（材料加工工程专业论文）rds天然气压缩机气缸体的材质和铸造工艺研究.pdf

华中科技大学硕士学位论文 摘要 丁一肇j 7 7e 尸占妒 r d s ( r e c i p r o c a t i n gd u p l i c a t es y s t e m ) 天然气压缩机组是美国德莱赛兰公 司开发的系列压缩机组，具有高效、节能、运行可靠、自动化程度高等优点， 国外天然气输送管路中大量采用这种压缩机。我国从二十世纪八十年代中期引 进该机组，并实施国产化。气缸体是该机组中关键的承压件，其结构复杂，具 有气层与水层相隔的双层结构，主体壁厚3 0 6 0 m m ，气缸体系列的铸件重量从 1 吨到1 6 吨。要求中5 0 m m 单铸试棒ob 2 8 0 m p a ，气道最大水压试验压力2 7 m p a ，水道试验压力为0 8 m p a 。在国产化过程中，气缸体存在强度不稳定，水 压试验时渗漏的问题。 课题分析了气缸体渗漏的原因，探讨了合金元素c u 、c r 、m o ，孕育剂的 种类，孕育工艺对高强度灰铸铁气缸体组织和性能的影响，结果表明，对化学 成分为2 9 3 2 c 、1 8 2 1 s i 、0 6 o 9 m n 、0 0 5 0 0 7 s 的灰铸铁， 采用0 2 0 4 c r 、0 4 0 5 m o 、0 8 1 o c u 合金化及r e 系复合孕育剂孕 育，0 5 0 m m 的单铸试棒的抗拉强度ob 2 8 0 m p a ，且材料的强度稳定性提高了。 将此工艺应用于生产进行小批量试验，生产的气缸体渗漏缺陷大幅下降，成品 率达到8 7 5 ，气缸体的质量达到了美国德莱赛兰公司的材质水平厂 本研究首次用高强度蠕墨铸铁制造r d s 压缩机气缸体，以提高气缸体的综 合性能，降低渗漏缺陷。通过实验室研究开发了r e m g 蠕化剂，该蠕化剂比常用 的m g t i 蠕化剂具有加入量少，反应平稳，吸收率高，不易衰退的特点，处理 的蠕铁组织中石墨形态好，珠光体含量高，在低合金化下，可获得蠕化率 c g 8 5 ，抗拉强度0h ) 4 2 0 m p a 的气缸体铸件。 蠕墨铸铁气缸体的综合性能优于合金灰铸铁气缸体，压缩机整机性能提 高，是技术上的一大进步，为r d s 天然气压缩机的升级换代奠定了基础。 关键词：天然气压缩机气缸体渗漏合金灰铸铁蠕墨铸铁 华中科技大学硕士学位论文 a b s t r a c t r d s ( r e c i p r o c a t i n gd u p l i c a t es y s t e m ) s e r i e so fn a t u r eg a sc o m p r e s s o r s d e s i g n e d a n d m a n u f a c t u r e d b y d r e s s e r r a n dc o l t d u s aa r e w i d e l y a p p l i e d i nl h ef i e l do f p i p e l i n et r a n s p o r t a t i o n o fn a t u r e g a s ，w h i c h a r e c h a r a c t e r i z e d b yh i g h e f f i c i e n c y ，e n e r g y - s a v i n g ，h i g h - r e l i a b i l i t y a n d a u t o m a t i o n i ti sj n t r o d u c e di n t oc h i n e s en a t u r e g a si n d u s t r ys i n c em i d d l e 19 8 0 s a sak e yb e a r i n gp r e s s u r es u b a s s e m b l y p a r t ，t h es e r i a lc y l i n d e r sw e i g h 1l o1 6t o n i ti sc o m p o s e do fc o m p l i c a t e dd o u b l e 1 a y e rw a l lw i t h3 0 - 6 0 m m i n w h i c hf h ew a t e r - l a y e rw a l im u s lb e a r2 7 m p a h y d r a u l i cp r e s s u r el e s t a n d g a s 1 a y e rw a l lf o ro 8 m p a t h el e n s i l es t r e n g t ho f 巾5 0 m ms p e c i m e nm u s tb e o v e r2 8 0 m p a h o w e v e r 1 h el o ws t r e n g t h c o n s i s t e n c y a n ds e r i o u s l e a k a g e d e f e c t so nt h ec y l i n d e r se x i s td u r i n gt r i aj p r o d u c t i o n t h e p a p e ra n a l y z e sl h er e a s o n s w h i c hc a u s e i e a k a g e a n dd i s c u s s e sl h e e f f e c to fc h e m i c a l c o m p o s i t i o ns p e c i a l l ya l l o y i n g e l e m e n t c r ，m o ，c u ， i n o c u l a n t s l r e a t m e n lm e t h o do ns t r u c t u r ea n d p r o p e r t i e s o f g r e y i r o n c y l i n d e r t h er e s u l t ss h o wi h a t 。o nc o n d i t i o nl h a ll h eb a s i cm e l lj n c o n t e n lo f 2 9 - 3 2 c ，1 8 - 2 1 s i ，0 6 - 0 9 m n ，0 0 5 - 0 0 7 sa l l o y e db yo 2 - 0 4 c r ，0 4 - 0 5 m o ，0 8 - 1 0 c u ，a n di n o c u l a t e dw i t hm u l t i p l er ei n o c u l a n t s ， l h el e n s i l e s t r e n g t h o f 中5 0 m ms p e c i m e nl so v e r2 8 0 m p a 。t h es t r e n g t h c o n s i s t e n c yi si r e p r o v e d as m a l ib a t c hp r o d u c t i v ee x p e r i m e n td e m o n s t r a t e s t h a tt h er a t eo fl e a k a g ec y l i n d e r sf a l l sg r e a t l y t h er a t eo fs o u n dc y l i n d e r si s u p t o8 7 5 t h em a t e r i a io f c y l i n d e r i s e q u a i t om a t e f i a io fd r e s s e r r a n d c o l t d u s a t h er e s e a r c h e sb r i n gf o r w a r df i r s t l yan e ws o l u t i o nl h a ll a k e sa d v a n t a g e o fv e r m i c u l a r g r a p h i t e i r o n1 0m a k e c y l i n d e r l o i m p r o v ec y l i n d e r c o m p r e h e n s i v ep r o p e r t i e s ，a n d e l i m i n a t ec o m p l e t e l yt h ei e a k a g ed e f e c t s a s p e c i e so fr e m gm o d i f i e ri sd e v e l o p e di nl a b o r a t o r y i th a sas e r i a ie x c e l l e n c e o fl o wa d d i n gc o n t e n t ，m i l d e rr e a c t i v i t y ，h i g h e ra b s o r p t i v i t y ，l o n g e rf a d i n gt i m e c o m p a r e dw i t hm g t im o d i f i e rw i d e l yu s e dl nm o s l o ff a c t o r i e s t h es t r u c t u r eo f v e r m i c u l a rg r a p h i t et r e a t e dw i t ht h i sm o d i f i e rh a sg o o dg r a p h i t e m o r p h o l o g y ， h 华中科技大学硕士学位论文 a n dh i g hc o n t e n to fp e a r l i t e t h em o d i f i e rc a no b t a i nv e r m i c u l a rg r a p h i t ei r o n w h i c he x h i b i ta c c e p t a b l eg r a p h i t es t r u c t u r eo fo v e r8 5 v e r m i c u l a rg r a p h i t e b ya d d i n gas m a l lq u a n t i t y o fa l l o y i n ge l e m e n t s 。a n dt h et e n s i l es t r e n g t ho f s p e c i m e ne x c e e d s4 2 0 m p a t h ec o m p r e h e n s i v ep r o p e r t i e s o fv e r r n i c u l a rg r a p h i t ei r o nc y l i n d e r i s p r i o rt ot h a to fa l l o y i n gg r e yi r o nc y l i n d e r ，a n da l lp r o p e r t i e so fr d s n a t u r eg a s c o m p r e s s o r a r e i m p r o v e d t e c h n i c a ip r o g r e s s j so b v i o u s 。a n da g o o d f o u n d a t i o ni se s t a b l i s h e df o ru p g r a d eo fr d s n a t u r eg a sc o m p r e s s o r k e y w o r d s ：n a t u r eg a sc o m p r e s s o r ，c y l i n d e r ，l e a k a g e ，a l l o y i n gg r e yi r o n v e r m i c u l a rg r a p h i t ei r o n 一一 n i 华中科技大学硕士学位论文 1绪论 r d s ( r e c i p r o c a t i n gd u p l i c a t es y s t e m ) 天然气压缩机组是美国德莱赛兰公 司开发研制的大型压缩机组，主要用于油田天然气的压缩和管道增压，该机组 具有节能、高效、运行可靠、自动化程度高等特点，单台整机售价3 0 1 0 0 万 美元。二十世纪八十年代中期，国家计划投资引进，指定江汉石油管理局第三 机械厂组织实施该机组的国产化，至目前，不断改进的国产r d s 压缩机组是国 内唯一能与国外同类机组竞争的产品。随着谣部大型油气田的开发和国家重点 工程西气东送而需大量该种压缩机组，国产化迫切，但该机组的关键压缩部件 气缸体的铸件国产化在技术上遇到了很大困难。该种气缸体的材质为合金灰铸 铁，具有气层与水层相隔的双层结构，主体壁厚在3 0 6 0 m m 之间，不同品种气 缸体的铸件重量从1 吨到1 6 吨，要求中5 0 m m 单铸试棒ob 2 8 0 m p a ，气道最 大水压试验压力为2 7m p a ( 2 7 0 a r m ) ，不得有渗漏，国产化过程中，气缸体在 水压试验和抗拉强度两方面难以达到要求，主要表现为水压试验严重渗漏和强 度不稳定。气缸体的高废品率直接影响了机组的装机进程，延误了合同，而且 增加了整机的成本，降低了市场竞争力。另外，随着用户对增压要求的提高， 原美国德莱赛兰公司设计的材质在强度性能上已经不能满足要求，急需开发更 高档次的新材质气缸体以满足产品升级换代的需要。 基于上述的生产和产品开发上的需求，本研究把气缸体的材质作为选题， 从二个方面开展研究，一是对合金灰铸铁展开较深入地研究，稳定气缸体材质 的强度，消除气缸体的渗漏缺陷，达到德莱赛兰公司设计的技术要求，二是开 发适合于大型厚壁气缸体铸件的蠕墨铸铁生产工艺，满足设计上大幅提高压缩 机增压能力的需求，增压水平超过美国同类机组，提升产品竞争力。 1 1 美国德莱赛兰公司的气缸体的材质成分及技术要求 1 1 1 材质成分 气缸体的材质为合金灰铸铁，推荐的化学成分如表1 所示： 表1气缸体的化学成分( ) l 元素 cs im npss nm 0 f 含量 3 2 - 3 41 6 1 8 0 9 0 0 6 5 0 1 20 0 6 - 0 i0 2 5 - 0 3 5 华中科技大学硕士学位论文 1 12 技术要求 ( 1 ) 抗拉强度：中5 0 m m 单铸试棒的oh 2 8 0 m p a 。 ( 2 ) 硬度：气缸体工作面的硬度为h b 2 4 1 2 8 4 ，同工作面的硬度差小 于3 0 个单位。 ( 3 ) 金相组织：石墨为片状a 型石墨，基体组织中珠光体含量大于9 5 ， 铁素体和碳化物小于3 ，磷共晶小于2 。 ( 4 ) 气缸体装机前要进行水压试验，试验压力为工作压力的2 2 倍，气 缸体系列的气道最大试验压力为2 7 o m p a ，水道试验压力均相同，为0 8m p a ， 保压3 0 分钟不得渗漏。 1 2 气缸体国产化现状分析 根据r d s 压缩机组技术引进的总体要求，国产机组必须达到德莱赛兰公司 同类机组的水平，因此在气缸体的国产化过程中，其技术要求采用美国德莱赛 兰公司制定的标准。 1 2 1 气缸体的化学成分 由于原材料以及熔炼条件不一样，国产气缸体的化学成分与德莱赛兰公司 推荐的化学成分不一致。国产气缸体的设计化学成分见表2 。 表2国产气缸体的化学成分( ) l 元素 cs im np sc rm o l 含量2 9 - 3 21 7 1 90 9 - 1 1 0 时，共晶凝固过程是一个体积膨胀过程，有利于减少缩松； 当 kv 0 时，共晶凝固过程是一个体积收缩过程，易于产生缩松。增加碳含量， 强化孕育以最大限度地析出石墨，增大石墨膨胀量，同时选用在奥氏体中有较 大固溶度的大原子合金元素使奥氏体转变由通常情况下的收缩变为膨胀，可以 查堕丝尘塾塑坠堕坠： 一一 华中科技大学硕士学位论文 _ o ! ! ! o o ! ! ! o ! ! ! ! ! ! ! ! ! i ! i i ! _ _ _ _ _ - _ _ - _ - _ _ _ _ _ - _ _ - _ _ i _ _ _ _ _ - _ _ _ _ _ _ _ - _ _ _ _ _ - - _ m n ，s 都是反石墨化元素，两者的含量如果合理配合，则又有增加异质 生核，增强石墨化的作用。这是因为m n 与s 可以结合生成熔点在1 6 0 0 以上 的m n s ，成为异质生核的核心，两者之间含量的配合关系为旧3 ： m n = 1 7 3 s + 0 3 ( s 0 2 )( 7 ) 过量的m n 会造成白口增加，但如果有良好的孕育，可减少m n 的白口倾向，相 反，增加的m n 量还可以增加和细化珠光体，一般在1 0 以下。s 在灰铸铁的 孕育处理中有非常重要的作用，低硫原铁水孕育效果差，适当高的硫含量有利 于孕育。合适的硫含量为0 0 3 5 0 1 1 3 2 合金元素对组织和性能的影响 灰铸铁的合金化是提高其力学性能和使用性能的重要途径。灰铸铁气缸体 的主要合金元素为c u 、c r 、m o 、s n 。它们在材质中所起的作用如下： c u 可以促进共晶阶段的石墨化，能力为s j 的五分之一，同时降低共析 转变的临界温度，细化并增加珠光体。一般用量不超过1 0 。 c r 有较强的反石墨化作用，增加白口倾向，共析转变时增加珠光体。常 用量小于0 6 。 m o 碳化物形成元素，主要作用是细化珠光体，对石墨亦有微弱的细化 作用。常用量小于o 6 。 c u 、c r 、m o 对强度和硬度的影响如图5 。“。 5 0 0 4 5 0 皇4 0 0 量3 5 0 莛3 0 0 2 5 0 2 0 0 0o 511 522 5 3 台金元素加入鼙( ) 图5合金元素对强度和硬度的影响 3 0 0 2 5 0 2 0 0 暑 警 1 0 0 5 0 华中科技大学硕士学位论文 i i 单一合金元素虽然能起到一定的作用，但不如两种和几种合金元素配合使 用的效果好。配合使用，一方面有益的作用可以相互叠加，得到增强，另一方 面，还可以避免单一元素加入过量的危险。例如，c u 和c r 配合使用，强度可 以比使用单合金元素c u 或c r 进一步提高，同时c u 的石墨化作用可以防止 过量c r 的碳化物生成，c u 与m o 配合使用，c u 降低热导率而m o 提高热导率， 有利于保持灰铸铁的高导热性。 1 3 3 灰铸铁用孕育剂及孕育处理工艺 ( 1 ) 孕育剂 孕育处理是获得高强度灰铸铁的不可或缺的炉前处理环节，孕育处理的目 的是促进石墨化，减少或消除白口，改善石墨形态及分布，促进a 型石墨，改 善奥氏体枝晶的形态和分布，细化共晶团，减少偏析，使组织细化，减少或消 除组织中的铁素体，匀化细化珠光体组织，提高强度，调整硬度，改善切削性 能，减少铸造应力和断面敏感性。过度孕育增加铁水的缩松倾向，如果碳当量 本来就比较高，若施以过量孕育则反使石墨变得粗大而降低机械性能。一般来 说，低碳当量的铁水孕育效果才比较好，在实际生产中应防止过量孕育【4 。】。 国内孕育剂的研究和生产应用是在上世纪八十年代以后才发展起来，结束 了单一7 5 f e s i 孕育剂几十年一贯制的历史，并在国外研究成果的基础上，发 展了门类齐全的孕育剂系列。如硅铁孕育剂，硅钡孕育剂，含s r 硅铁孕育剂， 稀土孕育剂以及复合孕育剂。各种孕育剂的特点如下： 硅铁孕育剂：分为4 5 f e s i ，7 5 f e s i ，8 5 f e s i ，最常用的是7 5 f e s i 。墨化 孕育剂，它的石墨化能力，减白口能力和断面敏感性适中，最大的缺点就是孕 育效果持续时间短，一般只有五分钟左右。 硅钡孕育剂：墨化孕育剂，易获得a 型石墨，细化共晶团组织及较高的 力学性能。最突出的特点有较强的抗衰退能力。孕育剂中含2 3 b a 时，孕 育衰退时间最长。 含锶硅铁孕育剂：墨化孕育剂，极强的石墨化能力，减自口效果非常显 著，能使3 m m 左右的铸件消除白口，它还有较好的抗衰退能力。最大特点是不 明显增加共晶团数量，孕育后铸铁缩松倾向小，特适合于薄壁缸体类铸件。 稀土孕育剂：墨化孕育剂。具有较强的石墨化能力和减白口能力，但因 其用量与原铁水的含碳量和含硫量有较强的关系，如果用量超过某一额定值， 0 华中科技大学硕士学位论文 反而会产生大量碳化物，增加白口倾向，所以稀土的孕育效果具有双重性。稀 土孕育剂的最显著特点就是高效长效，且用量少。 复合孕育剂：是指那些用墨化元素或稳定化元素与阻碍共晶团( 石墨) 生 长的元素( 表面活性元素) 相配合而发展的一种新型孕育剂。这类孕育剂既加 强石墨的形核又十分注意控制其生长，从形核和生长两方面充分发挥孕育的作 用。目前比较前沿的研究是含b a 稀土复合孕育剂，适用于球铁孕育，含b i 钙 锰硅复合孕育剂即c m s b 孕育剂，适合于灰铸铁孕育，具有使共晶团明显细化 的作用，故可显著地提高铸铁的力学性能，同时，具有降低白口倾向，匀化铸 件薄厚壁的硬度，减少铸件应力，提高弹性模量，增强抗衰退能力等特点。一 般可使材质的牌号提高一个等级川 。 ( 2 ) 孕育处理工艺 孕育处理方法对孕育效果有直接的影响。目前国内外还没有出现更新的孕 育处理工艺，但在孕育的控制方面对某些传统的工艺作了很大的改进。 a 包内孕育法。该法应用比较多的是随出铁槽铁液孕育。 b 随流孕育法憎。应用于二次孕育。国内工厂多是人工控制漏斗加入孕 育剂粉粒，加入量不稳定，均匀性差。美国有些公司如g r e d e c o ，r e e d sb u r g ， p a 等对这一工艺进行了改进，设计两根吹管对称地置于铁液流的两侧，用压 缩空气同时将孕育剂粉粒吹向浇入铸件的铁液流，此改进有利于孕育剂粉粒均 匀分布，用量易于控制。 c 喂丝法旧3 。美国发展的新孕育法。需要专门的喂丝装置。具有定量准 确，加入量少的优点，但是制丝成本高。 d 型内孕育法 9 3 o 此法要和型内过滤网配合使用，通常是孕育剂放在过 滤网上面，铁液流经时孕育剂均匀分布其中。此法能够最有效的避免孕育衰退， 孕育效果良好。 本研究鉴于工厂实际，采用出铁槽一次孕育与随流二次孕育相结合的孕育 办法。 根据以上的概述，对现有合金灰铸铁气缸体的生产工艺必须从化学成分， 合金化元素和孕育处理三个方面进行优化研究。原先的合金化元素c r ，m o 均 为碳化物形成元素，有必要减少其含量，同时增加具有墨化作用又能稳定珠光 体的合金元素c u 。原来使用的单一7 5 s i f e 孕育剂具有孕育效果持续时间短的 ，氅喜i 嚣罴霍和球墨铸铁撕m 。就气缸编， 霎墨笔芝矍銎篓攀翁i 霉鬣销淼等方笔磊莩善銎爰 登光竺雯量嚣篡雾黧耐：釜矣篙蓑篓点嚣蒜i 兰茎鲁装：釜i 蓑暮； j 纂耄耋妻箬雾芡篡筹耋筹筹嚣善荔；丢墨喜一j 撇髻芝结竺至薹二著善耄詈羹喜主喜，鬟蓑霎筹：茹，门主嗌液 ，。! 氅量塞毳譬应雾蓦盖尝譬薹；主茎要蔷需盖萎i 差主荐芏：l 吴 黧霁芝漂熟喜主蹴嚣耋黧溅薹茎薹焉磊 型厚壁件上鲜有报道，本课题要研究的蠕墨铸饫仟8 ”刀八生”1 8 “ 1 4 ，：盂篓苎譬譬耋嘉蓁主鬈鋈公认的难点，与铁水的花学成分，蠕化剂，孕育 。篓凳蓑凳车耄2 凳嘉篓嚣言茹篇篇茄；秦花 剂及蠕化处理工艺紧密相关。蠕墨铸铁生产的天键玟不则苊蜥”。“ 笋? 掣麓镰辚学成分及其对组织和性胄乜的影响 l 。，j ! 、釜茎萼譬纂装茎嵩萎釜其芸凳霎磊了冀霎磊笼剂的加入量适当，乏 熙然鬻，嚣蒜戳，、蒜赫 论是亚共晶，共晶还是过共晶成分，都司以驮，俦蝻出叫v 口霉4 ”。 共晶度有关，见 婚 蠹 图6 1 3 3 o 共晶度( s c ) 图6 共晶度与蠕化率的关系 1 2 华中科技大学硕士学位论文 图示共晶度越大，蠕化率越低，球状石墨越多。即随着成分由亚共晶到共 晶，过共晶的变化，球状石墨比率增大。对相同的共晶度，c e 系，c a 系蠕化 剂比m g 系蠕化剂的蠕化率要高。 ( 2 ) c 。s i 含量对蠕铁的基体组织和抗拉强度的影响不加合金元素的蠕 墨铸铁由大量的铁素体和少量的珠光体组成，但其比例随碳当量的不同有所不 同。通常情况下，随碳当量的降低，珠光体的含量增加，铁素体减少。这主要 是由于碳当量的降低，增加了初生奥氏体的含量，而奥氏体的共析转变在相对 较低的温度下进行，易于获得珠光体组织1 4 。不过碳当量的变化对基体组织 的影响是微小的，铁素体总是占绝大多数，这是由于铁索体和蠕虫石墨的伴生 特性所决定的。有研究表明，蠕虫状石墨与铁素体有强正相关关系“”，要想 影响这种关系，必须添加一定数量的合金元素。同样，碳当量对蠕铁的抗拉强 度也只有微弱影响，随碳当量增加，石墨量增加，珠光体量减少，o 。有所减 少，但远不如灰铸铁下降的那样快。 ( 3 ) m n 、c u 、s n 在蠕墨铸铁中的合金化作用m n 在蠕墨铸铁中的作用 不同于在合金灰铸铁中的作用，因为蠕化剂中存在与硫更强结合力的r e 和m g 等元素，不再依靠添加m n 来脱硫和形核，因此，在蠕铁中m n 当作一种合金元 素来使用。它对蠕化率无明显影响，对混合基体蠕铁中珠光体含量有正面影响， 但不足以改变蠕虫石墨与铁素体的伴生特性。所以，与灰铸铁不同，要显著提 高蠕铁中珠光体含量仅提高m n 量是不行的，要与降s i 和添加其它稳定珠光体 的合金元素如c u ，s n 等一同使用。图7 是m n 、c u 、s n 对抗拉强度的影响”， 图8 是m n 、c u 、s n 对基体组织中珠光体含量的影响“。 令 。 至 一 型 蠼 东 嚣 合金元素加入量( ) 圈7台金元素加入量对蠕墨铸铁抗拉强度的影响 华中科技大学硕士学位论文 装 v 删 蛙 采 畿 , i - 啊 c u l _ ，一 叶 | 厂 | ， 0 00 51 01 52 02 53 03 5 元素加入置( ) 图8 舍金元素加入置对蠕铁珠光体量的影响 由图7 可见，m n 对强度的影响也不如c u ，而大于0 0 5 s n 对提高强度无 益甚至有害。图8 显示，m n 的珠光体化能力较弱，1 0 m n 只能获得2 5 的 珠光体，而同样含量的c u 在以达到7 0 的珠光体；s n 的珠光体化能力最强。 由此可见，在调整m n 量( 1 0 ，否则易于产生渗碳体) 的同时，添加0 5 1 0 c u 和0 0 5 s n ，有利于获得高牌号珠光体蠕墨铸铁。但有研究表明，c u 有一定的促进石墨球化的作用，对蠕化率稍有影响。1 9 。 1 4 1 2 蠕化剂的种类及其应用特性 蠕墨铸铁自从上世纪七十年代作为一种优质工程材料获得工业应用以来， 人们对蠕化剂进行了长期的研究工作，到八十年代中后期形成了公认的能够稳 定用于生产的m g t i 系，r e 系和r e c a 系合金阻2 。 m g t i 合金利用m g 和t i 的球化和反球化作用来控制石墨的形态。t i 的 反球化作用扩大了获得蠕虫状石墨的残留m g 含量范围”“。 m g t i 合金中如果配入有蠕化作用的r e ( 1 2 ) ，则能进步扩大蠕铁中的镁 残留含量范围【2 3 1 ，而且微量稀土有石墨化的作用，能够降低铁水的自口倾向， 有利于消除钛的不利影响。有人进一步研究了m g ，t i ，r e 的综合效应，得出 量化了蠕化率与m g ，t i ，r e 的关系【2 4 1 c g ( ) = 8 5 2 2 - 1 1 3 7 k 2 + 0 0 0 4 7 1 k 2 r e 残 ( 7 ) 式中c g ( ) 为g p 3 5 m m 单铸试棒的蠕化率，r e 蛙为铸铁中残余稀土元素的总量， k 2 是m g 致及t i 对蠕化率c g ( ) 的影响因素，k 2 = k - m g 礁，k l = 4 4 t i 。 1 4 5：阳o 华中科技大学硕士学位论文 m g t i 合金中除配入少量r e 元素以外，还可以配入3 6 的c a ，能更进一 步扩大蠕铁中m g 强的范围，而且由于c a 是石墨化元素，亦可中和t i 的白口 化作用2 ”。 总之，配入少量的r e 元素和一定量c a 的m g t i 合金，对高硫和低硫原铁 水都有较宽的加入范围，而其中m g ，t i ，r e ，c a 的组成和加入量则要视原铁 水的硫含量和铸件壁厚而改变。m g t i 合金以其相对较小的白口倾向，是薄壁 件优先选用的蠕化合金。 r e 系合金：用作蠕化剂的稀土合金大致可分为四大类，稀土硅铁合金， 稀土硅钙合金，稀土镁钙硅铁合金和混合稀土金属，但应用最多的是前三种， 其中的稀土成分在铁水中首先起净化作用，去除硫，氧，氢，氮等，消耗的稀 土量r e = 3 ( s 原一s 残) ，剩余的稀土含量方起石墨化作用。用稀土合金处理的 蠕铁，其蠕化率与稀土残留量有密切的关系，图9r 2 鲥是用稀土硅铁( 1 # 稀土) 处理蠕铁的试验结果。 i 篁 蛊 幽 缨 蠕化率( ) 图9稀土残留与蠕化率的关系数 由图可见，铁液中r e 残在0 0 4 0 0 7 5 之间时才能获得蠕化率大于5 0 的 蠕铁，若要获得8 0 以上的蠕化率，则r e 残只能在0 0 4 0 0 6 之间。 稀土硅铁与铁液的热力学反应条件良好，但动力学反应条件较差，导致吸 收不稳定，影响稳定性，为此需要对稀土硅铁合金进行改性，增加有蠕化作用 同时又能改善动力学条件，减少白口倾向的元素，由此，产生稀土钙硅和稀土 镁钙硅铁及稀土镁钙锌硅铁合金，并且取得了良好的应用效果”“。 改性后的稀土系蠕化剂不仅适用于冲天炉熔炼的高硫原铁水，也适用于电 嵩篇鬻裟眦 u a o o d d n d 口o d o o 华中科技大学硕士学位论文 炉熔炼的低硫原铁水，而且处理的稳定性较好。r e m g 系蠕化剂处理的蠕铁白 口倾向一般认为比m g t i 蠕化剂大，但其白口倾向也是随铸型种类，铸件壁厚 及孕育处理等因素而变化的。对于厚壁大型蠕铁铸件，其白口倾向降低，而且 还可以通过调整原铁水的含硫量，选用合理的孕育剂和加入量来降低白口倾 向。有资料研究了蠕化剂加入量，铁水含硫量和7 5 f e s i 孕育量对白口深度的 影响，表明在过孕育条件下，随硫量增加，获得蠕铁所需要的r e m g 加入量也 增加，但试样的白口深度也减小，当硫量达到0 0 8 时，无白口出现”“。可 见r e m g 蠕化剂的白口倾向是可以通过采取合理的工艺措施来改善的。 蠕化剂同球化剂一样存在衰退性，称为蠕化衰退。有试验研究证明，m g t i 蠕化剂的衰退时间与其中的r e ，t i 的含量有关，最长衰退时间不超过1 5 分钟； 而r e m g 蠕化剂的抗衰退能力相对较强，衰退时间可达3 0 分钟，对一些冷却缓 慢的铸件，添加微量a 1 或使用含a 1 的r e m g 蠕化剂还能进一步延长r e m g 处理 蠕铁的衰退时间”1 。 1 4 13 孕育剂的种类及应用特点 不论是用m g t i 系蠕化剂还是用r e 系蠕化剂处理蠕铁，都要进行孕育处理， 高硅含量的合金被证明是有效孕育剂，但是单一的中间合金不能发挥最佳的孕 育作用，需要配合适当的硫含量。用m g t i 合金处理蠕铁时，m g 残量决定蠕化 的效果和白口的倾向。有资料【37 j 认为，在原铁水s 0 0 4 易于获得球铁，而且铁水的白口倾向大。图1 0 比较了几种孕育剂的成核能力 和减白口作用。可见，f e s + c a s i 在上述两个方面的作用优于其它孕育剂，是 一种合适孕育剂，其中f e s 所占的比例取决于m g 残、保温时间、铸件的壁厚 以及铸型的类型等因素，一般地，m g 残每超过0 0 4 的2 0 ，就加入0 0 0 5 s ， 可获得蠕化率大于8 0 的标准蠕铁，同时白口倾向最小。 1 6 华中科技大学硕士学位论文 喜 霎 强 塞 瓣 薯。 差 一q 、 涮； 4 - z 辎 喇? 何 摊“、? i ( a ) 不同孕育剂对白口幺h 织的影响 _ 一 ! 一| _ 一f 豢雕 ； ：j | 一 j 1 i ： 】 一。j 0 0 0 5 s 二0 0 0 7 s 二一 0b t l | bs 可p 茸 2 一s l c a 0s l c a f e - 8 4 - f e s 5 一f e s + f e ：s 6 s i c a + f e s + c e t 二二 00 0 5 s l 二0 0 0 0 7 s - = 二，0 ，r s 1 下擎搿 2 - s i c a 3 s i c e + f e s 4 - f e s 5 f e s 卜f e s 6 一s l c b + f e s + c e 孕育齐j 种类 ( b ) 不同孕育剂对石墨成核数量的影响 图1 0 不同孕育剂的孕育效果 用稀土系合金处理蠕铁时，由于稀土元素的强烈白口作用，必须选用减白 口能力最强的f e s + c a s i + c e 作为孕育剂，f h 于冲天炉熔炼铁水的自身硫含量比 较高，而且r e 蠕化剂带入了大量的c e ，因此在实际使用时只需用c a s i 或 f e s + c a s i 即可取得良好的孕育效果。 1 4 1 4 蠕墨铸铁的炉前处理工艺 蠕墨铸铁的炉前处理是确保获得蠕墨组织的关键，准确测量原铁水的化学 成分，精确定量铁液的重量是必需的，否则会导致蠕化处理的失败，所以它的 炉前处理不同于灰铸铁，比球墨铸铁更严格。目前国内外应用比较多的工艺有： ( 1 ) 一次蠕化处理法。此法与球铁处理类似，但工艺比球铁更严格，主 华中科技大学硕士学位论文 要有包底冲入法，型内加入法，中间包处理法，适合于没有沸腾或只有少量沸 腾的蠕化剂，孕育处理为出铁槽一次孕育和随流二次孕育，同时要求蠕化剂有 较大的可波动加入量范围，蠕化率控制困难。由于该法操作简易，国内几乎全 是使用这种方法 ( 2 ) 球化衰退处理法。先加入过量蠕化剂处理成球铁，然后添加f e s 促使石墨形态由球状一球状+ 蠕虫状一蠕虫状的转变。典型的工艺流程如下图 1 1 r 3 8 ： 图1 1 球化衰退处理法工艺流程 这种工艺要先通过试验找出球化处理后残留m g 残量与需要添加的f e s 量 的关系，而且必须在球化处理后迅速准确地分析出残留m g 艘量， 这种工艺稳 定性好，蠕化率高，对蠕化剂的加入量范围没有严格的要求，可以不加反球化 元素t i 。 ( 3 ) s i n t e rc a s t 处理法。此工艺由美国s i n t e rc a s t 公司发明的一套监控 系统( s y s t e m l 0 0 0 ) 进行炉前控制，用纯m g 作蠕化剂，具有稳定精确的特点。 工艺过程见下面的图1 2 3 ： 首先由系统测定原铁水的碳当量，根据测量值调整化学成分和温度，然后 进行第一次蠕化处理和孕育处理，紧接着取样分析，同时完成扒渣等工作，根 1 8 华中科技大学硕士学位论文 工艺控制中心 图1 2 s i n t e rc a s t 蠕化处理工艺 据残留m g 量利用包芯线处理工艺进行第二次微量蠕化和孕育处理，之后立即 浇注。整个过程的完成只需要三分钟。此工艺已经用在湿型造型线上批量生产 发动机机体和缸体，工艺稳定，蠕化率高。因为是用m g 作蠕化剂，材质白口 倾向小，无t i ，r e 化合物之类的硬相质点，刀具磨损少，加工性能好，适合 于批量生产，但炉前检测设备投资大。 ( 4 ) 型内蠕化处理法。与型内孕育相似。此法对浇注系统的设计很讲究， 尤其是放置蠕化剂的型腔的位置和大小。要求铁水含硫量低，浇注温度高，适 合于电炉溶炼的铁水，最大的优点是无需在蠕化处理前对铁水进行准确称量。 国外应用此法已经生产出了大型发动机气缸体 4 0 4 3 。 根据上述四个方面的综述，本研究首先必须针对气缸体的材质牌号要求和 结构特点确定化学成分，然后研制出切合生产实际的蠕化剂进行对比试验，从 中选出适合于冲天炉铁水的蠕化剂和对应的蠕化处理参数，以期达到稳定生产 r u t 4 2 0 的牌号要求。 1 4 2 蠕黑铸铁在气缸体上应用前景 蠕墨铸铁经过二十世纪八十年代的研究高峰之后，九十年代在工艺上进行 了探索，国外先进国家逐步掌握了稳定生产的工艺，研制出了有效的炉前控制 设备，为蠕墨铸铁全面进入工业应用创造了条件，比如德国奥贝尔汽车公司采 用s i n t e rc a s t 工艺生产2 5 升的v 6 发动机缸体，用于c a l i b r a 赛车，缸体 的质量及赛车性能产生了质的进步，应用前后的对比如表5 1 4 。 9 华中科技大学硕士学位论文 表52 5 升的v 6 发动机蠕铁气缸体与灰铸铁缸体的对比 项目灰铸铁气缸体( h t 2 5 0 )蠕墨铸铁气缸效果( ) 气缸体的壁厚( m m ) 735 7 珩磨面粗糙度r a ( 帅) 0 3 2o 1 84 4 气缸体园柱度( 帅) 3 297 2 气缸体磨损量( ) 1 0 06 04 0 重量( k g ) 5 6 54 52 0 功率( p s ) l7 04 6 2+ 1 7 2 缸体重量功率( k g p s ) o 3 30 1 0一7 l 全球第二大汽车制造商美国福特汽车公司最近宣布将采用蠕墨铸铁生产 新型的v 6 发动机缸体，与传统的发动机材料如铝合金或合金铸铁相比，装配 蠕铁气缸的发动机在性能，尺寸，功率及成本方面将占优势，而且还有利于汽 车尾气达标，与之合作的s i n t e rc a s t 公司的总裁认为蠕墨铸铁气缸体在汽车 发动机上的全面应用，是全球铸造和汽车工业的一个新纪元的到来”“。压缩 机气体对材质的综合性能的要求虽不及汽车发动机气缸体那么高，但大型压缩 机的发展趋势是大排量、高压比、小型化，蠕墨铸铁能满足这种要求，因此压缩 机设计和生产领域步汽车工业之后尘是肯定的。 蠕墨铸铁的最新应用动向表明，蠕铁在工业应用上正在从小规模走向大规 模，尤其是在缸体类铸件上具有广阔的应用前景。 1 5 本课题的主要研究内容 在分析原工艺生产的气缸体铸件样品，探讨渗漏和强度不稳定的内在原因 的基础上，提出本课题的研究内容如下： ( 1 ) 合金灰铸铁生产工艺优化，包括合金化元素筛选，孕育工艺优化以及 基本化学成分调整，并进行试验生产以达到美国德莱赛兰公司合金灰铸铁气缸 体的质量水平： ( 2 ) 研究厚壁大型蠕墨铸铁铸件的生产工艺，包括蠕化剂的研制和筛选， 组织和性能试验，生产试验，使生产的气缸体的质量超过原工艺水平。 2 0 华中科技大学硕士学位论文 2 合金灰铸铁气缸体生产工艺的优化研究 气缸体是r d s 天然气压缩机组的关键部件之一，承担增压负荷，铸件对材 质在抗拉强度，硬度，耐磨性和导热性和致密性方面提出了很高的要求，合金 灰铸铁中5 0 m m 单铸试棒的抗拉强度在超过2 8 0 m p a ( h t 3 5 0 以上) 时，碳当量 低，合金元素加入量大，铁水的铸造性能差，铸件的断面敏感性大，容易产生 缩松缩孔，渗漏，裂纹等缺陷。本章的研究旨在获得高牌号合金灰铸铁的同时， 消除上述缺陷，为生产健全的气缸体铸件提供技术依据。 2 1 试验目的及内容 试验目的是提高并稳定材质的强度( 5 0 单铸试棒ob 2 8 0 m p a ) ，消除 气缸体渗漏缺陷，达到德莱赛兰公司同类气缸体材质水平。试验内容为： ( 1 ) 在某一确定的碳当量及c r 、m o 合金含量下，试验研究加0 8 c u 对 组织和性能的影响。 (