汽车用排气歧管材料的应用现状及发展方向研究论文电子版下载

汽车用排气歧管材料的应用现状及发展方向研究论文电子版下载 octxxVOI57NO10铸造F0UNDRY10o1，l专题综述、-n_，汽车用排气歧管材料的应用现状及发展方向崔晓鹏，刘海峰，王成刚，曹占义(1长春工业大学材料科学与工程学院，吉林长春30012；2一汽铸造有限公司技术中心，吉林长春13062；3吉林大学材料科学与工程学院，吉林长春13025)摘要综述了汽车用排气歧管材料的主要性能和发展历程。 随着汽车发动机压缩比提高，排气温度随之提高，排气歧管材料经历了灰铸铁、球墨铸铁、硅钼铸铁和高镍球铁这一发展过程，文中讨论了上述材料的特点。 结合一汽铸造有限公司硅钼球铁和高镍球铁排气歧管的研究与开发，论述了排气歧管材质研发存在的问题和主要发展方向。 关键词排气歧管；铸铁；硅钼球铁；高镍球铁T G11325；T G13261A014977 (208)104Pr esenS atus andDevel opmentTr endof Exhaus t Mani f ol d Mat e i al sf or Aut omot i veEngi neCUI Xi aopeng，LI UHai-f eng，WANG Chenggang，CAO Zhanyi。 (1Ma te r i al Sci e nceE e r i n gSch o l，C ac hu nUn iv er s i tf te c h nl og y，Ch a n gch u n130011，J i l i n，Chi na；2R&D Cen t er，FAW FoundCo，L td，Chang chu n130062，Ji l i n，Chi na3Ma terial Sci e nc e&E eri n gSch ol，J i l nUn iv er s i ty，Ch a n gchun13025J i l in，Ch in a)Ab s t r ac tTh e m jp e i s o fe xh au t i oI d ma rial sf o rAut omot iv eg in eand t h e i rdevel oping pr ocess wer e summari zedint hi s paperDue ot heexhaus temper at ur e i ncr eases wi t ht he incr easi n g pre si onrai oo f t heengi ne，t heexh aus t mani f oI dmat er i al s hadex peri enceds ever aIst agesincl udin ggr ey cast i r on，duct i l e i r on，si l i conmol ybd enumduct i l e i r on and hi gh ni ckel duct i l ei r onThe charac sti cso dif erent mat eri alswe er evi ewedCombni ngwi ht her esearch and dev el opmen t of FAvV FoundCo，L l d。 f0r sili conmol ybden umandhi ghn i ckeI ductileir ont hepr oblems exist edint her esearch and devel opmentof exhaust mani f oIdmaterials andt hedevel oping t r endweredi scussedKey wordsex haustmanif old；ca stir on；silicon-mol ybde numdu ct lieir o n；highni ckeI ductlieiron通常，汽车发动机所用的排气歧管被视为非关键铸件。 在实际工况条件下，发动机排气歧管工作条件恶劣，处于循环交变温度状态下，受热温度不均匀，表层与内腔温度相差数百度，需要排气歧管具有很好的高温力学性能和使用性能。 从20世纪70年代起，出于保护环境和节约资源方面的考虑，在“提高压缩比、改善燃料燃烧效率、减少排放”等方面，不断对汽车发动机提出新的要求。 这种形势不仅推动了汽车发动机行业在各个方面的进步，也促进了铸造行业在生产技术和铸件材质方面的发展。 为适应催化技术和蜗轮增压技术应用以后，发动机排气温度不断提高的要求，需要开发用于耐热排气歧管的新材料，使其适应发动机性能的改善和提高，并加强优化产品功能和降低生产成本方面研究和开发工作。 1排气歧管材料的特性及要求早期的汽车发动机，单位重量的功率低，燃料的燃烧效率不高，所排出的废气温度不超过500。 随着汽车发动机效率的提高，排气温度提高到60650。 发达国家近年来不断提高汽车尾气排放标准，催化技术和蜗轮增压技术的应用更是显著提高了排气歧管的工作温度，达到了750以上。 随着发动机性能的进一步提高，排气歧管的工作温度还要提高。 与此同时，随着发动机技术的进步，排气歧管的结构也随之复杂化，加之在循环交变温度状态下工作，要求排气歧管材料不仅要具有良好的高温性能，还要具备良好的铸造性能。 因此排气歧管材料必须具备如下特性。 (1)良好的高温抗氧化性能排气歧管长期在高基金项目吉林省科技发展计划项目(2703l O)。 280221收到初稿，2080825收到修订稿。 作者简介崔晓鹏(1972一)，女，辽宁营口人，讲师，工学博士，研究方向为轻合金半固态成形技术及高性能汽车材料。 E-ma il cu ix ia ope ng204126c or n1002F OUNDRYoctxxVo157No10温循环交变状态下工作，材料在高温下的抗氧化性能直接影响到排气歧管的使用寿命。 普通铸铁显然无法满足要求，需要在材料中加入合金元素提高材料的高温抗氧化性能。 (2)稳定的显微组织在室温至工作温度范围内，材料应尽可能不发生相变或尽量减少相变。 因为相变会造成体积的变化，使之产生内应力或变形，影响产品的使用性能和寿命。 因此基体材料最好是稳定的铁素体或奥氏体组织。 在高温条件下工作的铸铁零件的破坏形式主要表现为高温条件下的腐蚀，组织中的组成相氧化后(如石墨碳)，氧化物的体积大于原有体积，引起铸件的不可逆膨胀。 片状、蠕虫状、球状三种石墨形态相比，球状石墨的铸铁耐高温性最好，原因在于铸铁在凝固过程中，片状石墨为领先相生长，至共晶凝固结束时，每个共晶团内的石墨构成连续的分枝立体形态，高温下，当氧侵入金属内部，石墨经氧化后，形成一个微观通道，加速氧化过程的进行。 球状石墨形核时，单独成长一定尺寸后，被基体包围，以孤立的球存在，在石墨球被氧化后，不会形成通道，因而减弱了氧化的进一步进行，所以球墨铸铁的抗高温氧化性能好于其他形态的石墨，并且氧化后的孔洞对铸铁的高温强度较其他形态的石墨影响小，蠕墨则介于二者之间。 (3)热膨胀系数小小的热膨胀系数有利于减小排气歧管的热应力和热变形，有利于提高产品的使用性能和使用寿命。 (4)优良的高温强度必须满足产品在高温下使用时的必要强度要求。 (5)良好的工艺性能和低成本耐热、耐高温金属材料种类很多，但由于排气歧管复杂的形状，用于制造排气歧管的材料必须具有良好的工艺性，而且其成本必须满足汽车工业批量生产的需求。 2用于制造排气歧管的材料21灰铸铁灰铸铁具有极好的铸造成形性能，生产成本低，质量易于控制，目前一汽集团仍然大量采用HT250材料制造发动机排气歧管。 表1和表2分别给出了用于制造排气歧管的灰铸铁的主要化学成分，组织和主要性能。 由表1和表2可见灰铸铁的力学性能较低，其最高工作温度也比较低。 通过加入cr、Ni、S i等合金元素，可以提高灰铸铁的力学性能和抗氧化性能，但对于提高工作温度有限，因此灰铸铁主要用于较低温度负荷排气歧管的制造。 表1铸铁排气歧管主要化学成分Tabl e1T ch mic ac o mp osi tio o c iron e xha ustmanif old灰铸铁普通球铁硅钼球铁高镍球铁普通蠕铁铁索体基体，珠光体含量5，且无一次渗碳体铁素体基体，珠光体含量5，且无一次渗碳体铁素体基体，珠光体含量5，且无一次渗碳体奥氏体基体+晶界处少量碳化物铁素体基体，珠光体含量10，且无一次渗碳体硅钼蠕铁铁素体基体，珠光体含量52404145504504005500415520352540650870925800900-2球墨铸铁球墨铸铁不仅具有良好的铸造工艺性能，而且具有较好的力学性能和抗氧化性能，特别是热疲劳强度远高于灰铸铁，是目前高性能发动机排气歧管的主要材料。 用于制造排气歧管球铁的基体组织为铁素体，并严格控制珠光体含量，尽可能减少材料在使用过程中产生相变，以降低排气歧管在工作过程中产生的内应力，延长使用寿命。 普通球墨铸铁的制造成本较低，耐热性能优于灰铸铁，但仍仅适用于热负荷较低的柴油发动机。 东风汽车股份有限公司铸造分公司生产的康明斯6BT柴油发动机排气歧管采用了球墨铸铁(材质相当于中国QT42015)【3_，可承受从常温到750高O7O07548395l12l l2O l O5354824Ol12铸造崔晓鹏等汽车用排气歧管材料的应用现状及发展方向l03温的激热、激冷交变温度状态，具有优良的高温尺寸稳定和耐高温冲击性能，所采用球墨铸铁的化学成分等主要指标见表1和表2。 为进一步提高球铁排气歧管的抗高温性能，还可以采用合金化的方法提高基体组织的稳定性，主要有硅钼球铁和高镍球铁。 221硅钼球墨铸铁硅钼球墨铸铁具有良好的高温力学性能、高温稳定性和抗氧化性能，适用于高热负荷(I600)柴油发动机排气歧管的制造。 硅钼球铁在国外汽车业发动机耐高温铸件上应用广泛(如排气歧管、涡轮壳等)，尤其以排气歧管最为突出，美国福特汽车公司70以上排气歧管采用高硅钼球铁制造，这主要源于高硅钼球铁具有良好的高温强度、热疲劳性，优异的耐氧化、生长性和良好的高温抗蠕变性能。 欧美等国早在20世纪80年代就将高硅钼球铁应用于增压器上，在90年代开始大批量应用于汽车发动机排气歧管的铸件生产上。 197年在美国西雅图第01届铸造年会上，针对高硅钼排气歧管的性能、铸造工艺与成本等方面作了专门的讨论嘲。 福特、克莱斯勒等汽车公司及各大发动机厂商迅速在发动机排气歧管上开始应用高硅钼球铁，一些大型铸造厂也相应开展了高硅钼球铁排气歧管的铸造技术的实践研究与应用。 硅钼球墨铸铁化学成分和力学性能见表1和表2。 si的添加可以显著的提高铸铁的抗氧化性能，将铁素体基体的球墨铸铁中的硅含量提高到4左右，可以显著改善其抗氧化能力。 但是，硅含量太高将导致铁液的流动性恶化，而且铸铁的冲击韧度也会随硅含量的增高而下降，因此，硅钼球墨铸铁中的硅含量不宜超过45。 在高硅的基础上再增加钼，可以进一步提高铸铁的高温强度和抗变形能力1,9-1。 加人l的钼对高硅球墨铸铁高温强度的影响见表3，可见钼的添加可以明显提高铸铁的高温性能和工作温度。 表3钼对硅钼球墨铸铁高温强度的影响I lJ Table3Th ffe cto fMo onthe high te mper aturt nsile stre ngthof S i-Mo ductileiron日本爱信高丘公司为进一步提高排气歧管的质量，降低生产成本，开发一种含有03V的高硅钼铸铁，其高温性能得到了进一步的提高。 含钒硅钼球墨铸铁于02年投入生产，用于制造高性能排气歧管【。 222高镍球墨铸铁配备有蜗轮增压系统的汽油发动机的废气温度高达900以上，硅钼球墨铸铁排气歧管已很难胜任，需要研究开发具有更好地耐高温I生能材料。 高镍球墨铸铁含有1336的Ni。 高镍球铁通过Ni合金化的方式获得的基体组织为奥氏体+少量晶界碳化物，在900以内工作不会产生相变，增强了材料的高温稳定性能。 高镍球墨铸铁在900短时拉伸条件下的断裂强度不低于5MPa13】，明显高于硅钼球墨铸铁在800短时拉伸条件下46MP a圆的断裂强度。 因此高镍球墨铸铁具有更好的高温性能。 高镍球墨铸铁不仅具有优异的高温组织稳定性和抗氧化性能，并且具有较好的铸造成形性能，是制造汽油发动机和特种车辆排气歧管的良好材料。 但是需要指出的是高镍球墨铸铁的生产工艺复杂，其球化处理、孕育处理等工艺与普通球墨铸铁具有明显的区别。 高镍球铁的最常用的球化剂是镍镁硅合金，且含有少量或不含稀土；如果铸件壁厚较大，可在球化剂中加入s b、Bi、s n等元素，以促进晶界间片状石墨的生成。 同时，合适的孕育剂对高镍球墨铸铁进行处理，有助于获得规则的球状石墨结构、提高材料的力学性能，同时消除白口。 高镍球墨铸铁的孕育剂可以采用75硅铁，近年，采用含锶及含锆的孕育剂也获得了良好的效果。 23蠕墨铸铁蠕墨铸铁兼具灰铸铁和球墨铸铁的性能，具有较佳的物理特性、力学性能、高温性能、铸造性能、加工性能以及良好的经济性，已经成为重要的铸造工程材料。 近年来，国内外将蠕墨铸铁应用于汽车排气管上已经取得了良好的效果，用于排气歧管的典型蠕墨铸铁的成分和性能见表l和表2。 美国通用汽车公司、德国大众汽车公司在20世纪80至90年代均生产并使用蠕墨铸铁排气歧管。 东风汽车公司是我国较早研究开发蠕墨铸铁排气歧管的企业，1984年，其生产的EQ140吨载重汽车即开始配备其自主开发的蠕墨铸铁排气歧管，并取代原有的HT150排气歧管61。 207年东风汽车公司又采用喂丝蠕化工艺开发了GJ VS iMo4506蠕墨铸铁排气歧管，工作温度达到了900。 对于壁厚较薄的排气歧管而言，稳定、精确地控制蠕化率是关键，在生产时必须选用蠕化作用范围较宽的蠕化剂。 目前，国内最常使用的蠕化剂为Mg-T iRE合金，特别适合于对薄壁铸件进行蠕化刀。 3一汽集团高硅钼球铁和高镍球铁排气歧管的开发目前中国第一汽车集团公司引进德国道依茨发动机项目，其发动机排气歧管设计采用高硅钼球铁制造，以适应在800左右的工作温度【。 配备有蜗轮增压系统的E A8发动机的排气歧管材质为高镍球铁，其工作温度更是达到Y900。 目前这两种部件还是主要1004FOUNDRY OctxxVOI57N01O依靠进口，为降低生产成本，需要进行国产化开发。 一汽铸造有限公司针对这一现状，通过一系列材料基础试验、材料计算和计算机模拟(P roc a st)、以及低稀土合金球化剂5的应用，成功地解决了高硅钼球铁和高镍球铁的熔炼和浇注，特别是高镍球铁球化处理问题，成功地试生产了用于道依茨发动机的高硅钼球铁排气歧管和用于E A8发动机的高镍球铁排气歧管，通过了台架试验，已经能够满足产品使用要求，如图1所示。 表4列出了一汽集团开发高硅钼球铁和高镍球铁排气歧管的主要成分和性能。 (a)高硅钼球铁排气歧管(b)高镍球铁排气歧管图1一汽铸造有限公司开发的耐高温排气歧管Fi g1Th hig htempamr ereisa ntexha ustma nifolddeve lo pedby FAWFoundr y表4一汽高性能排气歧管用典型球墨铸铁的成分和性能Ta ble4Th ech emi al p ositi on and mec hanica lpr op tie softy picad uctileiron for FAWh ig h-pe formanc exhau stma nifolds4排气歧管材料存在的问题和发展方向提高发动机功率，减少废气中CO、HC和NO等有害物质含量是发动机技术发展的必然方向，因此，经济适用的排气歧管材料的选用是推动涡轮增压技术和催化技术在发动机上应用的关键金属材料。 硅钼球铁能够适用于柴油发动机进气歧管的制造，高镍球铁可以满足配备有蜗轮增压器的汽油发动机进气歧管的要求，从目前的发展方向来看，排气歧管材料主要存在以下问题。 (1)随着汽车发动机性能的提高，排气歧管的工作温度不断提高，传统的铸铁材料已经远远不能够满足要求，市场产生了明显的需求，急需开发低成本高性能的排气歧管材料。 (2)目前的开发工作主要是随着产品引进带入的，国内汽车铸件生产厂和研发部门缺乏这些材料的基础数据，这些数据的缺乏为自主开发高性能发动机带来了极大的困难，迫切需要增强这一部分的工作和技术储备。 (3)尽管试验表明高镍球铁能够满足900以上的工作条件，但是应该看到高镍球铁含镍量达20以上，成本高。 中国又是一个镍资源缺乏的国家，20世纪90年代以前一直限制含镍铸铁的应用，应该努力开发高镍球铁的替代材料，以降低成本，满足中国的实际发展情况。 (4)硅铝球铁具有良好的高温工作性能，在此基础上应该加强开发力度，通过多元合金化的方法进一步提高其高温工作性能，扩大其应用范围。 (5)蠕墨铸铁同样具有良好的高温工作性能，只要在大批量生产中能够稳定、精确地控制蠕化率，就有可能获得大批量应用。 参考文献1夏兰廷，李晓琴，韦华汽车发动机排气歧管的优良材质高硅钼球墨铸铁J太原重型机械学院学报，200，21 (4)279282，2882】中国机械工程学会铸造手册(第l卷铸铁)【M】北京机械工业出版社，1973