内燃机进排气管铸铁件生产技术典型应用 郭全领

1、内燃机进排气管铸铁件生产技术典型应用郭全领 2014.11.25 济南 1. 概述 排气歧管是内燃机发动机的重要零部件，其壁薄、复杂空间结构，安装所需的众多螺栓搭子、排气、检测多种形状法兰结构，从而形成了众多热节结构，这些给铸造生产带来不少技术难度，生产中容易产生缩松、夹渣、气孔、砂眼等缺陷，其中缩松问题成为排气歧管需要解决的主要问题； 其次，由于各种型号的内燃机发动机排气温度高低不同，因此应用排气歧管的耐高温铸铁材料牌号不同，其收缩特性不同，因此其解决缩松的技术工艺措施也不完全不同。 第3，排气歧管的作用不限于将缸筒内高温气体排出缸盖，随着涡轮增压技术逐渐应用，排气歧管还承担着将高温动能气体

2、输送到涡轮增压器中，因此低压损、顺畅、输出气压稳定，是排气歧管设计制造的重要技术指标，以满足涡轮增压发动机高功率、高扭矩、低排放的性能要求，因此高性能排气歧管设计开发，也日益受到重视； 第4，为了提高排气歧管的质量、降低生产成本，近年来开发了多钟排气歧管生产技术方法，生产工艺方法不同，出现的缺陷不尽相同，其解决技术措施不完全相同，本报告主要针对排气歧管主要常见的缩松缺陷，需要采用解决技术措施做一介绍。 1. 概述2. 排气歧管常用生产技术序号生产技术 应用状况 缺 点 1 潮模砂应用广泛，铸件表面质量好，生产效率高，生产成本低，适用于大小批量生产。铸件容易产生砂眼、气孔缺陷，生产环境较差。 2

3、 自硬砂使用逐渐减少，无需造型机，铸型硬度高，适用木模、塑料模 ，生产灵活性高，适用于单件小批量生产。生产效率低，劳动强度大，铸件表面质量差，容易产生砂眼缺陷。2. 排气歧管常用生产技术序号生产技术 应用状况 缺 点 3壳型背丸近几年应用，铸型硬度高，铸件表面质量好，生产环境好。适用于大批量生产。立浇工艺壳型设计时，射嘴间距规范为，才能获得表面光洁、美观的排气管表面外观质量。生产效率较低，覆膜砂使用量较大，不适用于小批量生产。 4铁模覆砂近几年应用，使用逐渐增加，铸型硬度高，铸件表面质量好，铸件致密性高，铸件尺寸精度高，工艺出品率高，可达75%，覆膜砂消耗少。适用于大批量生产。工装模具投资大，

4、工艺设计要求高，不适用于小批量生产。2. 排气歧管常用生产技术序号生产技术 应用状况 缺 点 5负压壳型近几年应用，快速发展中，铸型硬度高，铸件表面质量好，生产环境好，能够生产结构复杂壁厚超薄的铸件（2.8-3.0mm），适用耐热铸钢材质排气歧管。生产效率较低，覆膜砂使用量较大，需要专用工装，不适用于小批量生产。3. 排气歧管材料技术发展及应用序号材料牌号 应用状况工作温度 1HT200HT250灰铸铁材质，生产成本低，耐热温度低，较少使用，属于逐渐淘汰材料牌号。 500 2RUT300蠕墨铸铁材质，应用较广，广泛取代灰铸铁，但目前应用逐渐减少。 600 3QT400-15QT450-10普通

5、球铁材质，生产成本较低，应用广泛，广泛取代灰铸铁，但目前使用量逐渐减少。 6403. 排气歧管材料技术发展及应用序号 材料牌号 应用状况工作温度 4RUTSi4Mo， QTRSi4Mo1硅钼球墨铸铁材质，应用日渐广泛，取代普通球铁、蠕墨铸铁趋势明显，使用量增长迅速。 750 5QTANi35Si5Cr2高镍球墨铸铁材质，高温性能好，铸件成本高，但应用日渐广泛，取代硅钼球铁，应用量增迅速。 880 6ZG40Cr25Ni20Si2ZG40Cr25Ni13Nb2Si1ZG40Cr30Ni20Nb2Si1耐热铸钢材质，生产成本高，耐高温性能优异，应用日渐广泛，取代高镍球墨铸铁，应用增长迅速，使用量增

6、长快。 10304. 各种牌号材质排气歧管铸件材料特性 补缩技术特点 排气歧管的结构复杂，孤立热节众多，因此，补缩是生产高致密性排气歧管必须的设计技术，然而各种牌号的铸铁材质因其收缩特性不同，其补缩技术特点要求不同。 序 号 材 料 牌 号 材料凝固收缩特性 铸造工艺设计 补缩技术特点 1 HT200灰铸铁材质，碳当量CE 3.954.15，线收缩0.80%，石墨量（表面积）9.512.5%，析出的石墨量较多，凝固方式层状凝固，液态补缩通道较畅通，缩松倾向小。一般排气歧管灰铸铁材质碳当量高，石墨析出量多，在浇注系统补缩设计时，需要充分利于石墨膨胀补缩作用（均衡凝固理论），能够实现无冒口、小冒口

7、铸造，铸件致密性好。4. 各种牌号材质排气歧管铸件材料特性 补缩技术特点 序 号 材 料 牌 号 材料凝固收缩特性 铸造工艺设计 补缩技术特点 2 RUT300蠕墨铸铁材质，碳当量CE 4.354.45，线收缩0.90%,石墨量（表面积）11.013.5%，析出的石墨量较多(图7)，但凝固方式为层状+糊状凝固，缩孔缩松较小。蠕墨铸铁材质收缩类似于灰铸铁，碳当量较高，石墨析出量较多，在浇注系统补缩设计时，需要充分利于石墨膨胀补缩作用（均衡凝固理论），能够实现少冒口和小冒口铸造，铸件致密性好。4. 各种牌号材质排气歧管铸件材料特性 补缩技术特点 序 号 材料牌号 材料凝固收缩特性 铸造工艺设计 补

8、缩技术特点 3QT400-15QT450-10普通球墨铸铁材质，碳当量CE 4.64.8，线收缩0.90%，石墨量（表面积）1215%，析出的石墨量较多（图9），但凝固方式为糊状凝固，液态补缩通道受阻，缩孔缩松倾向大。普通球墨铸铁排气歧管螺栓搭子多、结构壁厚尺寸差异大，必须采用冒口补缩，同时配合采用冷铁辅助冷却（适宜尺寸的孤立热节处），实现顺序补缩、石墨化膨胀自补缩（均衡凝固理论），实现良好的铸件致密性。4. 各种牌号材质排气歧管铸件材料特性 补缩技术特点序号 材料 牌号 材料凝固收缩特性 铸造工艺设计 补缩技术特点 4QTRSi4MoQTRSi4Mo1硅钼球墨铸铁材质，碳当量CE 4.604

9、.80，线收缩0.90%，石墨量（表面积）1215%，析出的石墨量较多（图11），但凝固方式为糊状凝固，液态补缩通道受阻，缩孔缩松倾向大；硅钼球墨铸铁材质中，Mo含量为0.50.9%或者1.01.5%，由Mo能够增加球铁高温强度，提高球铁热疲劳性能，因此，在排气歧管球铁中，常常增加Mo合金，但Mo元素在铸铁凝固时容易在晶界偏析（图12），也显著增加球铁的晶间缩松，因此生产实践中，硅钼球铁比普通球铁在热节部位缩松倾向更大。硅钼球墨铸铁也属于球墨铸铁，因此在排气歧管铸造工艺设计中，也必须采用普通球墨铸铁的补缩技术，同时随着Mo含量的递增，也必须相应的强化普通球铁的补缩技术措施小热节处补缩通道，或者

10、小冒口（冷铁），大热节处需要增大冒口压头，同时改善充型温度场，充分利于石墨化膨胀补缩，提高铸件致密性。4. 各种牌号材质排气歧管铸件材料特性 补缩技术特点序号 材料牌号 材料凝固收缩特性 铸造工艺设计 补缩技术特点 5QTANi35Si5Cr2高镍球墨铸铁材质，为奥氏体球墨铸铁，碳当量CE 3.94.2，线收缩1.1%，析出的石墨量（表面积）7.59.0%，析出的石墨量少（图13），凝固方式为糊状凝固，奥氏体枝晶发达，液态补缩通道严重受阻，合金含量高，容易在晶界形成碳化物（图14），非常容易产生缩孔缩松倾向。高镍奥氏体球墨铸铁材质虽然也属于球铁材质，但由于碳当量比普通球铁和硅钼球铁低14%，石

11、墨析出量少39%，因此大量的生产实践中，其缩松倾向比普通球铁和硅钼球铁大很多，故在解决高镍奥氏体球墨铸铁缩孔缩松缺陷中，主要采用的技术为强化冒口补缩技术+冷铁辅助冷却工艺，石墨化自补缩工艺（均衡凝固理论）对解决高镍奥氏体缩松作用比在硅钼球铁的作用小很多。4. 各种牌号材质排气歧管铸件材料特性 补缩技术特点序号 材料牌号 材料凝固收缩特性 铸造工艺设计 补缩技术特点 6ZG40Cr25Ni20Si2ZG40Cr25Ni13Nb2Si1ZG40Cr30Ni20Nb2Si1奥氏体耐热铸钢材质，线收缩2.25%，层状凝固，高合金含量，容易氧化，产生晶界缩松。金相组织见图15图16。耐热铸钢材质是层状凝

12、固、线收缩高，是高镍球铁的2倍，同时由于氧化倾向大，在熔化保证除氧、脱氧的良好工艺的前提条件下，强化冒口补缩是提高耐热铸钢排气歧管致密性，解决耐热铸钢排气歧管缩松的主要途径，辅助措施是在相对孤立热节部位辅以冷铁冷却工艺措施。在解决耐热钢排气歧管铸件缩松时，不能有均衡凝固理论思维，因为耐热铸钢金相组织中没有石墨，没有石墨化膨胀。5. 高镍球墨铸铁排气歧管铸件 泄漏问题的分析及解决 在汽车行业内燃机汽车节能减排的推动下，在各种铸铁材质排气歧管中，高镍排气歧管因其材质为高镍奥氏体材质，具有较高的高温强度、较高的耐高温疲劳性能，与耐热铸钢相比，具有较好的铸造工艺性和加工性能、因而具有较低的生产成本，日

13、益受到发动机排气歧管、涡轮增压器设计者的广泛重视，应用日益广泛，节能减排发动机的新机型纷纷采用高镍铸铁材质，生产快速增长，年销量增长25%以上，因其是相对广泛应用的普通球铁、硅钼球铁来说，属于新铸造材料，铸造技术要求高，铸造工艺性差，废品率相对较高，其主要废品为漏气废品，漏气比例一度达到6090%，成为铸造生产工艺的主要问题。5. 高镍球墨铸铁排气歧管铸件 泄漏问题的分析及解决 受传统蠕墨铸铁、普通球墨铸铁、硅钼球墨铸铁熔炼工艺、铸造工艺设计(包括浇注系统)经验、作业习惯的影响，受到传统蠕墨铸铁、普通球墨铸铁、硅钼球墨铸铁较高工艺出品率的习惯思想影响，在高镍排气歧管铸造工艺设计中，习惯性的采用

14、了前者的设计习惯和方法，使得高镍排气歧管铸件象蠕墨铸铁、普通球墨铸铁、硅钼球墨铸铁一样，或多或少的在热节部位存在尺寸很小的显微缩松（射线探伤检测），这些尺寸很小的显微缩松+较大的缩松缺陷，造成了高镍排气歧管铸件的漏气废品率居高不下3090%。5. 高镍球墨铸铁排气歧管铸件 泄漏问题的分析及解决 根据前述高镍奥氏体球墨铸铁材料凝固收缩特性、排气歧管铸件补缩技术特点，我们知道，高镍奥氏体球墨铸铁材质凝固收缩特性与蠕墨铸铁、普通球墨铸铁、硅钼球墨铸铁有很大不同，主要是其碳当量比普通球铁和硅钼球铁低14%，石墨析出量少39%，因此必须采用不同于普通球铁、硅钼球铁的补缩方式强化冒口补缩技术+冷铁辅助冷却

15、工艺，采用这项技术后，通过相应的铸造铁液充型、温度场、缩松计算机数值模拟软件计算，排气歧管铸件缩松缺陷消失，批量生产后的高镍奥氏体球墨铸铁排气歧管漏气废品率降低到1%（见图15），许多高镍高镍排气歧管铸件采用这项技术后，漏气废品率大幅降低，漏气率也降低到1%，多年的高镍球铁排气歧管生产废品率居高不下的难题得到有效解决。5. 高镍球墨铸铁排气歧管铸件 泄漏问题的分析及解决图15 排气气温度900的高镍球铁排气管6. 涡轮增压发动机功率、扭矩不足 问题的分析及解决 在汽车行业内燃机汽车节能减排政策的推动下，发动机设计人员在发动机的缸体、缸盖、进气歧管、排气歧管、涡轮增压器的设计做了大量节能降耗技术

16、工作，以提高发动机的升功率，提高扭矩、降低排放，由于发动机越来越多的采用涡轮增压技术节能技术，其中的关键部件涡轮增压器对发动机功率、扭矩、排放影响十分显著，因此前置于涡轮增压器的排气歧管气道结构尺寸精度就对涡轮增压器工作性能的作用十分显著，尤其是排气歧管气道的关键部位尺寸。6. 涡轮增压发动机功率、扭矩不足 问题的分析及解决 例如，如下图16所示的高镍球铁材质排气歧管，因其气道尺寸的变化，导致2.0升、功率150kw、扭矩280NM的涡轮增压汽油发动机的功率扭矩不足，经过流体技术分析认为，该排气歧管关键部位气道尺寸不足，导致了发动机的功率扭矩不足，增加排气歧管关键部位气道尺寸0.2mm，经过发

17、动机台架试验证明，发动机功率增加5Kw功率、扭矩增加8NM，最终使发动机的技术指标达到设计指标，由此可见，对于涡轮增压发动机来说，排气歧管的气道尺寸精度是非常重的，必须在设计开发、制造中严格控制。6. 涡轮增压发动机功率、扭矩不足 问题的分析及解决 图16 排气气温度950的高镍球铁排气管7. 排气歧管铸件开裂漏气失效 问题的分析及解决 排气歧管是发动机的重要零件，客户要求正常使用条件下，排气歧管不允许失效，因此在西排公司设计开发生产的2000多各种排气歧管中，用户反馈排气歧管失效的数量很少，一旦出现排气歧管失效，客户非常重视，在排气歧管失效的模式中，开裂漏气是其主要失效模式，这是因为排气歧管

18、承受着高温气流能量的不断冲击、承受着冷热交替的冷热冲击，在高温下，排气歧管材质强度显著降低，排气歧管工作温度很高，相应的其热应力很大，能够达到200Mpa以上，同时还承受着发动机震动、涡轮增压器的载荷，根据解决众多排气歧管失效的成功案例，纵观排气歧管开裂漏气失效根本管理原因，主要是排气歧管产品开发设计不足所致（虽然也有铸造缺陷等原因造成排气歧管失效，更多的失效原因不是铸造缺陷所致），7. 排气歧管铸件开裂漏气失效 问题的分析及解决 产生原因是排气歧管作为发动机的一个零件，与发动机缸体、缸盖相比，它所承受的各种严酷热载荷没有受到重视，它的复杂性没有得到重视，规定的设计开发时间短，没有合理的设计资源，这就造成了在设计过程中，不能够进行详细的气道结构、强度结构设计计算，铸造工艺设计计算，材质改进设计计算（材质选择不尽合理），排气歧管的相关安装设计计算，种种不尽合理因素为排气歧管在高温载荷条件下工作的可靠性埋下了隐患排气歧管高温结构强度不能充分满足其严酷的工作条件，造成了开裂漏气失效，为了更好的解决排气歧管开裂失效问题，CFD(计算机流体设计软件)、ABQUES有限元分析是排气歧管结构设计很好设计方法，采用这些技术进行设计、并严格按照设计开发程序进行设计，设计开发出的排气歧管能很好的提高排气歧管的可靠性，降低排气歧管开裂、变形、漏气失效的风险，提高排气管