280柴油机铸态主轴承盖的研制*

张松杨， 邓晓金， 王建荣， 张　杰

(中国南车戚墅堰机车股份有限公司， 江苏常州 213011)



280柴油机铸态主轴承盖的研制*

张松杨， 邓晓金， 王建荣， 张杰

(中国南车戚墅堰机车股份有限公司， 江苏常州 213011)

介绍了280柴油机铸态主轴承盖的研制。重点描叙了铸态主轴承盖的方案设计、检测和验证过程。验证结果表明：通过化学成分的调整、选择合适的球化剂和孕育剂，可以生产出满足柴油机设计要求的280柴油机铸态主轴承盖，取代正火热处理生产的280柴油机主轴承盖。

柴油机; 主轴承盖; 铸态

280柴油机从设计之初，主轴承盖材料就是选用球墨铸铁(QT600-3)，技术文件明确规定主轴承盖热处理(正火)后的机械性能，如表1：

表1　热处理(正火)后主轴承盖的力学性能

该主轴承盖铸件浇注后经正火热处理，出炉后快速冷却(吹风冷却)，并经再次去应力退火热处理；为防止石墨漂浮，在铁水熔炼时加入了钼等贵重合金。该工艺过程铸造周期长、生产成本和能源消耗高。主轴承盖正火的目的是为了提高球墨铸铁基体组织中的珠光体含量，以提高其强度和耐磨性，但在快速冷却过程中，由于冷却的不均匀性，也会造成组织和性能的不良变化。

鉴于正火工艺生产的主轴承盖存在上述的特点，随着铸造工艺的水平提高和柴油机零部件设计水平及运用经验的提升，提出了铸态主轴承盖在280柴油机上的运用。

1　铸态主轴承盖研制的方案设计和步骤

铸态主轴承盖的研制，首先是研制方案的制定。在充分收集资料的基础上、对现有工艺进行总结，并分析了引进柴油机的铸态主轴承盖工艺特点，明确了研制方案为：在铸件的化学成分上进行调整、加入一定含量的铜，选用专用球化剂和孕育剂来进行铸造工艺的优化；然后进行铸件的各种性能参数的选择，并装机考核。下面分类描述相关各点的设计。

1.1化学成分的选择

球墨铸铁材料的化学成分一般不作为材料的验收依据，却是铸件材料及各项性能的根本和基础。对于铸态主轴承盖，首先对球墨铸铁(QT600-3)中的碳、硅、锰等化学成分进行了调整，并且添加了0.4%～0.5%的铜，用于稳定和细化珠光体。

1.2球化工艺的改进

主轴承盖铸件断面较厚大，铸件凝固时间较长，铸件易产生碎块状石墨和石墨漂浮等缺陷，为此选用钇基重稀土镁作为球化剂。它是一种新型复合球化剂，它含有镁、轻稀土和重稀土；除具有轻稀土镁球化剂性能外，还具有以下性能：

(1) 球化能力强;

(2) 抗球化衰退能力强;

(3) 脱硫能力强;

(4) 过冷度和白口倾向比镁大比铈小;

(5) 改善球铁韧性。

球化剂采用冲入法工艺，球化剂加入量1.3%～1.5%。

主轴承盖孕育处理选用含有钡等元素的复合孕育剂，这种孕育剂具有增加石墨球数、提高石墨圆整度和球化级别及抗衰退时间长等特性。孕育工艺为：球化处理后使用进行一次孕育，加入量一般在0.5%～0.7%之间，浇注时进行浇口杯瞬时孕育方式，这样能缩短孕育至凝固时间，最大程度地保证孕育效果，得到细小圆整的石墨球。

1.3力学性能的确定

铸件的力学性能是评价一个铸件质量的关键指标，也是铸件验收的主要依据。280柴油机主轴承盖取消正火工序后，对力学性能的取值，仍按GB/T 1348的要求制定浇铸试样的力学性能指标。同时为进一步的控制内在质量，增加内部指定区域(关键区域)的力学性能要求(见图1)。

图1　内部指定区域为图中阴影部分

1.4金相组织

正火工艺的主轴承盖，原技术文件规定了金相组织的要求：珠光体数量在70%以上，石墨形态以球化和团状为主，允许有少量点状石墨存在，球化率在4级以上，允许不连续分布渗碳体不超过1%，磷共晶不超过1%。

通过资料的收集和现场工艺的分析，对于铸态主轴承盖，应加强对金相组织的检查。国外机型的球墨铸铁主轴承盖基本按照标准EN 1563《铸造球墨铸铁》执行，EN 1563规定石墨形态按EN ISO945:1994中的形态

表2　单独浇铸试样的力学性能

表3　指定区域的力学性能

Ⅴ和Ⅵ。该标准与GB/T 9441《球墨铸铁金相检验》等效。其检测的项点初步拟定为：

表4　金相组织的要求

2　铸态主轴承盖的试制过程

2011年5月浇铸了一批280A型和R280型柴油机铸态主轴承盖，对这批主轴承盖，分别进行了化学成分、力学性能、金相组织、无损检查(含射线照相、超声检查和磁粉探伤)等全面检测，并于2012年3月完成与机体的配对加工和加工性能的评价。下面分别介绍铸态主轴承盖的各项检测的内容。

2.1化学成分

2.2力学性能

表5　部分试样的化学成分

表6　部分试样的力学性能

2.3金相

表7　部分试样的金相检查

2.4无损检测

铸态主轴承盖铸件的无损检测项是依据280柴油机的技术文件和引进机型的相关技术文件来确定的。检测包含了射线检查、超声波检查和磁粉探伤；形成了对主轴承盖的表面、浅层到内部的完整检测，可以综合全面地对主轴承盖的缺陷情况进行系统的评判。由于无损检测的标准中对球墨铸铁的射线检查和磁粉探伤无专用标准，而QT600-3的很多特征与铸钢的性能接近，故选用部分铸钢标准来执行。

图2　试样的石墨形态和基体组织图

(1) 射线检查

射线检查按ASTM E1030《金属铸件射线检查的标准试样方法》执行，底片按美国标准ASTM446-2005《厚壁铸钢件(≥2 in)标准参考射线底片》、E186-2005《铸钢件(≤2 in)标准参考底片》评片。与力学性能要求相对应，关键区域为Ⅰ级，其他区域为Ⅱ级或Ⅲ级。

(2) 超声波检查

超声波检测按标准EN 12680-3《铸件-超声波探

伤-第3部分：球墨铸铁铸件》的规定进行探伤，采用多次底波、B4:80%

(3) 磁粉探伤

铸件磁粉检测应符合GB/T 9444-2007《铸钢件磁粉检测》规定的质量等级1级要求。

图3　R280铸态主轴承盖射线检查

2.5机体的加工配对

2012年5月16V280柴油机机体1451号机体使用试制的铸态球墨铸铁主轴承盖，机体加工后，对各个安装孔进行测量，孔径尺寸均匀，尺寸公差值基本在公差的中间带、状态良好。各形位公差尺寸满足设计要求，机体关键的主轴承孔同轴度尺寸见表8。机加工表明铸态球墨铸铁主轴承盖的加工性能良好。

表8　1451号16V280柴油机机体同轴度测量

3　铸态主轴承盖的型式试验

主轴承盖的正火热处理工序的取消，改为铸态主轴承盖，应属设计和工艺的重要改进，需进行相关的验证试验和考核。全部使用铸态主轴承盖的1451号机体于2012年5月装于1202号16V280ZJA型柴油机上，并装于机车上在机务部门使用。使用两年多来状态良好。R280铸态球墨铸铁主轴承盖多台装车并随R12V280柴油机进行型式试验。R280系列柴油机比280A型柴油机的强化程度要高，最高爆发压力：15.5 MPa，有效压力：1.91 MPa(280A型柴油机的最高爆发压力：13.5 MPa,平均有效压力：1.65 MPa),因此，R280柴油机主轴承盖的负荷和工作条件比280A柴油机要严酷得多。柴油机于2012年10月依据TB/T 2744中规定进行了100 h性能和360 h耐久性型式试验。试验数据表明，铸态主轴承盖的刚度和强度完全满足柴油机对主轴承盖的要求。

4　结　论

以上是280A型和R280柴油机铸态主轴承的研制过程及各项检测数据的简述。与280系列柴油机正火主轴承盖的各项数据比较，主要差异表现在金相组织和力学性能上(见表9)。GB/T 1348对QT600-3的化学成分没有明确的规定，这里不作比较。

表9　280柴油机铸态主轴承盖和正火主轴承盖对比

从表9可以看出，各类主轴承盖的检测数据均符合GB/T 1348《球墨铸铁件》的规定，只是虽然正火主轴承盖的抗拉强度和硬度均高于铸态主轴承盖，但铸态主轴承盖的硬度均匀性大大好于正火处理主轴承(见图4)。

图4　主轴承盖(正火和铸态)硬度分布

综述280柴油机铸态主轴承盖的研制过程，铸态主轴承盖的强度刚度和可靠性均满足280柴油机对主轴承盖的要求，且机体加工时，未现280柴油机铸态主轴承盖的加工难点，机体测量的各项数据良好。因此，从理论和实际情况上来看，280系列柴油机使用铸态主轴承盖是可行的。但从多年来的柴油机设计和运用情况来分析，大批量铸态主轴承盖的生产，生产工艺还需要有一个拟合过程。铸态主轴承盖的生产，取消了280柴油机传统主轴承盖的正火工序，从生产成本和能源消耗

来说，也有一定降低；但工艺过程的稳定性、产品的质量控制还需进一步的探索。

[1]GB/T 1348-2009. 球墨铸铁件[S].

[2]EN 1563-1997. 铸造球墨铸铁[S].

[3]EN ISO 945-1994. 评定铸铁件中石墨纤维组织的标准方法[S].

[4]GB/T 944-2009. 球墨铸铁金相检验[S].

[5]ASTM E1030-2005. 金属铸件射线检查的标准试样方法[S].

[6]ASTM 446-2005. 厚壁铸钢件标准参考射线底片[S].

[7]EN 186-2005. 铸钢件≤ 2 in标准参考底片[S].

[8]EN 12680-3-2003. 铸件-超声波探伤-第3部分：球墨铸铁件[S].

[9]GB/T 9444-2007. 铸钢件磁粉检测[S].

[10]TB/T 2744-2002. 动力装置用柴油机认证方法[S].

Development os As-cast Main Bearing Cap for 280 Diesel Engine

ZHANGSongyang,DINGXiaojin,WANGJianrong,ZHANGJie

(CRRC Qishuyan Co., Ltd., Changzhou 213011 Jiangsu, China)

This paper introduces the development of the as-cast main bearing cap for 280 diesel engines, mainly including the conceptual design, inspect and validation process. The verification results show that by adjusting the chemical composition and choosing the proper nodularizer and inoculant, we can produce the as-cast main bearing cap which can meet the design requirements of 280 diesel engines and can replace the main bearing cap produced by using normalizing treatment.

diesel engine; main bearing cap; as-cast

1008-7842 (2016) 02-0049-04

��)男，教授级高级工程师(

2015-08-31)

U262.11

Adoi:10.3969/j.issn.1008-7842.2016.02.11

*第十九届全国大功率柴油机学术年会论文