1、蠕墨鑄鐵缸體缸蓋是高性能大馬力的首選材質(zhì),在國際上已得到充分研究并開始大量應(yīng)用, 全球每月約有 2 萬個缸體或缸蓋產(chǎn)品采用蠕墨鑄鐵制造(以每件平均重量為 50 kg 計 。在 乘用車方面,主要有奧迪、福特、克萊斯勒、沃爾沃、大眾、現(xiàn)代等公司在生產(chǎn)蠕墨鑄鐵缸 體產(chǎn)品,而在商用車方面 , 福特、現(xiàn)代、達(dá)夫、曼等汽車公司的缸體和缸蓋產(chǎn)品采用蠕墨鑄 鐵材料來制造。 目前國內(nèi)生產(chǎn)蠕墨鑄鐵主要是采用傳統(tǒng)的沖入法處理, 穩(wěn)定性差, 而制約蠕 墨鑄鐵在汽車上大批量應(yīng)用的主要原因恰恰是鑄件的蠕化率控制較為困難, 通常很難穩(wěn)定達(dá) 到 80%(國際標(biāo)準(zhǔn)以上。采用 SinterCast 小型蠕化處理系統(tǒng),以 6DL

2、發(fā)動機(jī)蠕墨鑄鐵缸體缸蓋為開發(fā)目標(biāo),在蠕化 率、 抗拉強(qiáng)度、 基體組織、 蠕化衰退、 鑄造工藝等方面進(jìn)行了較為系統(tǒng)的研究與樣件開發(fā)工 作。1 單鑄試棒蠕化率調(diào)試與力學(xué)性能試驗1.1 主要的試驗流程采用 500 kg 中頻感應(yīng)電爐,全廢鋼(打包料增碳熔煉方式,為保證蠕化處理效果,每爐 熔煉鐵液 500 kg 并進(jìn)行蠕化處理。預(yù)處理劑采用普通球化劑,沖入法處理。預(yù)處理劑加入 量由小型系統(tǒng)根據(jù)鐵液分析的含硫量和鐵液重量給出相應(yīng)的加入量,其上覆蓋鐵屑。預(yù)處理的鐵液經(jīng)打渣清理后, 蓋包, 運(yùn)送至小型系統(tǒng)并進(jìn)行取樣分析, 由小型系統(tǒng)根據(jù)預(yù)處 理鐵液的分析結(jié)果, 設(shè)備會給出相應(yīng)的鎂絲和孕育絲加入量, 據(jù)此數(shù)值

3、, 由人工方法進(jìn)行孕 育絲和鎂絲的加入, 完成整個蠕化處理過程。 通常由預(yù)處理至蠕化處理完畢, 所需時間一般 在 8 min左右。1.2 單鑄試棒的蠕化試驗效果共進(jìn)行 8 爐次的鐵液蠕化試驗與缸體和試棒的澆注,從單鑄試棒的蠕化處理效果來看,所 有 8 爐次試棒的蠕化率為 90%和 95%,其中蠕化率為 95%的試棒占總數(shù)的 75%。當(dāng)然對于 蠕化率來說,也存在不同的視場,蠕化率會有差異,但總體來說,基本可以穩(wěn)定在 90%,即完全達(dá)到目標(biāo)的 80%蠕化率水平,效果還是非常理想的,圖 1 為試棒的蠕化處理效果。 石墨:蠕化率 95%100基體:85%珠光體 +鐵素體 100圖 1 單鑄試棒的金相組

4、織1.3 單鑄試棒的力學(xué)性能試驗伴隨試棒與缸體的蠕化和澆注試驗,同時進(jìn)行了單鑄試棒的 RT400-1 和 RT450-1 兩個牌號 的試驗驗證工作。100524-1石墨:蠕化率 95% 100基體:10%珠光體 +鐵素體 100圖 2 試棒的蠕化率與基體組織在不加入合金的情況下, 在蠕化率達(dá)到 95%的基礎(chǔ)上, 基體組織基本為鐵素體基體, 試棒的 抗拉強(qiáng)度達(dá)到 RT300-2 的水平, 且伸長率遠(yuǎn)超牌號要求, 這表示試棒的石墨形態(tài)非常良好, 石墨短而粗, 彎曲性好, 對基體的撕裂作用明顯降低。 但由于是鐵素體基體, 所以盡管強(qiáng)度 性能較高, 但硬度值較低, 這意味著該材料盡管加工性能很好, 但

5、耐磨性能和抗變形性能卻 可能存在問題,進(jìn)而影響在汽車發(fā)動機(jī)缸體缸蓋上的應(yīng)用。蠕墨鑄鐵的力學(xué)性能主要取決于基體組織和石墨形態(tài), 基體組織需要通過合金化控制來實(shí)現(xiàn), 而蠕化率的高低同樣會對蠕墨鑄鐵力學(xué)性能產(chǎn)生重要影響。 因此蠕化率必須達(dá)到 80%才會對 性能的穩(wěn)定產(chǎn)生合理的影響。試驗采用 Cu-Sn 二元合金化來進(jìn)行, 所有的試驗中要求 3.6%3.7% C, 1.9%2.0% Si。 表 3 為 不同成分和蠕化率下的試棒力學(xué)性能。從表 3可以看出, 采用 Cu-Sn 二元合金化可以實(shí)現(xiàn)蠕墨鑄鐵各個牌號的生產(chǎn)并達(dá)到性能要求。 但同時需要注意的是, 當(dāng)在較高合金化狀態(tài)下, 試棒以及鑄件均易出現(xiàn)碳化物

6、組織, 尤其當(dāng) 鎂指數(shù)偏高的狀態(tài)下,球化傾向增加,當(dāng) Cu 達(dá)到 1%和 Sn 達(dá)到 0.1%時,產(chǎn)生碳化物的可 能性很大。1.4 蠕化衰退試驗在進(jìn)行單鑄試棒澆注試驗中, 分時間階段進(jìn)行了蠕化澆注衰退的試驗, 試驗方案與結(jié)果如表 4。從測試的蠕化率來看,在蠕化后的 8 min 內(nèi)澆注的試棒蠕化效果均為 95%,但如果從抗 拉強(qiáng)度來看,隨著時間的推移,強(qiáng)度降低,這可能的原因就是石墨在進(jìn)行衰退過程。2 缸體的樣件澆注與分析將 6DL 發(fā)動機(jī) 59D 缸體和缸蓋樣件開發(fā)作為本次研究的對象。2.1 59D 缸體的澆注試驗與分析59D 缸體是借用一鑄廠的模具進(jìn)行造型,并使用一鑄廠的現(xiàn)有砂芯進(jìn)行組裝而成,

7、由于時 間的問題, 僅進(jìn)行了兩輪次的試驗。 試驗將原有孔隙較小的過濾網(wǎng)改為試驗用的 2.2 mmx20 mm 較大尺寸的過濾網(wǎng),其他澆注系統(tǒng)未進(jìn)行改動。 59D 缸體第一件的澆注試驗,出爐溫 度 1540,澆注溫度 1410,澆注時間為 52 s ,缸體正體成形較好,但有一處分析為冷隔 缺陷, 鑒于此, 又進(jìn)行 1 輪澆注試驗, 試圖通過提高澆注溫度和快速澆注來改變充型狀態(tài), 實(shí)際的出爐溫度 1553,澆注溫度 1416,澆注時間為 49 s ,但該件缸體卻未能成形。對 第一件 59D 缸體進(jìn)行了解剖分析,按規(guī)定在缸蓋螺栓加厚部位和主軸承蓋螺栓加厚部位進(jìn) 行了本體試棒的切取(見圖 3 ,本體取

8、樣位置與試棒的力學(xué)性能見表 5 和圖 4。圖 3 缸體本體取樣位置圖 4 本體金相組織本體取樣位置的試樣力學(xué)性能達(dá)到規(guī)定的 RT400-1 牌號要求,強(qiáng)度為 HT300 牌號該處試樣 力學(xué)性能的 170%。同時檢測的蠕化率也達(dá)到 80%以上,滿足要求。但照片顯示蠕化率相對 較低,由于該處為厚壁部位,通常蠕化率應(yīng)較高,顯示蠕化的不均勻性尚且存在。2.2 59D 缸體的全解剖檢測與階梯試棒澆注試驗對澆注的 59D 缸體僅進(jìn)行了全解剖檢測,按規(guī)定解剖部位進(jìn)行全面切割,切割的缸體斷面 良好,無縮松等缺陷的產(chǎn)生,如圖 5 所示。對第二、三缸筒間的缸壁由上至下切取缸筒斷 面不同位置與壁厚處進(jìn)行蠕化率檢測,

9、共檢測 8 處,內(nèi)部解剖與取樣位置如圖 6所示。各 位置的壁厚與蠕化率、組織如表 6所示。各取樣位置的蠕化率照片如圖 7所示。圖 5 缸體剖面圖片圖 6 缸體剖面不同取樣位置示意圖圖 7 缸體不同位置蠕化率照片從以上本體解剖的圖樣來看,由于第 5 個試樣處壁厚較薄,蠕化率為 75%(從這里也可以 看出壁厚對蠕化率存在較大影響 ,其余均在 80%以上,缸體整體蠕化狀況較好。通過上面的試驗, 我們認(rèn)為缸體的蠕化率和性能控制問題已基本解決, 而相對于灰鑄鐵略低 的流動性能可能會繼續(xù)導(dǎo)致缸體成形困難(實(shí)際在缸體樣件的澆注過程中也發(fā)生了類似情 況 。主要采取的工藝措施還是通過置換孔隙率較大的過濾網(wǎng)并適當(dāng)

10、的增加過濾網(wǎng)的通過面 積,以及適當(dāng)提高澆注溫度兩個方法來實(shí)現(xiàn)缸體的良好成形性。試驗共澆注缸體樣件 6 型,牌號為 RT450-1,力學(xué)性能均合格。由于一鑄廠生產(chǎn)對模具的需 求, 同時為滿足需求的樣件數(shù), 限于條件因素, 未能進(jìn)一步對澆注系統(tǒng)進(jìn)行大的改動。 澆注 的缸體樣件如圖 8。圖 8 6DL發(fā)動機(jī) 59D 缸體樣件圖片2.3 階梯試樣的澆注試驗采用不同壁厚的階梯試樣進(jìn)行蠕化率測試試驗,以找出壁厚與冷卻速度對蠕化效果的影響, 理論上, 壁厚越小, 過冷越大, 形成石墨球的傾向性會越大, 這里主要通過壁厚的變化找出 產(chǎn)生蠕化率變化的壁厚臨界值, 當(dāng)然, 這一臨界值受其他因素影響而變化。 本次試驗的主要 壁厚與試驗結(jié)果如表 7,蠕化率圖片見圖 9。圖 9 階梯試樣不同壁厚位置的蠕化率照片階梯試樣由于冷卻較快,通常蠕化控制較為困難,但通過試驗發(fā)現(xiàn),在壁厚達(dá)到 11mm 及 以上時,其蠕化率仍然保持在 90%,但當(dāng)壁厚降低到 7 mm 時,蠕化率明顯降低,由 90%降低到 80%,這對缸體薄壁部位及排氣管蠕鐵鑄件生產(chǎn)會有指導(dǎo)意義。3 59D 缸蓋樣件的開發(fā)試驗通過與汽研的交流, 6DL 缸蓋產(chǎn)品與缸體相比, 在市場上更易于失效, 汽研也更傾向于首先 進(jìn)行蠕鐵缸蓋的開發(fā)。 所以我們同時也開展了缸蓋產(chǎn)品的試驗開發(fā), 選擇的對象是與試驗的 59D 缸體配套的 59D