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铸铁缸体、缸盖的熔炼与孕育

来源:未知 佚名 2019-07-23 浏览
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  柴油、汽油发动机的机体断面厚薄差距很大,冷却水套贯穿机器上部,壁厚仅3.2-4.2mm,机器结构十分复杂。现代发动机输出功率增大,承受多种复杂载荷,铸铁缸体、缸盖必须具有足够的刚度和强度,且要求铸造成型性好。目前,欧Ⅲ、欧Ⅳ、乃至欧Ⅴ排放 标准发动机的缸体、缸盖,要求体积更小,承受压力更大,壁厚更薄,尺寸精度更高。在造型线和制芯车间需要大量的模具、量具、检具等工位器具,铸造生产有较多专利技术和诀窍。大批量生产此类铸铁缸体、缸盖,是对建立铸造强国地位的考验。

  新型发动机缸体、缸盖对铸铁的力学性能、物理性能、使用性能和工艺性能要求更高。长期以来,国内外铸铁缸体、缸盖,几乎全部采用添加Cr、Mo、Cu、Sn、Ni等合金元素HT250低合金灰铸铁。铸铁的孕育则使用高效、抗衰退(长效)的复合孕育剂,以改善石墨形态,壁厚敏感性,消除薄壁部位白口,提高铸铁强度,改善切削加工性能。孕育方法采取自动造型线浇注机随流孕育,以及型内孕育,提高孕育效果。[1]

  上世纪60年代,我国开展蠕墨铸铁的研究工作,生产出性能超过HT300的稀土高强度铸铁,在排气管和柴油机缸盖方面得到广泛应用,但目前该项技术落后于工业发达国家。当前,蠕墨铸铁缸体、缸盖得到较大的发展。例如,宝马公司(BMW)V8柴油机缸体,克莱斯勒公司(Chrysler)排量12L的8缸发动机缸体,达夫公司(DAF)排量12.6L、功率390KW的6缸发动机缸体,弗里茨·维特公司(Fritz Winter)静压多触头造型线年产30万吨各种薄壁蠕墨铸铁缸体,爱森·布吕尔公司(Eisen Bruehl)年产发动机缸体400万个 ,缸盖200万个,福特公司(Ford)与辛特公司(Sinter)合作在巴西生产V6缸体等等。另外阿乌哥斯特·坎泼公司(August Kuepper GmbH)迪砂线生产排气管、增压器壳体供奥迪、奔驰、大众、宝马配套,瑞典达劳斯公司(Daros)生产蠕墨铸铁活塞环。[4]国内已有某柴油机厂引进SinterCast检测装置,试用喂线法生产欧Ⅴ排放标准蠕墨铸铁缸体、缸盖。

  近年来,工业发达国家研究和应用蠕墨铸铁的势头高涨,国产新型发动机铸铁缸体、缸盖走向国际市场,是铸造强国标志之一。以下仅就铸铁缸体、缸盖,应用低合金高强度灰铸铁和蠕墨铸铁,在熔炼与孕育方面展开探讨。

  一、低合金高强度灰铸铁

  低合金高强度灰铸铁的缸体、缸盖,切削加工后光洁度高,摩擦阻力小;耐磨性好磨损小;片状石墨均匀分布导热性好,抗热疲劳性能好;珠光体基体弹性模量高,吸振性好;较高的强度和硬度,机体刚性好;高温水汽、燃油酸性腐蚀恶劣工况,耐蚀性好;机器结构复杂,铸造成型性好;适应快速大批量机械化生产。

  铸铁的化学成分、炉料组成、熔炼过热、低合金化,高效孕育剂和孕育方法等,改善石墨形态和基体组织,提高合金灰铸铁的各种性能。

  1.化学成分

  高强度合金灰铸铁是亚共晶成分,其碳当量低,故石墨数量少石墨细化、奥氏体枝晶多,提高力学性能。但液相线温度高,铁液流动性差,铸件硬度高,内应力大,薄壁部位易出现白口,切削性能差。加入合金元素后,为提高流动性减少碳化物,必须适当提高碳当量。既要保证铸件强度,又保持较高碳当量,这方面我国与工业发达国家差距较大。

  碳当量、缸体壁厚、珠光体量我国与工业发达国家差距表[8]

  2. 金相组织

  ①石墨的影响:石墨力学性能低,片状石墨及其尖端应力切割基体,其数量、大小、形状及分布直接影响力学性能。片状石墨粗大且数量多,降低抗拉强度、挠度、疲劳强度和E0值,降低灰铸铁的致密性,容易产生渗漏。灰铸铁抗渗透压力与石墨数量关系式如下:

  渗透压力 p = 103.6 ― 7.5×ω( G )% (105

  Pa) 式中: ω(G )%— 石墨的质量分数百分数[1]

  片状石墨的优点是;增加铸件吸振能力,减少外来缺口敏感性,提高导热能力。为了达到抗拉强度要求,A型石墨数量≥90%,石墨长度应在4-6级。(石长≤30-35μm)

  ②基体的影响:获得高强度灰铸铁,应力求100%细小珠光体基体。资料介绍;基体中30%的铁素体和100%的珠光体抗拉强度相差35M Pa,而粗细珠光体之间抗拉强度相差100M Pa。[1]生产中常用Cr+Mo+Cu、Cu+Mo+Ni、Cu+Mo、Cu+Cr、Cu+Sn、Cu+V等配合使用,以得到细小珠光体组织。低熔点金属Sn、Sb形成石墨/金属界面薄层,阻碍C向石墨扩散,阻止铁素体产生。灰铸铁中ω(Sn)= 0.03%-0.1%或ω(Sb)= 0.006%-0.01%,即可得到100%的珠光体。但Sb仅对增加硬度有作用。过量的Sn、Sb生成FeSn2、FeSb2凝聚在晶界,引起强度和韧性的降低,ω(Sn)= 0.02%-0.04%为好。 [1-3]

  奥氏体枝晶是铸铁基体骨架,其数量、粗细影响铸铁力学性能。加入合金增加和细化奥氏体枝晶。亚共晶铸铁不加合金奥氏体枝晶方向性较强,二次枝晶不发达且间距较大。

  钒和钼增大共晶凝固过冷度,增大初生奥氏体生长区间,增加并细化奥氏体枝晶,但价格昂贵属不可再生资源。钼铁的开采寿命只有7年,应选择替代品。铁液硫量高,枝晶有粗化倾向。通常,为确保孕育效果灰铸铁应ω(S)≥0.06%,但也不应超过0.1%。

  ③共晶团数:铸铁的共晶团数与抗拉强度没有相互增长关系,但共晶团数多,晶粒细化,同比情况抗拉强度高。除硅锶外的孕育剂都增加共晶团数,因此常用来衡量孕育效果。共晶团数增多,白口倾向减少,缩松倾向增大。共晶团数与缩松程度见下表:

  3. 金属炉料

  炉料的冶金质量:新生铁最佳,废钢次之,回炉料较差。炉料使用部分白口铁,铸件就会白口。低硅生铁(如球生铁)熔化后碳化物原子集团近程序列及其伴生的白口、缩孔、缩松、裂纹等缺陷会遗传,所以灰铸铁炉料必须采用Z18以上牌号的铸造生铁。一汽资深高工辜祖勋说:某汽车厂用冲天炉-电炉双联熔化,用炼钢生铁替代缺货的铸造生铁,虽然铁液成分、熔化工艺、炉前处理不变,但缸体曲轴箱产生裂纹造成大量报废,恢复铸造生铁后,裂纹缺陷消失。原因是低硅的炼钢生铁断面有白口,遗传因素导致裂纹。因此,不论是冲天炉或电炉,都难以采用低牌号的生铁加硅铁、锰铁生产出优质铸件。[5-6]

  生铁中气体、微量元素构成遗传性的载体。高炉低氮生铁产生粗大石墨,对凝固后的组织带来遗传性。电炉熔炼应注意使用的增碳剂含氮量ω(N2)≤110×10-4%,微量氮提高铸铁力学性能,过量会产生气孔和针孔等缺陷。

  废钢减低铁液含碳量,提高力学性能。只用废钢和回炉料,用增碳的方法调节碳量,称为合成铸铁。相同化学成分,合成铸铁力学性能更好。废钢成分很杂,合金钢含合金,易切削钢含铅,低碳镇静钢含铝,都会给铸件带来灾难性后果。

  4. 熔炼与过热

  铁液的纯净度、熔炼温度、化学成分是冶金质量的三项指标,与铁液熔炼关系重大。 ①高温铁液流动性好,利于气体和渣的上浮,石墨和基体组织细密,提高强度降低硬度。在铁液中发生:SiO2 + 2C = Si + 2CO↑时,氧以CO形式逸出,铁液开始沸腾,沸腾温度为TH≈1475℃,此时逸出气体使夹渣上浮、溶氧下降,提高纯净度,冶金质量高。

  辜祖勋介绍:德国某缸体铸造厂,20吨冲天炉与8吨中频炉双联,炉料为全部废钢加碳化硅,铸造焦固定碳≥90%,冲天炉出铁温度不低于1540℃,缸体浇注温度约1420℃,大大减少缸体最易出现的气孔,冷却速度减慢降低白口倾向,提高加工性能。无论冲天炉还是电炉熔炼,加入0.7%-1.0%的碳化硅都有助于提高铁液纯净度。中铸协顾问李传拭说:灰铸铁加入SiC预处理,可促进A型石墨形成,改善冶金质量。[11]熔炉对冶金质量的影响:冲天炉最优,感应电炉次之,电弧炉较差。

  ②熔炼时铁液的化学成分稳定是保证铸件可复制性的重要方面。含碳量应控制在±0.05%,含硅量应控制在±0.1%,其它元素也应控制在理想值±10%以内。

  ③化学成分相同,炉料与熔炼工艺不同,铸铁性能不尽相同。灰铸铁冶金质量指标有,成熟度:Φ30试棒的抗拉强度实测值与(1000-800SC)的比值。硬化度:Φ30试棒硬度实测值与(530-344SC)的比值。品质系数:成熟度与硬化度的比值。

  品质系数 = 成熟度/硬化度 = 实测抗拉强度×(1000-800SC)/ 实测硬度×(530-344SC) 对于铸件Sc是常数,(1000-800Sc)/(530-344Sc)也是常数,那么:

  品质系数 = 成熟度/硬化度,说明实测抗拉强度高,实测硬度低,得到的品质系数好。

  品质系数值一般在0.7-1.5之间,力求大于1.0。综合工艺控制好的灰铸铁,品质系数高,弹性模量E0值和共晶团数也高。抗拉强度高而硬度低的灰铸铁冶金质量好,切削性能好,加工成本低。良好的孕育能提高品质系数15%-20%。下表经大量实践数据处理制定。表中可以看出三者之间的关系。

  . 铁液过虑与孕育合金

  ①二次孕育和陶瓷过滤器有利于形成等轴晶:发动机缸体、缸盖结构复杂,壁厚差大,薄壁处3.2-4.5mm。高效孕育合金及二次孕育可以促进石墨化,获得A型石墨,消除白口,

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  改善壁厚敏感性;减少过冷石墨和共生铁素体。孕育处理可以促进形成等轴晶,浇注系统添加陶瓷过滤器,可以是铁液的紊流特性转变成平稳的层流,减少铁液的氧化和对型壁的冲蚀。过滤器去除铁液中非金属夹杂物,改进切削性能,延长刀具寿命;过滤防止夹渣缺陷,提高铸件表面质量,减小加工余量;具介绍:铁液过滤妨碍柱状晶生长,促进获得等轴晶,从而提高力学性能,特别是提高疲劳强度。过滤器厚度与效果关系很大。[6]

  ②硅锶孕育剂:广泛应用于缸体、缸盖等复杂结构及薄壁铸件。“铸铁的共晶团数多,缩松倾向大;共晶团数少,白口倾向大。”硅锶孕育剂不增加共晶团数,消除白口能力却很强,线收缩敏感小,防止薄壁部位气孔、针孔、夹渣、缩松等缺陷,有效防止铸件的渗漏,孕育后铸件硬度降低,改善断面均匀性,提高切削加工性能。

  锶与钡同属硷土金属,有长效孕育作用。硅锶孕育剂在欧美、日本应用广泛; 该孕育剂ω(Ca)≤0.1% ,有利于减少锶的渣化。[2][5][6]

  ③硅锆孕育剂:冲天炉—电炉双联熔炼宜采用硅锆孕育剂,ω(Zr): 3%-6% 与氮反应生成氮化物,降低铁液中的溶解氮,减少废钢奥氏体氮多引起的氮气孔,并抑制孕育衰退。溶解氢增大铸铁过冷度增加白口倾向,降低强度和韧性,镁、锆、稀土降低铁液的含氢量。铁液中ZrC是石墨形核的基底,对析出和细化奥氏体枝晶有利,增加共晶团数,少量Zr溶于基体起到微合金化的作用。微量Zr是有效石墨化元素,有效消除白口倾向,改善石墨组织,获得均匀细小的A型石墨。锆、锶、钡的碳化物和氧化物,晶格常数与石墨接近,与氧的亲和力较弱,滞后发生氧化反应,因此抗衰退能力强。[2][3][4][6]

  含锆的孕育剂种类很多,有硅锆、硅锶锆、硅锆钡钙铝锰等,合金含量不同,构成不同牌号,供铸造车间根据铁液具体情况选用。

  ④稀土孕育剂:对于高强度灰铸铁,一定量的稀土具有大量增加共晶团数,石墨化能力强,抗衰退性能好等优点。稀土与Pb、Ti、As、Te、Sn等元素生成金属间化合物,减少其对片状石墨形态的危害,增加石墨结晶晶核的基底。加稀土的铸铁,在放大32万倍时,可看到微细片层状的类似珠光体组织,可产生“弥散强化”作用,改善力学性能与耐磨性。稀土孕育剂可以减少铬元素引起的过冷,对低硫的铁液有很好的孕育作用。[1]

  从北京科技大学方克明教授的有关石墨图谱显示:加入适量稀土的灰铸铁,片状石墨尖端钝化,这是灰铸铁准蠕化的概念。稀土与硫、氧结合能力强,有效净化铁液。有研究表明:含稀土的孕育剂,降低铸铁的过冷度和白口倾向,降低硬度及形成气孔倾向,提高灰铸铁的抗拉强度。[8]一些铸铁清洁剂、变质剂绝大多数应含有稀土元素。相信,工厂通过铸铁中最佳稀土含量的确定,选用稀土孕育剂,可以减少甚至取消Cu、Cr、Mo、Sn的使用。[9]

  混合稀土硅铁孕育剂、铈硅铁孕育剂、镧硅铁孕育剂,不同含量构成不同牌号,可以根据铸造车间原材料情况选用。

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