發(fā)動機蠕墨鑄鐵缸體缸蓋的鑄造技術

1、蠕墨鑄鐵缸體缸蓋是高性能大馬力的首選材質,在國際上已得到充分研究并開始大量應用, 全球每月約有 2 萬個缸體或缸蓋產品采用蠕墨鑄鐵制造(以每件平均重量為 50 kg 計 。在 乘用車方面,主要有奧迪、福特、克萊斯勒、沃爾沃、大眾、現(xiàn)代等公司在生產蠕墨鑄鐵缸 體產品,而在商用車方面 , 福特、現(xiàn)代、達夫、曼等汽車公司的缸體和缸蓋產品采用蠕墨鑄 鐵材料來制造。 目前國內生產蠕墨鑄鐵主要是采用傳統(tǒng)的沖入法處理, 穩(wěn)定性差, 而制約蠕 墨鑄鐵在汽車上大批量應用的主要原因恰恰是鑄件的蠕化率控制較為困難, 通常很難穩(wěn)定達 到 80%(國際標準以上。采用 SinterCast 小型蠕化處理系統(tǒng),以 6DL

2、發(fā)動機蠕墨鑄鐵缸體缸蓋為開發(fā)目標,在蠕化 率、 抗拉強度、 基體組織、 蠕化衰退、 鑄造工藝等方面進行了較為系統(tǒng)的研究與樣件開發(fā)工 作。1 單鑄試棒蠕化率調試與力學性能試驗1.1 主要的試驗流程采用 500 kg 中頻感應電爐,全廢鋼(打包料增碳熔煉方式,為保證蠕化處理效果,每爐 熔煉鐵液 500 kg 并進行蠕化處理。預處理劑采用普通球化劑,沖入法處理。預處理劑加入 量由小型系統(tǒng)根據(jù)鐵液分析的含硫量和鐵液重量給出相應的加入量,其上覆蓋鐵屑。預處理的鐵液經(jīng)打渣清理后, 蓋包, 運送至小型系統(tǒng)并進行取樣分析, 由小型系統(tǒng)根據(jù)預處 理鐵液的分析結果, 設備會給出相應的鎂絲和孕育絲加入量, 據(jù)此數(shù)值

3、, 由人工方法進行孕 育絲和鎂絲的加入, 完成整個蠕化處理過程。 通常由預處理至蠕化處理完畢, 所需時間一般 在 8 min左右。1.2 單鑄試棒的蠕化試驗效果共進行 8 爐次的鐵液蠕化試驗與缸體和試棒的澆注,從單鑄試棒的蠕化處理效果來看,所 有 8 爐次試棒的蠕化率為 90%和 95%,其中蠕化率為 95%的試棒占總數(shù)的 75%。當然對于 蠕化率來說,也存在不同的視場,蠕化率會有差異,但總體來說,基本可以穩(wěn)定在 90%,即完全達到目標的 80%蠕化率水平,效果還是非常理想的,圖 1 為試棒的蠕化處理效果。 石墨:蠕化率 95%100基體:85%珠光體 +鐵素體 100圖 1 單鑄試棒的金相組

4、織1.3 單鑄試棒的力學性能試驗伴隨試棒與缸體的蠕化和澆注試驗,同時進行了單鑄試棒的 RT400-1 和 RT450-1 兩個牌號 的試驗驗證工作。100524-1石墨:蠕化率 95% 100基體:10%珠光體 +鐵素體 100圖 2 試棒的蠕化率與基體組織在不加入合金的情況下, 在蠕化率達到 95%的基礎上, 基體組織基本為鐵素體基體, 試棒的 抗拉強度達到 RT300-2 的水平, 且伸長率遠超牌號要求, 這表示試棒的石墨形態(tài)非常良好, 石墨短而粗, 彎曲性好, 對基體的撕裂作用明顯降低。 但由于是鐵素體基體, 所以盡管強度 性能較高, 但硬度值較低, 這意味著該材料盡管加工性能很好, 但

5、耐磨性能和抗變形性能卻 可能存在問題,進而影響在汽車發(fā)動機缸體缸蓋上的應用。蠕墨鑄鐵的力學性能主要取決于基體組織和石墨形態(tài), 基體組織需要通過合金化控制來實現(xiàn), 而蠕化率的高低同樣會對蠕墨鑄鐵力學性能產生重要影響。 因此蠕化率必須達到 80%才會對 性能的穩(wěn)定產生合理的影響。試驗采用 Cu-Sn 二元合金化來進行, 所有的試驗中要求 3.6%3.7% C, 1.9%2.0% Si。 表 3 為 不同成分和蠕化率下的試棒力學性能。從表 3可以看出, 采用 Cu-Sn 二元合金化可以實現(xiàn)蠕墨鑄鐵各個牌號的生產并達到性能要求。 但同時需要注意的是, 當在較高合金化狀態(tài)下, 試棒以及鑄件均易出現(xiàn)碳化物

6、組織, 尤其當 鎂指數(shù)偏高的狀態(tài)下,球化傾向增加,當 Cu 達到 1%和 Sn 達到 0.1%時,產生碳化物的可 能性很大。1.4 蠕化衰退試驗在進行單鑄試棒澆注試驗中, 分時間階段進行了蠕化澆注衰退的試驗, 試驗方案與結果如表 4。從測試的蠕化率來看,在蠕化后的 8 min 內澆注的試棒蠕化效果均為 95%,但如果從抗 拉強度來看,隨著時間的推移,強度降低,這可能的原因就是石墨在進行衰退過程。2 缸體的樣件澆注與分析將 6DL 發(fā)動機 59D 缸體和缸蓋樣件開發(fā)作為本次研究的對象。2.1 59D 缸體的澆注試驗與分析59D 缸體是借用一鑄廠的模具進行造型,并使用一鑄廠的現(xiàn)有砂芯進行組裝而成,

7、由于時 間的問題, 僅進行了兩輪次的試驗。 試驗將原有孔隙較小的過濾網(wǎng)改為試驗用的 2.2 mmx20 mm 較大尺寸的過濾網(wǎng),其他澆注系統(tǒng)未進行改動。 59D 缸體第一件的澆注試驗,出爐溫 度 1540,澆注溫度 1410,澆注時間為 52 s ,缸體正體成形較好,但有一處分析為冷隔 缺陷, 鑒于此, 又進行 1 輪澆注試驗, 試圖通過提高澆注溫度和快速澆注來改變充型狀態(tài), 實際的出爐溫度 1553,澆注溫度 1416,澆注時間為 49 s ,但該件缸體卻未能成形。對 第一件 59D 缸體進行了解剖分析,按規(guī)定在缸蓋螺栓加厚部位和主軸承蓋螺栓加厚部位進 行了本體試棒的切取(見圖 3 ,本體取

8、樣位置與試棒的力學性能見表 5 和圖 4。圖 3 缸體本體取樣位置圖 4 本體金相組織本體取樣位置的試樣力學性能達到規(guī)定的 RT400-1 牌號要求,強度為 HT300 牌號該處試樣 力學性能的 170%。同時檢測的蠕化率也達到 80%以上,滿足要求。但照片顯示蠕化率相對 較低,由于該處為厚壁部位,通常蠕化率應較高,顯示蠕化的不均勻性尚且存在。2.2 59D 缸體的全解剖檢測與階梯試棒澆注試驗對澆注的 59D 缸體僅進行了全解剖檢測,按規(guī)定解剖部位進行全面切割,切割的缸體斷面 良好,無縮松等缺陷的產生,如圖 5 所示。對第二、三缸筒間的缸壁由上至下切取缸筒斷 面不同位置與壁厚處進行蠕化率檢測,

9、共檢測 8 處,內部解剖與取樣位置如圖 6所示。各 位置的壁厚與蠕化率、組織如表 6所示。各取樣位置的蠕化率照片如圖 7所示。圖 5 缸體剖面圖片圖 6 缸體剖面不同取樣位置示意圖圖 7 缸體不同位置蠕化率照片從以上本體解剖的圖樣來看,由于第 5 個試樣處壁厚較薄,蠕化率為 75%(從這里也可以 看出壁厚對蠕化率存在較大影響 ,其余均在 80%以上,缸體整體蠕化狀況較好。通過上面的試驗, 我們認為缸體的蠕化率和性能控制問題已基本解決, 而相對于灰鑄鐵略低 的流動性能可能會繼續(xù)導致缸體成形困難(實際在缸體樣件的澆注過程中也發(fā)生了類似情 況 。主要采取的工藝措施還是通過置換孔隙率較大的過濾網(wǎng)并適當

10、的增加過濾網(wǎng)的通過面 積,以及適當提高澆注溫度兩個方法來實現(xiàn)缸體的良好成形性。試驗共澆注缸體樣件 6 型,牌號為 RT450-1,力學性能均合格。由于一鑄廠生產對模具的需 求, 同時為滿足需求的樣件數(shù), 限于條件因素, 未能進一步對澆注系統(tǒng)進行大的改動。 澆注 的缸體樣件如圖 8。圖 8 6DL發(fā)動機 59D 缸體樣件圖片2.3 階梯試樣的澆注試驗采用不同壁厚的階梯試樣進行蠕化率測試試驗,以找出壁厚與冷卻速度對蠕化效果的影響, 理論上, 壁厚越小, 過冷越大, 形成石墨球的傾向性會越大, 這里主要通過壁厚的變化找出 產生蠕化率變化的壁厚臨界值, 當然, 這一臨界值受其他因素影響而變化。 本次試驗的主要 壁厚與試驗結果如表 7,蠕化率圖片見圖 9。圖 9 階梯試樣不同壁厚位置的蠕化率照片階梯試樣由于冷卻較快,通常蠕化控制較為困難,但通過試驗發(fā)現(xiàn),在壁厚達到 11mm 及 以上時,其蠕化率仍然保持在 90%,但當壁厚降低到 7 mm 時,蠕化率明顯降低,由 90%降低到 80%,這對缸體薄壁部位及排氣管蠕鐵鑄件生產會有指導意義。3 59D 缸蓋樣件的開發(fā)試驗通過與汽研的交流, 6DL 缸蓋產品與缸體相比, 在市場上更易于失效, 汽研也更傾向于首先 進行蠕鐵缸蓋的開發(fā)。 所以我們同時也開展了缸蓋產品的試驗開發(fā), 選擇的對象是與試驗的 59D 缸體配套的 59D