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蠕墨铸铁大批量生产关键技术的研究 摘要 随着载重汽车马力的不断增加，柴油机功率在不断提高，柴油机气缸盖 所承受的各种负荷在急剧增加，因此使得玉柴机器股份有限公司铸造厂生产 的h t 2 5 0 和h t 3 0 0 气缸盖的材质性能已经满足不了使用要求。近些年来， 气缸盖裂纹故障在不断上升，严重影响了产品的可靠性，降低了用户的满 意度。蠕墨铸铁具有优良的导热能力和高的强度性能，因此蠕墨铸铁气缸 盖成为我们研究的重点工作。 本文研究了蠕墨铸铁气缸盖在大批量生产过程中，原铁水化学成份、 蠕化剂、蠕化处理工艺、蠕化处理包等对蠕化处理的影响以及蠕化处理过 程中可能遇到的问题。通过采取改进浇注系统、应用冷铁、冷却套提高蠕 化率等措施解决了铸件缩松、漏水等质量问题。同时，对蠕墨铸铁原铁水 中加入锡解决铸件硬度不合格的缺陷，以及采用正火工艺挽救硬度不合格 铸件等，也进行了研究。研究结果表明： 1 、原铁水成份特别是硫、碳、铬对蠕化处理过程至关重要。 2 、做好基础管理工作、严把原材料关，降低铁焦比，可以得到合格的低硫 铁水。 3 、通过改变浇注系统、在热节处增加冷铁或冷却套等工艺措施可以改善铸 件缩孔缩松、漏水等缺陷。 4 、通过在铁水中加入0 0 3 0 0 8 的锡，可以提高铸件的硬度到h b l 6 0 以上， 同时可改善其加工性能： 5 、通过正火处理，可以挽救硬度不合格的铸件。 关键词：蠕墨铸铁蠕化剂碳硫锡气缸盖 t h es t u d yo fk e yt e c h n o l o g yo n v e r c u l a rc a s ti r o nv o l i 厂m 匣p r o d u c e a bs t r a c t a l o n gw i t ht h ep o w e ro fl o a d - c a r r y i n gv e h i c l ei n c r e a s e de n l a r g i n g ，d i e s e l e n g i n ep o w e ri n c r e a s e sc o n t i n u o u s l y , t h ed i e s e le n g i n ec y l i n d e rh e a dh a v et o b e a rv a r i o u si n c r e a s i n gl o a d ，s ot h eh t 2 5 0a n dh t 30 0g r a p h i t ec y l i n d e rh e a d w h i c hw a sp r o d u c e db yt h ey u c h a im a c h i n e r yl i m i t e dc o m p a n y sf o u n d r yc a n n o tm e e tt h ep r o d u c eq u a l i t yc o n t r 0 1 r e c e n t l y , t h en u m b e ro fc y l i n d e rh e a d c r a c km a l f u n c t i o nw a sa d d e dc o n t i n u o u s l y , w h i c he f f e c t e dt h ed e p e n d a b i l i t y v e r ym u c h ，l o w e dt h e s a t i s f a c t i o no fc o n s u m e r v e r m i c u l a rc a s t - i r o nh a s e x c e l l e n th o tt r a n s m i ta b i l i t ya n dh i g hi n t e n s i o n ，s ot h er e s e a r c ho fv e r m i c u l a r c a s t - i r o nc y l i n d e rh e a dw a so u re m p h a s e sw o r k i nt h i sa r t i c l ew es t u d yo nt h ee f f e c to fc h e m i c a le l e m e n t 、v e r m i c u l a ra g e n t 、 v e r m i c u l i z i n gp r o c e s sa n dv e r m i c u l i z i n gl a d l ed u r i n gt h e v e r m i c u l a rc a s t - i r o n c y l i n d e rh e a dc a s t v o l u m e - p r o d u c e e x p l a i nt h ep r o b l e mm a yo c c u rd u r i n gt h e v e r m i c u l i z i n g t h r o u g hc h a n g i n gt h eg a t i n gs y s t e m 、p u t t i n gc o o li r o no rc o o l ja c k e to n t h et h e r m a lc e n t e r 、a n di m p r o v et h ep e r c e n t a g eo fv e r m i c u l a rt os o l v e t h ec y l i n d e rh e a ds h r i n k a g ep o r o s i t ya n dl e a k a g e a tt h es a m et i m e ，w es t u d i e d o n a d d i n g t i ni nm e t a lt o i m p r o v et h eh a r d n e s so fc a s t i n g ，a n du s i n g n o r m a l i z i n gp r o c e s st os a v et h eu n d e rs t a n d a r dh a r d n e s sc a s t i n g a tl a s tw ec a n d r a wc o n c l u s i o na sf o l l o w e s ： 1 、c h e m i c a le l e m e n te s p e c i a l l yt h es u l p h u r 、c a r b o na n dc h r o m i u mi sv e r y i i i m p o r t a n t t ov e r m i c u l a rt r a n s a c t 2 、i m p r o v eb a s i cm a n a g ew o r d ，c o n t r o lm a t e r i a ls t r i c t l y , d o w nt h e r a t i oo f m e t a l c o k e ，c a ng e ti d e a ll o ws u l p h u rm e l ti r o n 3 、t h r o u 皿ac h a n j g a t i n gs y s t e mp u t t i n gc o o l 。 a n dc o o l 。：k e tthe3 1h r o u g l ac h a n g i n gg a t m gs y s t e m , p u t t i n gc o o li r o na n dc o o lj a c k e to nt h e、 t h e r m a lc r a f tm e a s u r e sc a ni m p r o v es h r i n k a g ep o r o s i t yp r o b l e m 4 、t h r o u g ha d d i n g0 0 3 - 0 0 8 t i l li nt h em e l ti r o n ，c a ni m p r o v et h e h a r d n e s so fc a s tt oh b16 0 ，a n di t sh a n d l i n gc h a r a c t e r i s t i c sw i l lb eb e a e rt o o 5 、t h r o u g ht r e a t e db yn o r m a l i z i n gp r o c e s sc a ns a v i n gu n d e rs t a n d a r d h a r d n e s sc a s t i n g k e y w o r d s ：v e r m i c u l a rc a s t - i r o n ；v e r m i c u l a r a g e n t ；c a r b o n ；s u l p h u r ； t i n ；c y l i n d e rh e a d i i i 广西大掌工程硕士掌位论文蠕墨铸铁大批量生产关键技术的研究 1 1 课题背景 第一章绪论弟一早 三百下匕 玉柴的发动机产品有车用、船用、工程机械、农业机械、发电设备柴油动力等6 大 类2 2 大系列2 0 0 0 多个品种的轻、中、重型多缸柴油机，功率覆盖6 - 2 5 0 0 0 k w ，是国 内最丰富、最完整的柴油发动机谱系。 随着国家对排放要求的越来越严格，目前很多厂家将燃油喷射技术应用在发动机 上，在取得燃耗降低、排放提升的同时，更增加了对发动机缸体缸盖材料性能的要求。 传统的铝质气缸体气缸盖和灰铸铁气缸盖已经远远不能满足现在技术的要求，随着研究 的深入，蠕墨铸铁作为一种新的替代材料越来越发挥着它独特的作用。玉柴机器股份有 限公司铸造厂生产的h t 2 5 0 和h t 3 0 0 气缸盖的材质性能已经满足不了目前柴油机的使 用要求。近些年来，气缸盖裂纹故障在不断上升，严重的影响了产品的可靠性，降低了 用户的满意度。因此从2 0 0 4 年开始，玉柴开始研发符合国三、国四标准的蠕墨铸铁缸 盖的柴油机。 蠕墨铸铁具有球墨铸铁的强度，和灰铸铁相比又有类似的防振、导热能力及铸造性 能，而又比灰铸铁具有更好的塑性和耐疲劳性能。而现代的铁液处理工艺已能确保得到 必须的蠕虫状石墨，因此在缸体缸盖上的应用已无技术障碍【2 】。因此蠕墨铸铁气缸盖 成为我们研究的重点工作。蠕墨铸铁材质的研发成功与否，直接关系到公司后续高排放、 高性能柴油机的研发。 目前玉柴蠕墨铸铁材质已经应用于4 g 系列缸盖( 见图1 1a ) 、6 m 系列缸盖( 见图 1 - 1b ) 、6 k 系列缸盖( 见图1 1c ) 等，而且还在不断的扩展到其它各缸盖、各机体和曲 轴箱匕。 广西大掌工程硕士学位论文 蠕墨铸铁大批 l l - 生产关键技术的研究 ( a ) 4 0 系列蠕铁缸盖 ( b ) 6 m 系列蠕铁缸盖 ( c ) 6 k 系列蠕铁缸盖 2 广西大学工程硕士学位论文 蠕墨钢| 铁大批- l 生产关键技术的研究 图1 1 各系列蠕铁缸盖 f i g 1 1s o m es e r i e sv e r m i c u l a rc a s ti r o n ( a ) 4 gs e r i e sv e r m i c u l a rc a s ti r o n ( b ) 6 ms e r i e sv e r m i c u l a rc a s ti r o n ( c ) 6 ks e r i e sv e r m i c u l a rv a s ti r o n 由于玉柴生产蠕墨铸铁开始于2 0 0 4 年，当时只是摸索试验过程，现场条件都是生产 灰铁的条件，各种原材料都是以生产灰铁的要求来采购的，对蠕铁生产的认识严重不足。 加之蠕铁工艺控制范围较窄，现场生产的质量控制波动非常大。而国内企业由于工艺的 保密性，借鉴作用有限，只能从各种论文和资料中不断学习进步。如何提高蠕化处理质 量，降低铸件的废品率，成为蠕墨铸铁材质缸盖批量生产的关键。 1 2 国内外研究现状 1 2 1 国内情况 1 、中国是世界上研究蠕墨铸铁最早的国家之一，早在6 0 年代初期就开始在试验室、 机床、液压件等上进行了应用，在7 0 年代对蠕铁的性能、机理、蠕化剂、处理工艺和 铸造工艺等方面进行了研究【3 巧j ，并形成了相关方面的蠕铁生产和检验的标准。目前国 内的蠕化剂基本上由各使用厂家联合生产厂商配制开发，原料配比属保密状态。大连柴 油机厂和无锡柴油机厂生产蠕铁缸盖废品率都控制在5 以下。 2 、国内蠕铁生产厂家锡柴蠕铁生产情况介绍 早在1 9 9 5 年，锡柴使用5 t h 酸性冲天炉，每天处理铁水2 5 3 0 t 。采用3 1 号稀土硅 铁作为蠕化剂采用出铁槽随流处理工艺。通过控制合金粉度、，提高处理温度和改进合金 加入方法来弥补稀土合金反应动力学条件差的不足。并加强孕育处理和控制稀土残余量 来避免其白口倾向大的影响。蠕化率大于5 0 的处理成功率达到9 8 以上，其中大部分 的蠕化率为7 0 左右。该厂主要用蠕铁生产6 1 1 0 柴油机缸盖和飞轮，其铸造工艺均沿 袭原用材质h t 2 5 0 和h t 2 0 0 的工艺【6 j 。 3 、炉前快速检验手段：炉前快速检验迄今是蠕铁生产的薄弱环节。炉前快速检验 绝大部分是采用炉前三角试样观察法、简便快速，但不够精确，控制不稳定。炉前快速 检测装置基本采用炉前快速金相检验，其它如：氧电势法、气泡幅频当量法、铁液质量热 分析等方法，在实际批量生产应用较少。 广西大学工程硕士学位论文 蠕墨铸铁大批量生产关键技术的研究 1 2 2 国外情况 s i n t e r c a s t 是全球汽车生产提供技术支持的企业，是蠕墨铸铁工业技术的领跑者。业 务主要集中在欧洲、亚州和美州【7 1 。 它的技术基本上代表了国外蠕铁生产的最好水平。它的铸造工艺流程如图1 2 所示。 图1 - 2s i n g t e r c a s t 铸造法工艺流程 f i g 1 2s i n g t e r c a s tc a s t i n gp r o c e s sf l o w 它从试样的热分析开始，所用试样质量2 0 0 9 ，将s i n t e r c a s t 取样杯峭j 浸入铁水包中 3 s 左右，包内盛有经过m g 和孕育剂预处理后的铁水。热分析完成后，s i m e r c a s t 软件就 开始对处理后的铁水结果进行评估，计算出生产理想蠕墨铸铁所需的镁量、孕育剂加入 量和尚需补充的量。这些镁量和孕育剂补充量的加入是s i n t e r c a s t 喂丝机以包芯线的形 式加入包内的，然后进行浇注。整个检测和修正过程仅需3 5 m i n ，可以与其他铸造工序 同时进行，完全适用于大批量生产。 欧洲和北美以及部分亚洲国家广泛应用瑞典s i n t e r c a s t 公司2 0 0 0 蠕墨铸铁控制系统。 它用先进的热分析检测技术与计算机技术结合，经过预处理，解决了炉前快速精确调整 蠕化剂加入量问题，可确保蠕墨铸铁大规模生产的稳定性。此技术不使用含钛元素材料， 模拟m g 衰退的过程，预测产生片状石墨的情况，加以调整。不产生片状石墨，解决了 加工成本和铸件可靠性问题 9 1 。 采用s i n g t e rc a s t l e 艺和欧美含钛为主的蠕墨铸铁相比，可大大改善切削性能。实践 广西大学工程硕士掌位论文蠕墨铸铁大批t l - 生产关键技术的研究 证明，仅加入0 1 的钛，会产生坚硬的碳化物，其结果刀具刃口磨损很大。与无钛的蠕 铁相比，钻头推进力度必须提高5 0 以上【10 1 。 虽然使用s i n t e r c a s t 系统进行生产，可以保证过程稳定，铸件品质优良。但是 s i n t e r c a s t 系统结构复杂，关键控制技术为专乖i j 产品。最主要的是生产产品收取的费用高 得惊人。最终未能和我公司达成合作。 1 3 课题研究的意义 “绿色发展，和谐共赢”一直是公司追求的目标和所有企业应该承担的社会责任。蠕 墨铸铁材质在各机型缸盖上的应用，对公司后续高排放标准、高动力机型的推进具有战 略性作用。直接关系到公司重机在市场上的占有问题，直接关系到公司后续的盈利能力 发展。 近几年，蠕墨铸铁取代灰铸铁和铝合金，成为柴油发动机气缸体、气缸盖的理想材 料【l 。蠕墨铸铁抗拉强度提高8 0 ，弹性模量提高3 5 4 0 ，屈服强度提高近一倍。蠕 墨铸铁材料使汽车设计师在汽车减重、降噪、削减排放的同时，提升性能、减少油耗、 增强可靠性成为可能。国外蠕墨铸铁发动机气缸体、气缸盖铸件生产技术日渐成熟，国 产灰铁气缸体、气缸盖铸件将会被淘汰出市场。 通过蠕墨铸铁大批量生产关键技术的研究，为公司其它机型转用蠕铁材质打下基 础。同时，在研究蠕铁生产过程中涉及到的相关原材料，为进一步改进公司材料验收标 准都有一定的指导意义。 1 4 课题研究内容 l 、 2 、 3 、 4 、 5 、 6 、 本文研究蠕铁缸盖大批量生产的关键技术，主要有如下几个方面： 成份对蠕铁质量的影响。 硫对蠕铁生产的影响以及降低硫含量提高铸铁质量的措施。 蠕化剂对蠕铁生产质量的影响。 蠕化处理包的选择。 解决铸件硬度不合格以及挽救铸件硬度不合格的工艺措施。 克服铸件漏水的工艺措施。 广西大掌工程硕士掌位论文蠕墨铸铁大批量生产关键技术的研究 2 1 蠕墨铸铁的发展 第二章蠕铁铸件的相关介绍 在m o r r o g h19 4 8 年的著作中可以看到关于蠕虫状石墨的报导，他在研究用铈处理 球墨铸铁的过程中，发现了“厚片状”石墨，也就是蠕虫状石墨。开始m o r r o g h 一直认为 它没有实用价值，只是在处理球墨铸铁失败时的产物；直到2 0 世纪6 0 年代中期，人们 对蠕虫状三石墨的研究才取得了一定的突破。美国国际镍公司的r d s h e l l e n g 用镁一钛 系合金制取蠕虫状石墨铸铁，并于1 9 6 6 年取得英国专利( 专利号1 0 6 9 0 5 8 ) 、1 9 6 9 年取 得美国专利( 专利号3 4 2 1 8 8 6 ) ；1 9 7 0 年奥地利的w t h u r y 等人用混合稀土金属制取蠕 虫状石墨铸铁，并获得奥地利专利( 专利号2 9 0 5 9 2 ) 。根据英国铸铁研究协会提供的配 方，美国国际镍公司加以改进后，于1 9 7 6 年生产了“f o o t e ”合金，并投放市场，至此， 蠕虫状石墨铸铁才有了快速的发展。 2 2 蠕墨铸铁的特点 2 2 1 蠕墨铸铁的石墨特征 蠕墨铸铁中的石墨形态是大部分为蠕虫状石墨、部分为球状石墨，蠕虫状与球状共 存的一种混合形态，蠕虫状石墨是介于球状石墨和片状石墨之间的中间石墨形态。其在 光学显微镜和电子显微镜下观察到的蠕虫状石墨形态特征见图2 1 ： ( a ) 蠕虫状石墨 x 1 0 0 广西大学工程硕士学位论文 蠕墨铸铁大批量生产关键技术的研究 ( b ) 蠕虫状石墨( s e m ，深腐蚀) x 4 0 0 ( c ) 蠕虫状石墨( s e m ，深腐蚀) x 8 0 0 图2 1 蠕虫状石墨的形态特征 f i g 2 - 1t h es h a p ec h a r a c t e ro fv e r m i c u l a rg r a p h i t e ( a ) v e r m i c u l a rg r a p h i t e 10 0 ( b ) v e r m i c u l a rg r a p h i t e ( s e m ，d e e pe t c h e d ) x 4 0 0 ( c ) v e r m i c u l a rg r a p h i t e ( s e m ，d e e pe t c h e d ) x8 0 0 按蠕虫状石墨占总石墨的比例，可将蠕铁的蠕化率分成9 个级别，见表2 1 t 1 2 】。 但是关于蠕化率多少为合格的问题上，国内和国外还存在差异，国外一般以蠕化率大于 8 0 为合格，国内大都以蠕化率大7 ：5 0 n 合格13 1 。 广西大掌工程硕士学位论文蠕墨铸铁大批量生产关键技术的研究 表2 1 蠕化率分级 t a b2 1p e r c e n to fv e r m i c u l a t i o nc l a s s i f i c a t i o n 蠕化率级别蠕虫状石墨数( ) 蠕 蠕 蠕 蠕 蠕5 5 蠕4 5 蠕3 5 蠕2 5 蠕1 5 9 0 8 0 9 0 7 0 8 0 6 0 7 0 5 0 6 0 4 0 5 0 3 0 4 0 2 0 3 0 1 0 2 0 2 2 2 基体组织 由于一般铸态蠕墨铸铁基体组织具有强烈的形成铁素体的倾向，因此普通蠕墨铸铁 的铸态组织中铁素体含量较高。当然，蠕墨铸铁中铁素体的形成还取决于碳的扩散条件、 基体中某些元素的显微偏析程度以及冷却速度等。蠕墨铸铁共晶团包括蠕虫状石墨奥 氏体共晶团和球状石墨奥氏体共晶团两部分，它兼有灰铸铁与球墨铸铁两者的特点【l 4 l 。 在蠕虫状石墨奥氏体共晶团中蠕虫状石墨成蔟聚集，相邻的共晶团中的石墨一般 被奥氏体隔开，共晶团近似于球状。蠕墨铸铁中含石墨越多，越难显示共晶团边界。 在共晶凝固过程中部分蠕虫状石墨一奥氏体共晶团周围往往被变质元素和杂质元素 富集的铁液所包围，后者易凝固成球状石墨奥氏体共晶团，这也说明了蠕墨铸铁中往 往伴随有一些球状石墨的原因。而且这部分的基体组织在铸态室温下往往是以珠光体为 丰 15 1 。 2 2 3 力学性能 典型的蠕墨铸铁力学性能介于灰铸铁和球铁之间，见表2 2 。根据中华人民共和国 机械行业标准j b t4 4 0 3 1 9 9 9 ：蠕墨铸铁件，蠕铁的牌号有r u t 2 6 0 ，r u t 3 0 0 ，r u t 3 4 0 ， r u t 3 8 0 ，r u t 4 2 0 五种，即其抗拉强度最低2 6 0 m p ，一般不高于4 5 0 m p ，见表2 - 3 。 随着最近几年的发展，国外有r u 5 0 0 甚至r u 6 0 0 的蠕墨铸铁，用来应用于特种场合。 广西大学工程硕士学位论文蠕墨铸铁大批量生产关键技术的研究 表2 - 2 蠕墨铸铁的典型力学性能 t a b2 - 2t h et y p i c a lm e c h a n i c so fv e r m i c u l a rc a s ti r o n 牌号抗拉强屈服强度伸长率6硬度值蠕化率基体 度a b ， 60 2 ， 范围v g m p am p ah b 不小于不小于 2 2 4 工艺性能 总的来说，蠕墨铸铁的铸造性能要比球墨铸铁要好，但又差于灰口铸铁。蠕墨铸铁 相对比较容易成型，铸造工艺相对简单，且各性能高于灰铸铁，这也是为什么用蠕墨铸 铁替代强度要求不高的球墨铸铁或高强度灰铸铁的一个主要原因。 蠕墨铸铁具有良好的流动性，因为其碳当量较高，接近共晶成分，铁水又经过蠕化 剂脱硫脱氧处理，见表2 4 。 蠕墨铸铁的体收缩率与蠕化率有关，蠕化率越高，体收缩率越小，最终接近灰铸铁； 反之蠕化率越低，体收缩率越大，最终接近球墨铸铁。其体收缩率受蠕化率与浇注温度 的影响见表2 5 和表2 - 6 。增加碳含量可减少体收缩。蠕墨铸铁的型壁移动倾向也介于 灰铸铁和球墨铸铁之间，因而其获得无内外缩孔的致密件比球墨铸铁容易，但比灰铸铁 9 广西大学工程硕士学位论文蠕墨铸铁大批量生产关键技术的研究 仍然困难。避免不必要高的浇注温度及采用共晶成分都能改善铸件的致密性。 表2 4 蠕墨铸铁与球墨铸铁、合金灰铸铁流动性比较 t a b2 - 4t h ef l u i d i t yc o m p a r eo f v e r m i c u l a rc a s ti r o n 、s p h e r eg r a p h i t ec a s ti r o na n d g r a yc a s ti r o n 蠕铁 3 3 62 4 30 60 0 6o 0 2 80 0 2 40 0 1 40 1 3 球铁 3 4 52 6 20 5 l0 0 70 0 2 70 0 2 4o 0 4 1 3 3 0 1 3 1 5 灰铁2 9 51 8 50 8 90 0 70 0 4 40 3 5o 9 50 9 213 4 0 9 6 0 8 7 0 表2 - 5 蠕化率对体收缩的影响 t a b2 - 5t h ep e r c e n to fv e r m i c u l a re f f e c to nb o d ys h r i n k a g e 表2 - 6 浇注温度对蠕墨铸铁体收缩的影响 t a b2 - 6t h ep o u r i n gt e m p e r a t u r ee f f e c to nb o d ys h r i n k a g eo fv e r m i c u l a rc a s ti r o n 蠕铁的切削加工性与球铁类似，比灰铸铁差。这是蠕铁应用于发动机缸体等有待于 解决的问题之一。国内外工厂普遍对切削加工蠕墨铸铁件有以下看法【l 列： 1 、多数刀具的刃口粘结比加工灰铸铁严重，热粘结尤为严重是。 2 、钻深孔、不通孔、攻螺纹时刀具寿命很短，并且容易卡住、折断。 3 、单刃镶刀片的刀具使用寿命比加工灰铸铁的低。 4 、拉床的拉杆拦力显著加大。 5 、加工表面的粗糙度值通常比灰铸铁大。 当然，蠕墨铸铁的切削性能和蠕化剂有关。含钛蠕化剂生产的蠕墨铸铁，其切削性 能比其他种类的蠕化剂的差。 蠕墨铸铁的白口倾向与所用的蠕化剂有密切的关系。以稀土为主的蠕化剂白口倾向 较大，镁系蠕化剂白口倾向较小。增加碳当量和加强孕育可以减轻白口倾向。因此在生 产气缸盖等薄壁件时，应注意选用适当的白口倾向小的蠕化剂。 广西大学工程硕士掌位论文 蠕墨铸铁大批- ! - 生产关键技术的研究 2 3 本章小结 本章通过引用文献介绍了蠕墨铸铁的发展，介绍了蠕墨铸铁的各项性能。总的来说， 蠕墨铸铁各项铸造性能均接近于灰铸铁，使用性能接近于球墨铸铁，是目前比较理想的 气缸盖、气缸体材质。 广西大学工程硕士学位论文蠕墨铸铁大批量生产关键技术的研究 第三章蠕化处理的质量控制 蠕化处理工艺是蠕墨铸铁大批量生产过程中质量稳定的重要保证。在蠕铁生产中， 铁水处理工艺要求严格，蠕化处理质量很大程度上决定了铸件的后续质量。本章从蠕铁 化学成份选择、降低铁水含硫量、蠕化剂、蠕化处理工艺、蠕化处理包等方面研究了蠕 墨铸铁大批量生产的关键技术。 3 1 蠕墨铸铁化学成份的选择 3 1 1 蠕墨铸铁中各元素作用概述及选择【1 8 】 碳和硅 硅是强烈促进石墨化的元素，主要用来防止白口。碳量过高会使蠕墨铸铁的强度因为 石墨的增加而降低。硅过高，蠕墨铸铁中易产生较多的球状石墨。目前我厂生产的蠕墨 铸铁以r u t 3 4 0 为主，r u t 3 4 0 基体以珠光体为主，可适当降低碳当量，因此生产中碳当 量可控制在4 2 一4 6 范围。在碳和硅的配比上采用“高碳、低硅、大孕育量”的原则。 所以选取3 6 一3 9 c ；2 1 一2 4 s i 。 锰和铬 锰一般对蠕墨铸铁的石墨化无影响。它在蠕墨铸铁铁水中的脱硫作用已经被镁和稀 土所取代。但是锰能稳定珠光体。因此生产中选择0 3 一0 5 的m n 。铬元素能起到细 化和增加珠光体的作用，实际生产中如果不加其它增加球光体的元素，则应加入0 3 - - 0 4 的c r 。如果加入锡之类的元素，则尽量少加或不加铬，以减少铸件的收缩特性。 磷 蠕墨铸铁与球墨铸铁相似，具有良好的力学性能，特别是冲击韧性。蠕墨铸铁中磷 含量过高会形成磷共晶，提高脆性转变温度，降低冲击韧性，易使铸件出现缩松和冷 裂。因此生产中磷含量控n o 0 5 。 硫 硫是消耗蠕化剂的元素，蠕化剂加入铁液中首先用于脱硫和脱氧，剩余的蠕化元素 才能使石墨蠕化。因此硫越高蠕化剂加入量越高，越容易形成硫化夹渣，恶化性能，加速 衰退。同时硫又在一定范围内可放宽蠕化剂添加范围，便于生产控制。因此生产中视冲 天炉处理还是电炉处理控制s 量在o 0 2 一0 0 5 左右。 蠕铁生产中硫对蠕铁处理的影响是非常大的，铁水蠕化处理过程中遇到最多的问题 是蠕化不成功。蠕化不成功相关的因素较多，但主要是硫的影响，随着硫量的增加，必 须相应增加蠕化剂的量，同时铁水中的熔渣成份也会增加，铁水的流动性会变差，对铸 件的质量是一个很大的影响。如果蠕化剂的加入量未随着硫量增加而增加，就会直接导 广西大掌工程硕士掌位论文 蠕墨铸铁，o 比量生产关键技术的研究 致铸件蠕化不良甚至灰化。 我厂生产蠕铁初期，由于对原材料的认识不足，原铁水含硫量高的达到0 0 6 5 ， 低的也有0 0 4 5 。硫对蠕铁的生产影响见表3 1 ，表中铁水重量为1 3 t 。 表3 1 原铁水含硫量对铸件的影响 t a b3 1s u l f u ri no r i g i n a li r o ne f f e c to nc a s t i n g 从表3 1 中可以看出，蠕化剂加入量达到了铁水的1 2 1 5 左右，但由于原铁水 硫含量较高，因此蠕化率稳定性差，灰化比较严重，如图3 1 所示。 图3 1 蠕铁灰化示意图1 0 0 x f i g 3 - 1s k e t c hm a po f v e r m i c u l i z i n gf a i ll o o x 广西大学工程硕士学位论文蠕墨铸铁大批量生产关键剪沐的研究 3 1 2 蠕墨铸铁化学成份的优化 根据我厂的生产情况，选择了2 1 种蠕铁成份进行试验，试验结果见表3 2 。 表3 - 2 不同成份蠕化处理情况 t a b3 - 2d i f f e r e n te l e m e n t v e r m i c u l i z i n gs t a l = u s 。 序号蠕化 c s s i m n p c r m 0 c u 异常情况 率 13 7 40 0 2 8 21 6 50 4 2 70 0 4 40 1 2 80 0 2 40 5 4 29 5 23 80 0 2 3 11 90 3 8 70 0 40 1 50 0 2 6o 68 5 33 8 2 0。0 , 0 2 3 22 0 2 00 3 8 40 0 3 80 1 4 20 0 6 70 6 3 49 5 43 8 30 0 2 71 80 4 2 80 0 4 50 1 2 80 2 2 30 5 1 49 5 不均匀 53 8 60 0 2 51 80 4 3 9o 0 5 10 1 2 30 0 6 70 6 2 37 5 63 8 80 0 2 5 61 6 80 4 3 30 0 4 40 1 3 40 0 2 40 5 8 78 5 不均匀，侧凹严重， 73 90 0 2 6 91 80 4 2 90 0 4 50 2 6 80 0 2 40 5 7 19 5漏水高 83 9 10 0 2 71 80 3 9 50 0 4 40 1 3 40 0 2 70 5 3 19 5 不均匀 93 9 20 0 2 0 61 9 50 4 50 0 4 30 0 6 60 0 2 30 5 38 5 不均匀 1 03 9 20 0 31 7 30 4 00 0 50 1 30 0 20 5 19 5 侧凹严重，漏水较 1 13 9 20 0 2 8 1 7 3 0 4 2 7 0 0 4 4 0 2 6 30 0 2 40 5 5 79 5 1 23 9 30 0 2 8 l1 6 30 4 4 30 0 4 40 1 3 90 0 2 50 5 3 18 5 1 33 9 3 0 0 2 6 1 8 0 4 4 1 0 0 4 4 0 1 3 70 0 2 50 5 4 29 5 1 43 9 40 0 2 61 90 4 2 40 0 4 80 11 10 0 2 40 5 69 5 侧凹严重，漏水高 1 53 9 40 0 31 7 10 4 20 0 40 2 70 0 20 5 99 5 1 63 9 7 0 0 2 7 7 1 6 10 4 1 60 0 4 30 1 3 90 0 2 40 4 9 59 5 1 74 0 60 0 2 4 41 50 3 3 50 0 3 60 1 3 30 0 7 50 4 7 68 5 1 84 110 0 2 71 6 50 3 6 90 0 3 80 1 30 0 7 40 5 2 59 5 石墨飘浮 1 94 1 30 0 3 1 6 9 0 4 1 0 0 30 1 5 0 0 7 0 6 7 9 5石墨飘浮 2 04 2 30 0 2 8 41 6 70 3 8 70 0 2 80 1 4 80 0 7 40 7 1 28 5 石墨飘浮 2 1 4 2 6 0 0 2 9 1 6 l 0 5 3 6 0 0 4 8 0 1 9 4 0 0 8 0 7 8 88 0石墨飘浮 从表3 - 2 可以看出，在铁水硫量基本稳定在0 0 3 以下的前提下，蠕化率全部大于 7 0 ，但是序号为4 、7 、8 、9 的包次存在蠕化后金相不均匀的情况，见图3 - 2 。此四种 成分的共同点为硅量偏高，达到或超过了1 8 ，当然不是说硅量超过1 8 ，就一定会 广西大学工程硕士学位论文 蠕墨铸铁j d 出量生产誊婚宅技术的研究 出现蠕化不均匀，但是在一定程度上大大增加了蠕化不均匀的机率。出现这种情况的原 因就是硅的增加，强化了基体中的铁素体，并使球状石墨增加，所以原铁水硅量应不大 于1 8 为宜。 图3 - 2 蠕化不均匀示意图1 0 0 f i g 3 2s k e t c hm a po f n o te v e nv e r m i c u l i z i n gl o o x 序号为7 、1 1 、1 5 三种成分则存在大三角试片侧凹严重，铸件漏水率高的缺陷，见 图3 3 。经分析其主要原因是因为铬含量水平较高，铬一方面虽然能增加并细化和稳定 珠光体，但另一方面也增加了白口倾向。使铸件收缩倾向增大，更容易造成铸件的漏水。 考虑到后者，原铁水中含铬量应小于0 1 5 为宜。 图3 - 3 铸件侧凹示意图 f i g 3 3s k e t c hm a po f c a s t i n gr e e n t r a n t 1 5 广西大学工程硕士掌位论文 蠕墨铸铁大批量生产关键技术的研究 序号1 8 、1 9 、2 0 、2 1 四种成分生产出来的铸件上表面部分有密集的气孔，见图3 4 ， 图3 5 是铸件解剖后的s e m 图。 图3 4 铸件上表面有小孔洞 f i g 3 - 4s m a l lc a v i t yi nc a s t i n gu p p e rs u r f a c e 图3 5 缺陷表面的区域石墨分布1 6 0 0 x f i g 3 5t h eg r a p h i t ed i s t r i b u t i o no f h o l es u r f a c e1 6 0 0 x 由图3 - 5 可见，缺陷处的铸件表面存在团状、开花状石墨层，其深度约3 4 m m 。 为石墨飘浮。基于此原因，原铁水的碳含量应严格控制不大于3 9 5 。 基于以上理论分析及实验结果，并结合我厂生产实际，得到我厂最优蠕铁原铁水的 化学成份如表3 3 所示： 1 6 - 西大学工程硕士掌位论文蠕墨铸铁j 寸比t l - 生产关键技术的研究 表3 3 原铁水成份 t a b3 - 8e l e m e n to f o r i g i n a li r o n 3 2 降低铁水含硫量的研究 众所周知，硫在蠕墨铸铁中是反蠕化元素。当蠕墨铸铁的原铁水中硫含量0 0 3 时， 硫首先与蠕化剂反应，大量消耗蠕化元素，造成硫化物夹杂，剩下的蠕化元素才能起到 蠕化作用。由此可见，稳定地控制原铁水中硫含量在较低的范围内，是成功地大批量生 产蠕墨铸铁的关键。 3 2 1 铁水中硫的来源 在双联熔炼过程中，铁液中硫主要来自焦炭，在熔炼过程中，焦炭中的一部分硫转 化为s 0 2 进入炉气，被铁料和铁液吸收： 3 f e + s 0 2 f e s + 2 f e o l0 f e o + s 0 2 f e s + 3 f e 3 0 4 当铁料和铁液氧化严重时，后一反应更加剧烈。 铁液与焦炭接触，焦炭中的硫直接溶于铁液，增硫多少与焦炭的质量( 主要是焦炭 的含硫量) 、焦炭用量及熔炼工艺有关。 表3 4 、表3 5 是一组实验数据，表3 4 中的铁焦比均为1 2 3 。从表3 4 的实验数据 可见，焦炭的质量，特别是焦炭的含硫量严重影响着原铁水的含硫量，焦炭的硫量每增 加0 0 1 ，原铁水中的硫量将增加o 0 0 2 0 0 0 3 。表3 5 表明了铁焦比与原铁水硫含量 的关系，从表3 5 可以看到，铁焦比与原铁水硫含量存在着密切的关系，当铁焦比从1 2 3 下降到9 4 时，原铁水硫量将从0 0 2 5 增加到0 0 4 1 。可见，使用质量好( 含硫量低) 的焦炭和提高铁焦比是降低原铁水硫量的关键。 1 7 广西大学工程硕士学位论文蠕墨镪瞅大批量生产关键技术的研究 表3 4 焦炭含硫量与原铁水硫量关系实验数据表 t a b3 - 4t h ee x p e r i m e n td a t eo f t h er e l a t i o nb e t w e e n s u l f u ri nc o k ea n ds u l f u ri ni r o n 炉次 层铁加入量( 蛞) 层焦加入量焦炭平均含硫量铁焦比原铁水硫量( ) ( 出酉生迭q ! q2( k2( 竖2 l 8 0 06 50 1 71 2 30 0 2 5 8 0 0 8 0 0 8 0 0 8 0 0 7 0 7 5 8 0 8 5 0 1 7 0 1 7 o 1 7 0 1 7 1 1 4 1 0 7 1 0 9 4 0 0 2 9 0 0 3 3 0 0 3 7 0 0 4 1 3 2 2 炉外脱硫工艺的研究 表 3 - 5 铁 焦 比 与 原 如上所说，硫是消耗蠕化剂的元素，生产中希望硫越低越好，硫越低蠕化效果就越 稳定。为了保证蠕铁生产的质量，我们研究了炉外脱硫工艺以降低原铁水的硫量。生产 实践表明，采用炉外脱硫工艺对稳定蠕化效果、提高蠕铁生产质量方面效果较显著，但 是由于我厂老车间采用的是2 条7 吨工频无芯感应保温电炉，所以在在降低生产成本、 提高生产效率方面效果不明显。 研究中选用两种脱硫剂进行炉外脱硫，一种是采用稀土镁合金作为脱硫n t l 9 】，另一种是 采用纯碱作为脱硫剂。脱硫工艺如下：先将铁水在工频炉内提高到1 5 0 0 度左右，在包底 加入合金或纯碱脱硫剂，浇包充满铁水后充分搅拌，待反应结束后扒渣干净，再将铁水 倒回工频炉精炼。 实验结果表明，含硫量高达0 0 4 5 0 0 6 5 的高硫铁水，经炉外脱硫后，铁水含硫 量可下降为0 0 3 0 0 4 左右，由于原铁水含硫量降低，蠕化效果稳定，显著提高了蠕 铁生产质量。此外，由于原铁水中含硫量降低，这对于减少铁液浮渣、提高铁液的流动 广西大学工程硕士学位论文 蠕墨铸铁大批- ! - 生产关键技术的研究 性、降低铸件夹渣、冷隔、漏水等缺陷都是十分有利的。同时，因为原铁水含硫量降低， 蠕化剂的加入量也可相应地有所减少，由原来的1 2 1 5 降低到o 8 1 o 左右，这在一 定程度上也降低了生产成本。但是，炉外脱硫也有它不足的一面，其一是脱硫后如果扒 渣不彻底，脱硫后的铁水经长期放置，铁水又回硫。这对于大批量、自动化连续生产的 生产现场是不适应的；其二是经脱硫后的铁水特别是用稀土镁合金脱硫的铁水，精炼时 间一旦不够，脱硫后的铁水在薄壁处产生较大的过冷倾向，导致薄壁处( 3 m m 以下) 缩松严重，废品率高达9 5 ，致使无法正常生产。其三是炉外脱硫时间较长、脱硫后精 炼时间较长，这都影响了生产效率。此外，还增加了脱硫剂的生产成本。 研究结果表明，采用炉外脱硫工艺对稳定蠕化效果、提高蠕铁生产质量方面效果显 著，但在降低生产成本方面效果不明显。 也有资料介绍了外内脱硫的工艺，但是一方面考虑到我们使用的是酸性炉，炉内脱 硫难免对炉衬造成较大腐蚀，另一方面，我们的炉子是7 吨炉，炉内脱硫会产生大量渣， 如处理不当，会造成批量废品。 3 2 3 精选原材料提高铁焦比降硫法的研究 2 0 】 如何在不增加成本的情况下通过降低铁水中的硫量，从而减少蠕化剂加入量来提 高铸件的质量，是我们追求的目标。 从前面的实验结果和分析( 见表3 4 、表3 5 ) 表明，使用质量好的原材料，特别是 质量好的的焦炭( 含硫量低) 和提高铁焦比是降低原铁水硫量的关键。结合我厂长期的 生产实践，我们进行了“精选原材料提高铁焦比降硫法”的研究，研究结果表明，精选 原材料提高铁焦比降硫法是可行的，该工艺不但可使原铁水含硫量降低，蠕化效果稳定， 显著提高蠕铁生产质量，而且还大大降低了蠕铁生产成本。 所谓精选原材料即是严把原材料关，选择优质材料作为蠕铁生产的原材料，研究中 使用的蠕铁原材料组成如下： 生铁：q 1