相检验，检验现有工艺条件下机体本体的蠕化情况。铸件本体性能检验在最大壁厚位置(60mm)处取样检测，同时进行金相检验，在较薄壁厚位置(20mm)进行金相检验进行对比。表5所示为本体试样的机械性能和软件计算金相蠕化率结果。

6M26缸体本体60mm壁厚与20mm壁厚铸件蠕化情况见图4、5。

表5 6M26缸体本体性能及金相

图4 1号缸体厚壁(60mm)石墨形形态与基体形貌(100×)

图5 2号缸体厚壁(20mm)石墨形形态与基体形貌(100×)

由图5及表5中蠕化率结果可知，气缸体上不同位置处的蠕化率均在85%以上，厚薄壁影响蠕虫状石墨的石墨形态，但是对蠕化率基本没有影响。缸体中没有出现片状石墨。

由图6和表5中珠光体含量可知，气缸体本体的基体组织以珠光体为主，珠光体含量均在80%以上，基体组织中没有碳化物出现。

3.4.2 蠕墨铸铁缸盖理化性能

对CW200缸盖进行本体解剖进行本体性能及金相检验，检验现有工艺条件下缸盖本体的蠕化情况。缸盖本体性能检验在缸盖与缸体接触的火力面位置(壁厚30mm)处取样检测，同时进行金相检验，在较薄壁厚位置(壁厚10mm)进行金相检验进行对比。表6所示为缸盖本体试样的机械性能和软件计算金相蠕化率结果。

CW200缸盖1号本体30mm壁厚与10mm壁厚铸件蠕化情况见图6、7。

表6 CW200缸盖本体性能及金相

图6 1号缸盖厚壁(30mm)石墨形形态与基体形貌(100×)

图7 2号缸盖厚壁(10mm)石墨形形态与基体形貌(100×)

由图7及表6中蠕化率结果可知，缸盖上不同位置处的蠕化率均在80%以上，厚薄壁影响蠕虫状石墨的石墨形态，但是对蠕化率基本没有影响。由图8和表6中珠光体含量可知，缸盖本体的基体组织以珠光体为主，珠光体含量均在80%以上，基体组织中没有出现碳化物。 3.5蠕墨铸铁缸体缸盖本体的超声波无损检测

蠕墨铸铁生产过程中一旦出现蠕化率过低或者蠕化衰退现象将严重影响柴油机缸体缸盖的使用性能，尤其是蠕化衰退出现片状石墨的情况下，铸铁强度将极大下降，出现片状石墨的铸铁的性能甚至不如HT150。因此，为严格控制柴油机缸体缸盖本体材质，确保缸体缸盖材质为蠕虫状，引进超声波无损检测手段进行缸体缸盖本体蠕化率的检测。

经过对灰铸铁、蠕墨铸铁、球墨铸铁铸件的大量检测，建立了蠕化率与声速的关系。在实际生产中我们对蠕墨铸铁缸体缸盖100%进行了超声波的检测，一旦检测到超声波声速低于5 000m/s，此时铸件本体中均有片状石墨存在。

4 主要问题及对策

4.1 表面不球化层问题

蠕墨铸铁缸体缸盖表层往往有片状石墨层存在，其根本原因是铁液中的稀土、镁都是活性元素，他们可以与造型材料中的硫化物、硅化物以及铸型表面的氧、氮、氢、一氧化碳等气体化合，当铸件表面的蠕化元素被消耗到临界点以下时就形成表层的片状石墨层。在蠕化率较高的铸件表面和冷却速度较慢的厚壁处比较容易出现表层片状石墨。如图8所示。

图8 6M26缸体10mm壁厚与60mm壁厚位置表层片状石墨

上图中可见薄壁(10mm)位置表层片状石墨层厚度明显薄于厚壁(60mm)位置的片状石墨层厚度。

表层片状石墨的存在降低蠕铁铸件的表层强度及耐热性能，必要时在铸型砂芯表面采用专业涂料，适当提高铸件中蠕化元素的含量能够有效避免表层片状石墨的存在。

4.2 缩松问题

在铸件的最后凝固部位和壁厚变化部位容易出现缩孔和缩松，如图9所示为缸盖缩松附近石墨形态。

可见出现缩松部位与蠕化率偏低是位置是一致的，因此在生产过程中应保证铸型刚度，合理设计浇冒口防止严重的凝固不均现象。同时应力求较高蠕化率，防止出现蠕化率不足造成的缩松现象。

另一方面，蠕墨铸铁生产过程中需要进行喂线，需要较高的熔炼温度才能保证浇注温度，因此碳当量烧损严重。碳当量较低也是造成缩松现象的重要原因之一，因此适当提高碳当量是避免缩松的措施之一。

4.3 石墨蠕化衰退

蠕墨铸铁缸盖在浇注过程中由于一包浇注多件，浇注至末箱时容易出现蠕化衰退现象，造成蠕虫状石墨衰退成片状，在蠕墨铸铁缸盖中发现的蠕虫状石墨中心开始有片状石墨出现如图10。

图10 石墨蠕化衰退开始出现

片状石墨的存在会导致蠕墨铸铁铸件性能急剧下降，造成铸件报废。在正常生产过程中引入热分析快速检测方法，能够在90s内快速判断铁水蠕化状态，防止蠕化不良铁液的浇注。转运浇注过程中需严格控制浇注时间，根据热分析系统的建议进行浇注，严格控制浇注时间在8min之内。

4.4 加工性能问题

由于蠕墨铸铁铸件的强度相对于传统灰铸铁提高了70%以上，达到400MPa以上，同时硬度相对灰铸铁也略有提高，延伸率达到1.0-2.5%。加工过程中不可避免的存在刀具磨损量大，加工难度大等问题。

蠕墨铸铁缸体冷加工过程中切削量大，加工精度要求高，目前我们采用原有加工灰铸铁的机床、刀具进行蠕墨铸铁缸体的加工，主要存在如下问题。

4.4.1 硬度高

车削和铣削过程中反映蠕铁缸体硬度较高，对刀具的磨损较为严重，目前我们解决措施是一方面将车削铣削工艺参数降低，降低切削速度，取原有灰铸铁加工参数的70%左右进行加工。另一方面在铸造工艺控制室尽量对硬度进行控制，将硬度值控制在该牌号的下限，便于加工。

4.4.2 粘刀、糊刀、刀具磨损量大

在镗削和钻削过程中存在的显著问题是刀具磨损量大，加工速度快时容易出现粘刀糊刀现象。解决这一措施目前可行的方法是降低镗削、钻削的加工参数。

长远来看蠕墨铸铁的加工应开发专用刀具，结合蠕墨铸铁铸件的强度高、韧性好的特点研究专用刀具，并开发新的冷加工工艺。

5 结论

(1) 蠕铁是一种柴油机缸体缸盖的材料选择。

(2)喂线法与热分析技术相结合的蠕墨铸铁生产工艺既有喂线法精确控制喂线量的优点，又能通过热分析技术对铁液蠕化效果进行预判，能够保证蠕化效果，可以应用于蠕墨铸铁缸体、缸盖的批量生产。

(3)分析了蠕墨铸铁缸体、缸盖生产中存在的问题，并提出了对应的解决措施。

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