发动机蠕墨铸铁缸体缸盖的铸造技术

1、蠕墨铸铁缸体缸盖是高性能大马力的首选材质,在国际上已得到充分研究并开始大量应用, 全球每月约有 2 万个缸体或缸盖产品采用蠕墨铸铁制造(以每件平均重量为 50 kg 计 。在 乘用车方面,主要有奥迪、福特、克莱斯勒、沃尔沃、大众、现代等公司在生产蠕墨铸铁缸 体产品,而在商用车方面 , 福特、现代、达夫、曼等汽车公司的缸体和缸盖产品采用蠕墨铸 铁材料来制造。 目前国内生产蠕墨铸铁主要是采用传统的冲入法处理, 稳定性差, 而制约蠕 墨铸铁在汽车上大批量应用的主要原因恰恰是铸件的蠕化率控制较为困难, 通常很难稳定达 到 80%(国际标准以上。采用 SinterCast 小型蠕化处理系统,以 6DL

2、发动机蠕墨铸铁缸体缸盖为开发目标,在蠕化 率、 抗拉强度、 基体组织、 蠕化衰退、 铸造工艺等方面进行了较为系统的研究与样件开发工 作。1 单铸试棒蠕化率调试与力学性能试验1.1 主要的试验流程采用 500 kg 中频感应电炉,全废钢(打包料增碳熔炼方式,为保证蠕化处理效果,每炉 熔炼铁液 500 kg 并进行蠕化处理。预处理剂采用普通球化剂,冲入法处理。预处理剂加入 量由小型系统根据铁液分析的含硫量和铁液重量给出相应的加入量,其上覆盖铁屑。预处理的铁液经打渣清理后, 盖包, 运送至小型系统并进行取样分析, 由小型系统根据预处 理铁液的分析结果, 设备会给出相应的镁丝和孕育丝加入量, 据此数值

3、, 由人工方法进行孕 育丝和镁丝的加入, 完成整个蠕化处理过程。 通常由预处理至蠕化处理完毕, 所需时间一般 在 8 min左右。1.2 单铸试棒的蠕化试验效果共进行 8 炉次的铁液蠕化试验与缸体和试棒的浇注,从单铸试棒的蠕化处理效果来看,所 有 8 炉次试棒的蠕化率为 90%和 95%,其中蠕化率为 95%的试棒占总数的 75%。当然对于 蠕化率来说,也存在不同的视场,蠕化率会有差异,但总体来说,基本可以稳定在 90%,即完全达到目标的 80%蠕化率水平,效果还是非常理想的,图 1 为试棒的蠕化处理效果。 石墨:蠕化率 95%100基体:85%珠光体 +铁素体 100图 1 单铸试棒的金相组

4、织1.3 单铸试棒的力学性能试验伴随试棒与缸体的蠕化和浇注试验,同时进行了单铸试棒的 RT400-1 和 RT450-1 两个牌号 的试验验证工作。100524-1石墨:蠕化率 95% 100基体:10%珠光体 +铁素体 100图 2 试棒的蠕化率与基体组织在不加入合金的情况下, 在蠕化率达到 95%的基础上, 基体组织基本为铁素体基体, 试棒的 抗拉强度达到 RT300-2 的水平, 且伸长率远超牌号要求, 这表示试棒的石墨形态非常良好, 石墨短而粗, 弯曲性好, 对基体的撕裂作用明显降低。 但由于是铁素体基体, 所以尽管强度 性能较高, 但硬度值较低, 这意味着该材料尽管加工性能很好, 但

5、耐磨性能和抗变形性能却 可能存在问题,进而影响在汽车发动机缸体缸盖上的应用。蠕墨铸铁的力学性能主要取决于基体组织和石墨形态, 基体组织需要通过合金化控制来实现, 而蠕化率的高低同样会对蠕墨铸铁力学性能产生重要影响。 因此蠕化率必须达到 80%才会对 性能的稳定产生合理的影响。试验采用 Cu-Sn 二元合金化来进行, 所有的试验中要求 3.6%3.7% C, 1.9%2.0% Si。 表 3 为 不同成分和蠕化率下的试棒力学性能。从表 3可以看出, 采用 Cu-Sn 二元合金化可以实现蠕墨铸铁各个牌号的生产并达到性能要求。 但同时需要注意的是, 当在较高合金化状态下, 试棒以及铸件均易出现碳化物

6、组织, 尤其当 镁指数偏高的状态下,球化倾向增加,当 Cu 达到 1%和 Sn 达到 0.1%时,产生碳化物的可 能性很大。1.4 蠕化衰退试验在进行单铸试棒浇注试验中, 分时间阶段进行了蠕化浇注衰退的试验, 试验方案与结果如表 4。从测试的蠕化率来看,在蠕化后的 8 min 内浇注的试棒蠕化效果均为 95%,但如果从抗 拉强度来看,随着时间的推移,强度降低,这可能的原因就是石墨在进行衰退过程。2 缸体的样件浇注与分析将 6DL 发动机 59D 缸体和缸盖样件开发作为本次研究的对象。2.1 59D 缸体的浇注试验与分析59D 缸体是借用一铸厂的模具进行造型,并使用一铸厂的现有砂芯进行组装而成,

7、由于时 间的问题, 仅进行了两轮次的试验。 试验将原有孔隙较小的过滤网改为试验用的 2.2 mmx20 mm 较大尺寸的过滤网,其他浇注系统未进行改动。 59D 缸体第一件的浇注试验,出炉温 度 1540,浇注温度 1410,浇注时间为 52 s ,缸体正体成形较好,但有一处分析为冷隔 缺陷, 鉴于此, 又进行 1 轮浇注试验, 试图通过提高浇注温度和快速浇注来改变充型状态, 实际的出炉温度 1553,浇注温度 1416,浇注时间为 49 s ,但该件缸体却未能成形。对 第一件 59D 缸体进行了解剖分析,按规定在缸盖螺栓加厚部位和主轴承盖螺栓加厚部位进 行了本体试棒的切取(见图 3 ,本体取

8、样位置与试棒的力学性能见表 5 和图 4。图 3 缸体本体取样位置图 4 本体金相组织本体取样位置的试样力学性能达到规定的 RT400-1 牌号要求,强度为 HT300 牌号该处试样 力学性能的 170%。同时检测的蠕化率也达到 80%以上,满足要求。但照片显示蠕化率相对 较低,由于该处为厚壁部位,通常蠕化率应较高,显示蠕化的不均匀性尚且存在。2.2 59D 缸体的全解剖检测与阶梯试棒浇注试验对浇注的 59D 缸体仅进行了全解剖检测,按规定解剖部位进行全面切割,切割的缸体断面 良好,无缩松等缺陷的产生,如图 5 所示。对第二、三缸筒间的缸壁由上至下切取缸筒断 面不同位置与壁厚处进行蠕化率检测,

9、共检测 8 处,内部解剖与取样位置如图 6所示。各 位置的壁厚与蠕化率、组织如表 6所示。各取样位置的蠕化率照片如图 7所示。图 5 缸体剖面图片图 6 缸体剖面不同取样位置示意图图 7 缸体不同位置蠕化率照片从以上本体解剖的图样来看,由于第 5 个试样处壁厚较薄,蠕化率为 75%(从这里也可以 看出壁厚对蠕化率存在较大影响 ,其余均在 80%以上,缸体整体蠕化状况较好。通过上面的试验, 我们认为缸体的蠕化率和性能控制问题已基本解决, 而相对于灰铸铁略低 的流动性能可能会继续导致缸体成形困难(实际在缸体样件的浇注过程中也发生了类似情 况 。主要采取的工艺措施还是通过置换孔隙率较大的过滤网并适当

10、的增加过滤网的通过面 积,以及适当提高浇注温度两个方法来实现缸体的良好成形性。试验共浇注缸体样件 6 型,牌号为 RT450-1,力学性能均合格。由于一铸厂生产对模具的需 求, 同时为满足需求的样件数, 限于条件因素, 未能进一步对浇注系统进行大的改动。 浇注 的缸体样件如图 8。图 8 6DL发动机 59D 缸体样件图片2.3 阶梯试样的浇注试验采用不同壁厚的阶梯试样进行蠕化率测试试验,以找出壁厚与冷却速度对蠕化效果的影响, 理论上, 壁厚越小, 过冷越大, 形成石墨球的倾向性会越大, 这里主要通过壁厚的变化找出 产生蠕化率变化的壁厚临界值, 当然, 这一临界值受其他因素影响而变化。 本次试验的主要 壁厚与试验结果如表 7,蠕化率图片见图 9。图 9 阶梯试样不同壁厚位置的蠕化率照片阶梯试样由于冷却较快,通常蠕化控制较为困难,但通过试验发现,在壁厚达到 11mm 及 以上时,其蠕化率仍然保持在 90%,但当壁厚降低到 7 mm 时,蠕化率明显降低,由 90%降低到 80%,这对缸体薄壁部位及排气管蠕铁铸件生产会有指导意义。3 59D 缸盖样件的开发试验通过与汽研的交流, 6DL 缸盖产品与缸体相比, 在市场上更易于失效, 汽研也更倾向于首先 进行蠕铁缸盖的开发。 所以我们同时也开展了缸盖产品的试验开发, 选择的对象是与试验的 59D 缸体配套的 59D