喂线球化生产薄壁球铁排气管研究与应用

张寿涛

(哈尔滨东安动力股份有限公司，哈尔滨 150060)

1 绪论

1.1 球墨铸铁排气管的应用现状

排气管是汽车发动机的重要零部件,其工作状态较恶劣,工作时,由于尾气产生的热量,其自身温度可达500℃左右,若材质不好,会出现裂纹,所以对其材质要求较高。目前世界上1.0升以上汽车发动机上的排气管都使用铁素体基的球墨铸铁,由于球墨铸铁中的球状石墨彼此分离,与片状石墨铸铁相比阻碍了高温下氧的扩散,因此球墨铸铁的抗氧化性和抗生长性优于灰铸铁,也优于可锻铸铁。并且铁素体球墨铸铁的高温抗生长性优于珠光体球墨铸铁。所以排气管的化学成分的选定、球化和孕育处理方法，对其组织和使用性能影响较大。另外由于排气管在发动机的位置和作用决定了排气管的结构较复杂，排气管一般是四个排气道，外形根据发动机结构变化，从铸造角度上，其出模困难，都需要两个内腔管芯组合及一个外皮芯，才能出模。目前多数排气管都是用砂型铸造，水平分型，国内的河南西峡排气管厂，天津新伟祥铸造厂等都是水平分型，由于排气管的芯子多，并且是组合芯，所以芯子定位较关键，水平分型相对来说对芯子的定位有好处，东安发动机公司锻铸厂是采用DISA无箱垂直分型砂型铸造，此生产线相对芯子的定位上较水平分型的较难控制。

1.2 排气管的组织要求

图1为其金相组织的标准照片金相组织要求:球化率>90%,铁素体质量分数≤90%,石墨尺寸:最大≤80um,平均≤60um,渗碳体≤5%。性能要求；抗拉强度≥450Mpa，延伸率≥10%。硬度要求HB163-229。

图1 显微组织要求

1.3 排气管的铸造工艺简介

1.3.1 材质

材料牌号：QT450-10；化学成分(%)：C3.4-3.9 Si2.2-2.5 Mn0.2-0.4 P≤0.05 S≤0.02 Mg0.025-0.05。

1.3.2 工艺方法

采用三个砂芯，两个管芯组合，及一个外皮芯。具体结构如图2示：

图2 排气管型芯及外形

1.3.3 现有生产工艺简介

1.3.3.1 熔化设备 采用5t中频感应电炉熔化。配料为1 500～2 500kg废钢、3 500-2 500kg回炉料及60～100kg增碳剂。1 540～1 560℃时进行清渣保温10min,出铁温度为1 520～1 570℃(根据浇注温度调整)。

1.3.3.2 球化处理方法

1.喂丝法 把高镁合金包芯线用喂线机加入球化包内，进行球化处理。采用的高镁合金包芯为Ф13mm(外皮厚0.35mm)的30 Mg线。喂丝速度25m/min；喂入长度20m,成分见表1。

表1 包芯线的技术参数表

1.3.3.3 造型 DISA线垂直分型无箱造型、砂型硬度≥60°型板尺寸600×480型号为DISA2013LP。

1.3.3.4 配砂 采用德国爱立许混砂机,每碾子混砂1.2吨,采用质量师在线检测及化验室检测双重方法。主要检测型砂的湿压强度、水份、紧实率、膨润土含量、及灰份含量、砂温及型砂的发气性。

1.3.3.5 孕育处理 采用两次孕育的方法。一次孕育在球化包内加入，加入量为4～6kg,占铁水重的0.5%～0.8%，二次孕育在浇注时随流孕育,加入量为0.1%～0.3%。

1.3.3.6 浇注 使用1.2吨气压浇注机，浇注机内采用氮气保护，浇注温度为1380℃～1430℃，浇注速度：10～14s。

1.4 铸铁排气管常见问题

1.4.1 球化不良和球化衰退

球化不良指球化处理末达到球化等级要求。球化衰退指浇注后期的铸件球化元素残留量过低引起球化不合格。宏观特征：铸件断口为银灰色基体上分布着芝麻状黑色斑点，其数量多，直径大，表明程度严重。全部呈暗灰色粗晶粒，表明完全不球化。金相组织：集中分布大量厚片状石墨，其数量越多，面积率增加，表明程度越严重。完全不球化者呈片状石墨。

1.4.2 夹渣

形貌特征：分布于铸件浇注位置上表面，型芯的下面及铸件的死角处，破断面上显现暗黑色无光泽深浅不一的夹杂物，断续分布。金相观察可见条状，块状夹杂物，邻近的石墨可呈片状或球状.磁粉控伤时磁痕呈条状分布,条纹多而粗,堆积密表明夹渣严重。球化处理时Mg、RE与铁液中的O、S反应形成渣.当铁液温度低、稀渣剂效果不好,渣上浮不充分或扒渣不净而残留于铁液中,此为一次渣。铁液在运输、倒包、浇注、充型时氧化膜破碎并被卷入铸型，在型内上浮吸咐硫化物聚集于上表面或死角处，此为二次渣。一般以二次渣为主。

1.4.3 铸件的组织有碳化物

铸件生产时,在落砂后到磷板机处,铸件出现脆断的现象,断口为白口，观察其金相组织以渗碳体为主，金相组织见图6。

图6 断口上的白口组织

2 468排气管喂线法球化处理工艺优化

2.1 配料与熔化优化

我们对配料进行了优化，选用了两种配料工艺，见表2、表3。表2为采用喂线法回炉料多时使用，表3为喂线法生产正常化时使用回炉料稳定。为了解决熔化保温对碳烧损及白口的影响，采用出铁增碳的方法，每出一包铁水炉内增碳0.015%，以保证原铁水的重新形核及碳含量。

表2 喂线法熔化炉配料1(kg)

表3 喂线法熔化炉配料2(kg)

2.2 包芯线的质量改进

按原工艺，经计算可知：每600kg铁水加入10m高镁合金包芯线，可使铁水中稀土含量增加0.0075%～0.0105%，这无疑有点高，鉴于回炉料中稀土量高平均达0.02%～0.03%，因此应降低高镁合金包芯线中稀土量。为了保证铁水的稀土含量为0.01%～0.02%，我们选用了低稀土量的高镁合金包芯线，要求包芯线含稀土量1.0%～1.5%，这样使得铁水中稀土含量增加最大为0.0045%。当稀土含量低时，采用1号稀土硅铁以孕育的方式加入。同时对包芯线的其他参数进行要求。改进后的包芯线的参数见表4。

表4 改进后的包芯线的参数

包芯线的制作质量对处理结果的好坏有很重要的影响。如果包芯线的粉芯量不均衡(即单位线长的粉芯量忽多忽少)，不仅会影响加镁量的精确计量；而且更严重的是会造成喂线速度的忽快忽慢，从而因不能使包芯线一直在包底附近熔化而使镁的收得率大为下降；另外，在相同加入长度的条件下，若线的质量不好，则镁的加入量发生变化，必然导致残镁量变化。因此，对包芯线的质量要严格检验。

2.3 浇包大小的选择

浇包大小与衰退时间及浇注速度、铁水停留时间有关[29]。在浇注排气管等重量小壁薄件时，浇注时间长，浇注机内铁水驻留时间长，球化孕育衰退严重。

浇包的大于对球化的效果影响也较大，铁水包过大铁水停留的时间长，球化衰退严重，浇包过小，球化的效果不好。

为了提高镁的作用效果，在处理包的设计上应使高径比(H/D)尽量大些，因为相同容积的处理包，装入铁液时高径比(H/D)越大，则其溶池就越深，铁液的静压头越高，这样在喂线处理时镁蒸气析出的就慢些，从而延长了镁与铁液的作用时间，达到较好的处理效果。

在生产条件下，曾用三包铁水专门做了球化衰退试验，用每隔5min从经过球化处理的铁水中取一铁水样进行光谱分析的方法，测定其残镁含量随时间的变化情况。

(1)处理温度： 1 480～1 500℃,铁水重量≈900kg

(2)原铁水成分：见表5

(3)球化孕育：孕育剂为75SiFe，粒度4-10mm。具体见表6。

表5 衰退试验的原铁水成分(%)

表6 球化孕育处理工艺参数

(4)测定结果列在表7。

表7 衰退试验结果

由上表可以看出：用高镁合金包芯线处理过的铁水在15min内，衰退后的镁符合使用的要求；但是10min以后孕育衰退严重，二次孕育后浇注的铸件硬度高，白口现象出现，铸件无法使用。因此，球化处理后铁水的量必须在10min内浇注完毕。

468排气管的吃水量每型为14～20kg(计算值)，每15s浇注一型，10min内浇注30型，浇注铁水量500～580kg。由于浇注时的溢流损失，实际10min内浇注铁水量可达550-600kg。因此，我们选择所球化处理的原铁水的量为：600kg。

喂线球化处理需要一定的反应空间，约为铁水所占体积的20%～30%，因此，我们选择800kg的标准球化包，注入原铁水550～600kg进行球化处理。喂线球化处理包尺寸为：直径450mm(平均直径)，高900mm，高径比2∶1。

2.4 喂线速度优化选择

根据包芯线熔化机理及实践证实，影响喂线速度主要因素是处理包的尺寸(高径比)和待处理铁水的重量(更确切一点说是铁水的深度)，但铁水处理温度对残余镁影响很大。

根据喂线速度经验计算公式进行计算：

V=(8/Dx-0.3)Q

(1)

式中Dx—铁水处理包装有铁水部位的真实平均直径，m；

Q—铁水的重量，t；

V—喂线速度，m/min

上面已知：Dx=0.45；Q=0.6；计算得V=10.5m/min

为了进一步优化喂线速度，我们进行了实验。

铁水成分和出炉温度基本不变，喂线长度保持固定(12m)的情况下，改变喂线速度所取得的结果如表8所列：

表8 不同喂线速度下的处理结果

注：镁的收得率的计算公式为：

(2)

式中Q—铁水重量，kg；

WMg残—球化处理后铁水中的残余镁量，wt.%；

q—包芯线单位长度的含镁重量，合金成分(g/m)；

△S—处理前后铁水的含硫量变化，wt.%；

L—喂入的包芯线长度，m

由以上的试验结果可以看出：在包芯线喂入量以及其它条件基本不变的情况下，改变喂线速度对处理效果有较大的影响。在试验所用铁水处理包尺寸的条件下，喂线速度在10～15m/min时可获得最高的镁的收得率。这也说明在此速度下，包芯线是在处理包的最深处开始熔化的。

由于喂线机在使用的过程中，喂线速度有慢速波动，因此，喂线速度选定为：12m/min；实际操作中为：10～15m/min。

2.5 球化处理温度的确定

球化处理温度对镁的收得率、加入量和白口倾向等均有影响。

现将铁水量设定600kg，喂线速度10～15m/min，喂线长度12m，球化处理温度在1420～1550℃之间变化。所得结果如表9所列。从该表中可以看出，镁收得率将随着处理温度升高而下降，处理温度升高式样白口增大。

表9 不同处理温度下的铁水处理结果

考虑浇注温度及浇注炉的影响，选择的处理温度为1480～1500℃。

2.6 喂线加入量选择

包芯线喂入量的不同，对残镁含量、残硫含量、镁的收得率以及处理温降都有一定的影响，同时包芯线喂入量的多少也影响处理后的铁水的白口倾向、孕育衰退。包芯线喂入量影响白口倾向试验时是将铁水量设定为600kg，喂线速度为12m/min，处理温度为1480～1490℃之间变化，喂线长度在5～12m之间变化。所得结果如表10所列。从该表中可以看出，加入量越大，白口倾向越大。

表10 不同加入量对白口的影响

在其它条件不变的情况下，随着包芯线喂入长度的增加，铁水的残余镁量随之增加，铁水残硫量随之减少，脱硫率也相应地增加，但镁的收得率变化不大；当喂入长度增加到一定长度后再继续增加，则残镁量增加很少，镁的收得率非常低。这主要是因为：随着溶解在铁水中的镁不断增加，铁水能继续溶入的镁量将减少，镁的收得率变低，这必然导致所增加的镁量将大部分被烧损氧化，从而导致残镁增加量低、镁的收得率小。因此，为节约成本，应尽量减少包芯线的喂入量。

高镁合金包芯线对铁水进行球化处理，加入铁水中的镁，一部分用于脱硫；一部分被氧化烧损。

脱硫所消耗的镁量、稀土量依据反应式：

Mg+FeS(液)=MgS(固)+Fe(液)

RE+FeS(液)=RES(固)+Fe(液)

由这个反应式可以算出：WMg脱S=0.76(WS原-WS终)=0.76△S

式中 0.76—是Mg与S原子量之比：24.32/32.06=0.76；

WS原—处理前铁水含硫量，wt.%；

WS终—球化处理后铁水含硫量，wt.%；

△S—处理前后铁水的含硫量变化，wt.%

这样即可求得包芯线的加入量：

(3)

式中Q—铁水重量，kg；

η—Mg的收得率，一般取36%；

WMg残—球化处理后铁水中的残余镁量，wt.%；

q—包芯线单位长度的含镁重量，合金成分(g/m)

这样在处理前已知：△S、WMg残、q及铁水重量Q的前提下，即可确定在对铁水进行球化脱硫处理时所需的包芯线的喂入长度。对于上式中的△S和残镁量，在计算中不能随意确定其值，因为铁水中的硫并不是想脱多少就能脱多少的。它与铁水原硫量及溶解于铁水中的镁量有关，若铁水原硫量及铁水中的溶解镁量较高，则△S可设置大些。相反，则应设得小些。

原铁水的含硫量一般在0.010%～0.015%，残镁量要求在0.04%～0.05%。喂线处理后硫脱到0.007%左右，残镁量达到0.04%～0.05%。因此可计算得加入量的范围为：8～10m。

在铁水成分和温度基本保持不变，喂线速度设定在12m/min的条件下，改变包芯线的喂入长度所取得的结果如表11所列。由表中可以看出：在喂线速度不变的情况下，随着包芯线喂入量的增加，残镁量将逐渐增大，残硫量逐渐减少，当喂线长度增加到一定长度后，随着其长度的增加，残镁量和残硫量变化不大，镁的收得率将随之下降。这主要是与镁在铁水中的溶解度有限引起的。由以上试验结果可知，在此条件下，喂线长度为8～12m是比较合适的，而且金相组织符合技术要求。

表11 残镁量与不同芯线加入量的关系

2.7 包盖密封及入射角对处理结果的影响

在实践中发现，喂线机包盖密封对镁的收得率影响很大。包盖密封不好，造成铁水发生强烈喷溅时将使镁的收得率降低30%，增加了包芯线的加入量，更为严重的是容易导致铸件白口。为了保证处理包的密封，我们用橡皮泥打制包盖，每周更换，保证了镁的收得率的稳定。

如果不合适或导管没有足够长的直线段去克服其弯曲段对包芯线的预弯成型，这样，就会使包芯线刚进入铁水时，就在铁水的黏性和浮力的促使下，立即刺向包壁，并将高镁合金释放到处理包上部的铁水中。因此保证包芯线的入射角与铁水液面呈90度进入具有很重要的作用。

2.8 喂线球化孕育处理工艺参数的确定

球化孕育处理工艺参数包括球化处理温度、芯线加入量、喂线速度、残镁量、孕育剂加入量。由上所述球化处理温度由浇注温度和后置处理因素共同决定，选定为：1 480～1 500℃。喂线速度根据公式及实验得为12m/min。残镁量按照包内的残镁量高于出铁槽的0.015%。孕育采用三次孕育，芯线加入量实验确定为600kg铁水10～12m。球化孕育处理工艺参数见表12。

表12 球化孕育处理工艺参数

2.9 小结

(1)用喂线技术进行球化处理，孕育衰退比球化衰退更严重，因此在这种条件下，孕育衰退决定了浇注时间和浇包的大小及处理铁水的重量。喂线的加入量对处理后的铁水的白口倾向、孕育衰退有着重大影响，加入量越大，白口倾向越大，孕育衰退越严重。

(2)最佳芯线加入量为每600kg铁水加入10-12m高镁合金包芯线；最佳喂线速度为12m/min；每包浇注时间小于8min。

(3)通过对喂线法球化处理在工艺优化控制，大大提高了排气管的质量，排气管的合格率达到了90%以上。

3 铸件的缺陷分析及解决措施

3.1 夹渣缺陷

3.1.1 原因分析

在X光检测及机加过程中可发现夹渣，在靠近内浇道处及砂芯下面出现了不规则渣孔。夹渣部位的共同特点是：都是铁水充型的死角，该处渣子不易上浮。渣子的主要来源是球化处理时，镁、稀土与铁水中的O、S反应形成的氧化物、硫化物。在浇注时这些氧化物、硫化物充入铸型型腔形成夹渣。

3.1.2 解决措施

浇注系统设计不合理，挡渣能力不足，在浇注系统中没有采取集渣措施，结果造成渣子直接流入型腔。夹渣主要分布在铸件的上分型面上，表面呈现暗黑色无光泽深浅不一的孔，有的表面上可以看出，有的只有在加工后才能发现。为此采取以下措施:

(1)改进了原材料的炉料配比。将回炉料进行抛丸处理,炉料采用1tQ10(本溪)生铁+1t废钢+28KgC+3t回炉料的方法进行熔化。

(2)铁水熔化时炉内进行高温保温，保温温度为1 550～1 570℃保温10min，打净炉内的渣子，从而净化铁水保证铁水的纯度。

(3)改进浇口杯，采用新形式的浇口杯，加入过滤网，利用这种形式的浇口杯，可以防止由于温度降低而形成的二次熔渣进入铸型内，避免铁水二次夹渣进入铸件内部。

(4)提高浇注温度,根据生产的实际情况及设备的最大功率,将浇注温度定为1 385℃～1 420℃，防止二次夹渣的产生。

(5)增设冒口,在排气管头部设置冒口，一方面起到集渣作用，另一方面为型腔的铁水提供静压力，具有补缩作用。把原来的封闭式浇注系统改为半封闭半开放式浇注系统，以保证铸件的型腔首先充满后，铁水再由过热浇道进入冒口，形成冒口过热。这样避免了铁水自内浇口及冒口同时充入铸件型腔，形成对流。

(6)铁水在进入浇注机前扒渣要彻底。减少由于球化反应出现的熔渣进行铸型内。

3.2 铸件脆性缺陷

3.2.1 硫和稀土的作用与分析

硫具有表面活性，它在铁水中具有以下作用：在石墨晶体表面上选择吸附，大大降低铁水，石墨(1010)晶面间的界面能；吸附在螺旋位错生长的台阶出口处，阻止了石墨球的螺旋位错方式，消耗球化剂，降低球化元素在铁水中的残留量；与镁、稀土反应生成大量硫化物，有加快球化衰退速度和生成夹渣、气孔等缺陷。当硫量大于0.025%时，严重影响铁水球化。

根据铸铁结晶理论，在一般熔炼条件下的非高纯铸铁中，石墨的形核主要为非均质形核，稀土、镁、钙、等与硫化合形成的硫化物可作为石墨的非均质核心，所以硫含量能增加石墨球数。另外硫还有降低铁液中石墨溶解度的作用。含硫量高将使铁液中预存的和孕育过程中因浓度、温度起伏产生的石墨结晶核保留较长的时间，着也有利于石墨球数的增加，从而能加快按铁——石墨凝固的速度，所以含硫量白口倾向减小。

少量稀土增加作为石墨结晶核心的稀土硫化物颗粒数，而增加石墨球数减少白口倾向；由于稀土又具有激冷倾向的元素，所以当稀土超过与硫结合所需要的量后，石墨球数反而减少，白口倾向增加，所以在一定的硫量下，存在一最佳的稀土量。当铁液含硫量高时，与硫反应平衡所需要的稀土量就要高一些，所以随原铁液含硫量增加，获得最多的石墨数和最少的碳化物所需要的稀土量也高一些。

硫及稀土对薄壁试样的石墨球数和碳化物影响显著，而对于厚壁试样影响不明显是由于石墨的形核率有冷却速度和可作为石墨结晶的异质核心时，冷却速度快，石墨形核数量多，石墨球数就多，因此，对于冷却速度快的薄壁处需要有更多的可作为石墨结晶核心的夹杂物。硫及稀土影响可作为石墨结晶核心的夹杂物数量，因而硫和稀土对薄壁处石墨球数的影响显著。相比之下，对于冷却速度慢一些的厚壁处，能作为石墨结晶核心的夹杂物数量少，表现出硫与稀土产生的大量夹杂物未起到石墨结晶核心的作用，而对石墨数的影响不大。生产薄壁铸态球墨铸铁时，保持原铁液中有一定的硫量对于防止白口是有益的。

稀土含量高时，又使碳化物增加；原铁水含硫量对稀土的作用有影响；使碳化物最少的稀土量随原铁水含硫量增加，且随原铁水含硫量的增加，稀土的作用减弱。一般认为，稀土与硫、氧等元素有很大的亲合力，在铁水中稀土与硫和氧结合形成稀土碳化物和稀土氧化物。稀土硫化物和稀土氧化物的悬浮于铁水中，在结晶时成为石墨的非均质核心，从而能增加石墨球数。少量稀土增加球铁中硫的残留量，也进一步说明稀土与硫结合成化合物，作为石墨结晶核心的可能性。由于稀土又是具有激冷倾向的元素，所以当稀土超过一定数量后石墨球数反而减少，碳化物含量增加。

当铁水含硫量高时，与其平衡所需要的稀土量就要高一些，所以随原铁水含硫量增加，获得最多的石墨球数和减少的碳化物所需要的稀土量也高一些，含硫量高时，碳化物数量也多，可作为石墨结晶异质核心的数

3.3 冒口处缩松缺陷

把原来的封闭式浇注系统改为半封闭半开放式浇注系统，以保证铸件的型腔首先充满后，铁水再由过热浇道进入冒口，形成冒口过热。这样避免了铁水自内浇口及冒口同时充入铸件型腔，形成对流，造成其它的铸造缺陷。 根据浇注系统的设计原则，把半开放式浇注系统的节流口(阻流截面)选择在横浇道与直浇道的接口，进行设计计算，保证浇注速度控制在8～12sec。选择横浇道、直浇道与内浇道截面积比为1.2:1:1.5；计算后实际选取它们的截面积分别为：408cm2、340cm2、510cm2, 从而避免了对流的形成及其它铸造缺陷的产生。并改进冒口颈的形状及冒口颈尺寸,减小接触热节,防止冒口颈处产生缩孔。

3.4 小结

(1)研究了原铁液中硫、稀土、镁对显微组织的影响，采用高镁合金包芯线进行喂线球化生产，铸件产生批量性的脆性断裂报废，断口为白色渗碳体，其根本原因是回炉料循环使用，造成回炉料的含硫量极低和稀土含量高而导致的。铸件中的稀土含量与含硫量的最佳比值为1～3，比值大于8时将造成铸件产生大量碳化物，直接导致铸件脆性断裂。实际生产中，炉内的含硫量可以控制为0.010%～0.025%，可以解决原铁水稀土含量为0.010%～0.050%的铸件白口及脆性断裂问题。

(2)针对排气管的夹渣缺陷，采取了相应的措施，得到了改进。

4 结语

通过上述试验研究可得出以下结论：

(1)通过对喂线法球化处理在工艺优化控制，提高了排气管类薄壁球铁件的质量，合格率达到了90%以上。解决了机加困难的问题及回炉料过剩问题。降低了生产成本，获得可观的经济效益。

(2)薄壁球铁件白口倾向还与原铁水的静止时间、孕育、芯线加入量、喂线速度、浇注时间有关。原铁水的静止时间超过10min采取炉中间歇增碳的方法；孕育采用了3次孕育的方式；最佳芯线加入量为每600kg铁水加入10-12m高镁合金包芯线；最佳喂线速度为12m/min；每包浇注时间小于8min。

(3)研究了原铁液中硫、稀土、镁对显微组织的影响，采用高镁合金包芯线进行喂线球化生产，铸件产生批量性的脆性断裂报废，断口为白色渗碳体，其根本原因是回炉料循环使用，造成回炉料的含硫量极低和稀土含量高而导致的。铸件中的稀土含量与含硫量的最佳比值为1～3，比值大于8时将造成铸件产生大量碳化物，直接导致铸件脆性断裂。实际生产中，炉内的含硫量可以控制为0.010%～0.025%，可以解决原铁水稀土含量为0.010%～0.050%的铸件白口及脆性断裂问题。

(4)通过优化工艺参数后，质量有较大的提高，综合质量水平均达到90%以上。