乘用车缸体熔炼技术.doc

乘 用 车 缸 体 熔 炼 技 术 二铸厂2009年乘用车缸体生产情况全年生产合格缸体87万件，其中：06A缸体：40万件；EA111缸体：35万件；050缸体：6.8万件；TA1缸体：0.8万件；其余为：三菱4G6系列缸体；德国大众系列缸体占92%以上。 大众系列缸体材质技术标准l 化学成分（按重量百分比）：CSiMnPSCrCuTiSnPbSc3.03.51.82.70.31.00.20.140.150.450.80.030.10.10.0080.98注：EA888缸体Ti:0.010.03l 金相组织：基体组织石墨形态石墨大小氮化钛和碳化钛数量片状珠光体，铁素体5%A形B形小于或等于5%A3A5摩擦面区域内的组织钛化物数量5070颗/mm2 l 机械性能：硬度 195+40HB 5/750 本体抗拉强度 Rm220Mpa，实际检验时检测楔压强度，换算公式为：Rm=1.86 X Rk-64（换算后Rk为153MPa） 楔形抗压强度Rk在一块检验横截面为6X20mm的试样上测定，试验要求楔角90010，切削刃半径0.2mm。德国EB公司概况：EHSEBERW集团SSF(上海圣德曼)l 80年历史的家族式工厂 世界上技术最先进、成本最低、质量最好主要设备1台冲天炉 2台工频炉 2台气压浇包 1托2中频电炉l 2007年产量29.3万吨，生产缸体503万件，产值3.3亿欧元。员工1380人，另150长期雇佣的临时工，年人均生产缸体192吨。主要客户：l 熔化设备及工艺流程 EB厂有一台90T/h的热风富氧冲天炉，每次连续开炉一周，主要工艺参数如下：风口处炉子内径：2.5m 冲天炉送风量：2.83.5万m3/h富氧方式：风口喷氧 富氧量：25004000m3/h热风温度：500 冲天炉实际能力：85T/h冲天炉铁水出炉温度：15501560冲天炉铁水由压力撇渣器将铁水和炉渣分离，炉渣流入渣斗，铁水经流槽进入一台115吨的有芯感应保温炉存储。保温炉出炉温度为15001520,流入额定容量15吨（实际容量14吨）的铁水转运包，在此时要进行铁水成分及白口的调整，调整时Sn称量好后用手工加入。其它如：C、Si、Mn、Cu及孕育剂由设在地面的合金料仓提供。每个合金料仓都有给料器，给料器将要添加的物料加到一个有称量装置的锥形料斗中，锥形料斗将物料收集完成后沿轨道行走，将料卸到一个高斜度爬坡的皮带机上，皮带机将料运至冲天炉平台，并卸入一个向下斜度较大的下料管中，最后料沿下料管落到保温包出铁水流中，加入转运包内。转运包由天车提升翻转，将铁水倒入通向气压保温浇包的流槽，同时向两台30吨气压保温浇包注入铁水，每个气压保温浇包具有两个下水口，两台气压保温浇包可同时浇注四箱铸型以满足气冲线280箱/h的生产能力。气压保温浇包每天要更换一次塞杆，更换速度较快，约为510分钟即可更换完毕。铁水浇注时由孕育给料机进行随流孕育或补加钛铁合金粉。除此之外，在冲天炉旁还设有一台18吨的保温炉，在隔壁另一单独厂房内还设有一拖二8T中频感应炉，这两套设备是单独向一条老式生产能力为150型/h的振击造型线供应铁水的。中频炉生产铁水成分有特殊要求的如GJA缸体的铁水，一般是早班生产。其它班次生产如无特殊成分要求的缸体铸件时，则由18T保温炉提供铁水，铁水由倒运叉车运输，手工浇注。l 熔炼工艺1. 冲天炉配料该厂冲天炉配料不采用生铁，除了冲天炉增碳效果较好外，还与加铁屑压块有关，铁屑成分与回炉料相同，相当于多加回炉料，两者之和为4054%（我厂为36%左右）。冲天炉每批料重6吨，其配料如下：普通废钢打包废钢回炉料铁屑压块FeSi硅合金FeMn焦炭石灰石鹅卵石SiC4850%1214%2628%1228%1.6%1.8%0.2%12.513.5%3.3%0.18%1.4% 打包废钢尺寸约为300X300X300mm；铁屑压块压的非常结实，看不到有散碎的状态，尺寸约为200X200mm。加入的鹅卵石就是我们常见的河卵石，据其介绍加入目的是为了造渣，冲天炉铁水成分每15分钟检验一次。2. 浇注温度 经过确认，EB厂不仅是EA888缸体，包括现在他们所生产的所有缸体的浇注温度都是14401460。 3. 铁水孕育处理EB厂非常重视铁水的孕育处理，采取了多次强化孕育。第一次孕育是在保温炉内15吨铁水转运包注入铁水时进行随流孕育，第二次孕育是在浇注时进行瞬时孕育，此时孕育又因不同缸体分为两种孕育方式，一种单独采用随流孕育；另一种采用型内孕育加随流孕育复合方式，型内孕育块为普通的75硅铁粉压制而成。两次随流孕育剂均采用同一种含锶含锆成分的硅系列孕育剂，仅粒度不同。第一次倒包随流孕育剂粒度为5mm左右，浇注随流孕育剂粒度为0.4mm左右。EA888缸体在EB厂生产浇注时只采用随流孕育。8mm60mm35mm具体做法是，保温炉每隔30分钟同时取三种试样，一种是光谱试样，供光谱分析铁水化学成分；一种用芯子做模样浇注的三角试片，三角试片尺寸如下： 三角试片的白口不是测高度而是测白口宽度，白口宽度合格范围为1.55mm。另一种是热分析试样，同时浇注两个，一个是样杯里涂有碲粉涂料的，浇注后侧出C、Si成分，另一个是没有碲粉涂料的，测定铁水的过冷度，根据铁水过冷度的大小，在00.1%的范围内决定孕育剂加入量的多少。在气压保温浇包处同时取这三种试样，不同是气压保温浇包每20分钟取一次样，随流孕育剂的加入量根据铁水的过冷度在0.070.1%范围内调整。据EB厂介绍，通常情况下气压保温浇包的白口比115吨保温包小，这主要是因为倒运铁水时加入了孕育剂或具有孕育作用的合金。并且他们无论是保温炉或气压浇包，压铁水用的都是氮气，铁水得到了保护不继续氧化，在气压浇包Ti量不足时，浇注时还采用随流孕育的方法补加含Ti为10%的钛合金粉加以补充。德国哈尔博格公司概况：l 哈尔博格铸造厂是德国一家较大的专业铸造厂，公司有员工1600人，其中萨尔布鲁肯厂1200人，莱比西厂400人。分厂萨尔布鲁肯厂莱比西厂年产值1亿3千1百万欧元4千9百万欧元年产量136600吨40500吨轿车缸体1942000件525000件卡车缸体143000件27000件曲轴142400件缸盖222000件 萨尔布鲁肯厂共生产35种缸体铸件，产量件数最大的是轿车缸体达250万件。主要供货厂家：大众公司44%，通用公司18%，宝马公司10%，还有道依茨和福特等共9家汽车公司。l 主要熔炼设备：一台36T/小时，650热风的富氧送风冲天炉。两台工频保温炉，一台45吨，一台90吨。四台12吨的中频炉。其中一条生产线用16T气压保温浇包（有效容量12T），其余3条线用1吨自动浇包浇注。l 缸体铸件化学成分（按重量%）： CSiPSMnCrCu(Cu+Cr)TiAlPbNSn3.33.42.02.150.090.080.150.50.70.150.280.40.80.030.04120ppm30ppm80110ppm0.030.06l 冲天炉配料：（每批金属料重3T） 废钢2040Kg68%生铁180 Kg6%回炉料780 Kg26%焦炭330 Kg石灰石108 KgSiC150 Kg鹅卵石50 Kgl 铁水保温炉出炉温度14801510，浇注温度14301460。该厂十分重视铸件的孕育工艺，浇注过程中始终都在加75SiFe进行随流孕育。l 该厂在包内加入FeMnN是它的一个特色，这种氮化锰铁其实就是含锰为70%的锰铁。据说加入氮化锰后可将铸铁中的氮含量提高至120150ppm，N可以提高铸件的强度，同时有利于钛在铸铁中的分布。 国内部分乘用车缸体产量较高铸造厂概况l 华东泰克西铸造厂和日本独资昆山铸造厂是产量较大，设备比较先进的专业铸造厂，由于我们在国内是同行存在着竞争的关系，这两个厂不允许我们的技术人员参观考察，目前还没有详细的资料。据去过这两个厂的人员讲，华东泰克西是采用热风冲天炉熔化铁水的 ，昆山铸造厂是中频炉熔化铁水的。近期由于二铸厂要进行增加产能的改造，将派人去这两厂考察，过后相信会获得较为详细的材料。l 烟台大宇铸造厂的概况： 烟台大宇公司97年4月破土动工，99年4月30日试生产结束，公司下设发动机、传送器、铸造厂、铸造铝厂和锻造厂。其生产纲领为30万台/年，主要生产排量为1.3升、1.5升和1.6升三种发动机，产品完全返销韩国。大宇铸造厂金属熔炼设备采用美国英达公司生产的中频感应炉，为两套一托二的8吨炉。电炉的额定功率为6000KW。生产缸体时的铁水出炉温度为150010。铸造厂使用的炉料除生铁、废钢外，均为进口材料。生铁为本溪生铁，废钢为车身钢片的压包块。该厂使用的回炉料全部经过抛丸处理，保证了炉料的洁净。他们在铸件生产中非常重视孕育处理，采用进口孕育剂，缸体生产中分三次进行孕育处理。第一次孕育在20吨运输包中孕育，孕育剂为锆基孕育剂或ZL80，孕育剂规格为0.42.0mm，加入量为0.2%，加入方式为随流孕育；第二次孕育在浇注铸件过程中随流孕育，孕育剂同为锆基孕育剂或ZL80孕育剂，孕育剂规格为0.10.7mm；第三次为型内孕育，孕育剂为25号孕育剂，加入量为0.0080.01%，加入方式为造型时用定量勺加入下型腔中。铸造二厂概况l 主要熔炼设备两台20T热风冲天炉，热风温度350左右。两台45T有芯工频保温炉，两台8T气压保温浇注炉，及两台主要是备用的机械浇注机。l 冲天炉铁水出炉温度15001530冲天炉配料如下：（金属批料重1.4T）废钢回炉料生铁75硅铁MnFeCrFe焦炭石灰石SiC40%60%30%45%10%20%1.6%2.%0.3%0.5%1.4%12% 14%4%5%1.7%l 浇注铁水温度根据不同的缸体，铁水浇注温度范围为14101460。 l 乘用车缸体材质要求的特点： 机械性能、金相组织及化学成分必须满足需方的技术要求外，在机械加工过程中铸件的切削性能要好，这是需方对乘用车缸体铸件要求的一个突出的特点。这主要一是因为切削刀具消耗的费用占机加工费用中是最大的一块成本。据一汽大众公司统计，加工一件2003年生产的国产化缸体比德国进口刀具费用增加27元；二是因为切削性能差，刀具磨损严重，频繁更换刀具严重的影响工作效率，特别是精膛缸孔这道工序，更换一次刀具费时2030分钟，每班至少更换23次刀具，生产能力下降非常严重。德国件国产件加工量（mm）切削速度换刀频次加工量（mm）切削速度换刀频次粗镗2800m/min400/刀2800m/min5080/刀精镗0.5800m/min800/刀0.5800m/min110170/刀 国产06A缸体很早在2000年7月19日就获得了OTS样件的认可，但是在2004年以前一直不能大批量供货，其主要原因就是因为国产缸体铸件切削性能差。国产化缸体切削性能差，是国内铸造专业厂普遍碰到的难题，产生的原因主要是公司水平的原因，当然也有原材料质量方面的原因，因此乘用车缸体的熔炼技术有着与传统的熔炼技术相同的一面，也有独特的一面。铸造二厂的熔炼技术l 冲天炉配料：（金属批料重1.4T）废钢回炉料生铁75硅铁MnFeCrFe焦炭石灰石SiC40%60%30%45%10%20%1.6%2.%0.3%0.5%0.150.25%12% 14%4%5%1.7%l 冲天炉铁水温度 提高冲天炉的出炉铁水温度，其实质是提高铁水的过热度，其结果会取得诸如石墨细化、机械性能提高等诸多效果，这方面许多文献都有过大量的论述。为提高铁水温度，我们曾在相当长一段时间内使用含灰分为8%的高质量铸造焦，但此种焦炭价格太高。以后我们又换用了含灰分为10%的铸造焦，即便如此我们也不过分的追求焦铁比，始终把铁水温度控制在15001530范围内。 l 在冲天炉内加入SiC以提高铁水的质量 冲天炉的熔化过程从始至终都是在氧化的冶金过程中进行的，过程控制不利，铁水氧化倾向增大，炉渣中FeO含量增高，将会对铁水的流动性、白口倾向和机械性能带来不利的影响。冲天炉铁水氧化倾向大小，可由冲天炉炉渣中的FeO含量的高低来判定。一般认为炉渣中FeO含量超过5%为氧化严重，铁水质量较差，3%5%，尚可，小于3%以下铁水质量较好。为了降低炉渣中FeO的含量，我们采取了在冲天炉内加入SiC的工艺措施，加入SiC的主要作用是脱氧，提高铁水的冶金质量，同时加入SiC还具有增硅、增碳的作用，经济效益也比较好，没加入SiC前炉渣FeO含量大多在3%左右，加入SiC后FeO含量降到了2%以下，效果非常明显。2003年12月份全月每天对炉渣取样检测结果，FeO含量均在1.7%以下。l 铁水的化学成分1. C和Si是铸铁中最基本也是最重要的两个元素，铸铁的机械性能、铁水的工艺性能与C、Si两元素有很强的对应性，在碳当量一定的情况下，适当的提高Si /C比，不但可以获得较高的机械性能，同时可以改善石墨形态。碳当量3.974.10%是比较适宜的范围，此时如能将碳控制在3.33.35%，最终硅含量2.12.3%是最佳的组合。 2. 硫和锰硫：在很长一段时间人们都把硫做为一种有害元素来加以严格限制。随着孕育处理技术的应用，对硫有了一个重新的认识，灰铸铁中的 硫0.05%是十分有害的，石墨形态差，孕育效果也差。含硫在0.1%左右是比较合适的 ，增硫可以改善石墨形态，提高机械性能说法也是错误的 ，单纯的增加硫量是于事无补的，只有在采用了孕育处理技术的情况下，这种说法才成立，究其原因是因为硫量的增加大幅度的提高了孕育效果而至。锰：锰是最廉价的合金元素，在一般的灰铸铁中锰的含量通常1%，这时显然不会对铸铁的合金化有很大的影响，所以此时我们不应把它作为一种合金化的元素看待。由于锰与硫可以结合成MnS,推荐沿用Mn=1.7S+(0.30.4)Mn的经验公式，将锰含量控制在0.6%左右为宜。 3. 铬和铜在实际应用中Cr、Cu、X、Sn是联合应用，其含量也是统筹考虑的，但因为Cr和Cu是常用一般的合金元素，而X、Sn是微量元素，故在这里分开论述。Cr：在铸件切削性能要求非常高时，不宜单独使用。Cr是提高机械性能非常有效的元素，但较高的Cr会使铁水白口倾向增大，铸件硬度增加。我们曾做过实验，一段时间内不加Cu，只将Cr提高至0.30.4%来进行合金化处理，结果证明切削性能非常差，缸体粗镗只能维持在5080件就必须更换刀具。通常按需方要求的下限控制既0.150.25%。Cr+Cu：铜是一种很好的合金化元素，它对铸件的硬度及切削性能的影响表现为双重性，它可以明显的改善铸件的硬度，改善粗镗的加工性能，但加入量过高，铸件的B形石墨增多，且切削变粘，切削时断屑性能变差，从而使缸体精镗切削性能变差。我们曾对成分为：Cr：0.2%，Cu：0.7%和 Cr、Cu均为0.3%的两种方案相比较，前者粗镗仅为101148件，而后者达到了160270件。Cr和Cu要有一个合理的搭配，Cr+Cu在0.50.7%范围比较适宜。4. X和Sn X和Sn同为两种微量元素，它们都是强烈的稳定珠光体元素，但X得作用远比Sn强烈，灰铸铁中当含X量为0.020.06%是，即使是厚