发动机铸铁件新材料技术路线.pdf

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1、?2010年第 4期(总第 118期)?内燃机与动力装置?I.C.E&Powerplant?2010年 8月?工艺与设备 发动机铸铁件新材料技术路线李?明(潍柴动力股份有限公司 技术中心,山东 潍坊?261001)?摘要:随着国!、国和国#柴油机的研发,这些新型发动机都对其关键铸件如机体、气缸盖等的铸件材质提出了更高的要求。目前普遍采用的 HT250牌号已经远远满足不了其材质可靠性要求。发动机铸件材质国内外在八、九十年代走过了从 HT200到普遍使用 HT250的时代,本文认为目前已经进入了从 HT250开始向高性能铸铁发展的时代。作为高性能铸铁,一个是以 HT280(HT275)为代表的高性

2、能灰铸铁,另一个就是蠕墨铸铁。关键词:铸铁;灰铸铁;蠕墨铸铁;技术路线中图分类号:TK425.1?文献标志码:A?文章编号:1673-6397(2010)04-0049-04TechnicalRoute ofNewM aterial for Engine Iron CastingsLIM ing(W eichai Power R&D Center,W eifang,261001,China)Abstract:A long w ith the development of new diesel engines,higher demands have beenbrought for ward in

3、 material of engine casting,such as cylinder head and engine block.The HT250materialwhich is using generally at present can notm eat the requirement of new enginesreliability.In the eighties and nineties years of the last century,the engine casting material changed fromHT200 to HT250,and now is the

4、ti me for much higher perfor mance cast iron materials.The highperfor m ance cast iron includes the high perfor mance grey cast iron likeHT280(HT275 and the com?pacted graphite iron.KeyW ords:Cast Iron;Grey Cast Iron;Compacted Graphite Iron;Technology Route作者简介:李明(1968-)男,山东桓台人,硕士,高级工程师,主要从事铸造材艺与工艺设

5、计。概?述由于发动机的技术发展,产品升级换代,迫切要求铸件材质性能在质量可靠性和稳定性方面有大的提高。再者,柴油机产品功率档次也在不断提高。在排放方面也从国标准提高到了国!标准,国 和国#柴油机的研发也提上研发日程。这些新型发动机都对其关键铸件如缸体、缸盖等的铸件材质提出了更高的要求。尽管这几年随着国!发动机铸件材料的开发,对铸件材料的认识程度普遍有了提高,对铸件材料开发的重要性也得到了一致认同,同时也有很多厂家开展了一些工作,但这些工作还很不系统,还很不深入。从目前的实际现状来看,铸件材料还不能完全满足国!发动机以及未来新产品柴油机对铸件材质的需求,在铸件生产工艺、熔炼设备、原辅材料、质量控

6、制环节等方面还存在一些问题,还有大量的工艺工作需要开展研究。目前对于高性能灰铸铁,国内外所采取的生产工艺主要有几种路线,还没有形成成熟的、普遍采用的一种高性能灰铸铁稳定生产的技术路线。对于蠕墨铸铁,国内外很多厂家也都处在加紧开发中。为满足目前国!发动机以及未来新产品柴油机对铸件材质的需求,尽快确定高强度灰铸铁稳定生产的技术路线以及为后续产品作新材料准备的蠕墨铸铁的技术路线,然后依据确定的技术路线开展材料工艺开发工作,是非常迫切和必须的。内燃机与动力装置2010年 8月?1?目前国内外灰铸铁的生产工艺情况发动机铸件与一般铸件有着不同的特点和要求。其生产工艺也具有明显的特点。对于发动机灰铸铁铸件,

7、目前国内外主要采取以下生产工艺。1.1?低碳当量工艺低碳当量工艺是指通过降低灰铸铁的 C、Si含量,从而提高铸铁强度的办法。国内目前仍有很多铸造厂采用这种工艺。灰铸铁的强度主要取决于石墨和基体组织。随着碳当量的提高,铸铁的强度降低。降低灰铸铁的C、Si含量,可以提高铸铁的强度。这也可以从表 1所示的的不同牌号密烘铸铁的化学成分控制范围看到这一趋势。但灰铸铁的铸造性能是在共晶度接近于 1时,铸造性能最佳,共晶度越低,铸造性能越差。而发动机机体和缸盖对铸造工艺性有着严格的要求,要求加工性能要好、应力要小、不能有缩松渗漏。因此,采用这一工艺来提高强度的优点是:%对铸造技术要求较低,只是通过改变炉料中

8、废钢、生铁的配比,降低原铁水的 C、Si含量即可;&由于不用或者少用一些合金元素,因此铸造成本较低。其缺点是:%采用单纯降碳的低碳当量工艺是一种落后的铸造熔炼工艺;&由于碳当量较低,铸造性能会恶化,从而铸造缺陷缩松、应力、裂纹的倾向增大;铸件容易产生白口,铸件的加工性能差;(铸件的断面均匀性差;)铸件导热性等性能受到影响。表 1?不同牌号密烘铸铁的化学成分控制范围密烘牌号成分范围(%)CSiMnPSGE2003.3 0.11.95 0.150.5 0.1 0.100.06 0.10GE2253.25 0.11.90 0.150.6 0.1 0.100.06 0.10GD2503.2 0.11.

9、85 0.150.65 0.1 0.100.06 0.10GC2753.15 0.11.80 0.150.75 0.1 0.100.06 0.10GB3003.12 0.11.75 0.150.85 0.1 0.100.06 0.10GB3253.10 0.11.70 0.150.9 0.1 0.100.06 0.10GA3503.05 0.11.65 0.150.95 0.1 0.100.06 0.10?注:灰铸铁件中 N、Pb含量要求控制范围:N70 100ppm,Pb 30ppm1.2?高碳当量、高合金化工艺高碳当量、高合金化工艺指维持灰铸铁的 C、Si含量在较高水平的条件下,通过加入较

10、多的合金元素如铜、铬、钼、锡等,从而提高铸铁强度的办法。提高 C、Si含量,必然造成铸件的机械性能降低,达不到铸件机械性能的要求,必须采用合金化来提高强度的措施。采用这一工艺来提高铸件强度的优点是:(1)对铸造技术要求相对较低,而且合金化工艺也比较成熟。(2)采用合金化工艺提高灰铸铁强度作用明显,特别是钼等元素。其缺点是:(1)由于要加入较多的合金元素,这些合金材料价格都很高,因此铸件成本较高。(2)合金元素的加入量受到是否增加渗漏、影响机械加工性能、成本增加等的影响和制约。1.3?微合金化工艺微合金化工艺是指一汽所研究的专利技术。其特点就是将需要加入的不同合金,如:铬铁、锰铁、稀土、钼铁等,

11、制成合金复合孕育剂,采用炉外冲入的方式加入铁水中,代替原炉前需分别加入的各种合金和炉前孕育剂。一汽铸造为满足欧!发动机的材质要求,近年来开展了+高强度大马力柴油机发动机缸体材质的研究,项目,该项目也是吉林省科技厅应用基础研究重点项目。该项目要达到的目标是解决大马力发动机缸体的强度问题,实现这一关键零件的国产化生产,在满足一汽需求的基础上,向国内外供货。通过前期的工作,课题组已实现了项目的预期目标。其中取得的最大成果就是在满足大马力发动机缸体本体抗拉强度达到性能指标的同时,取消了过去为提高强度必须加入的钼铁合金,这将使铸件的生产成本大为降低,产生重大的经济效益。目前钼铁的价格在急剧增长,而传统生

12、产高强度大马力发动机缸体铸件每吨一般要加入 4公斤以上的钼铁,成本较高。而本项目的完成将使成本每吨降低千元左右。同时申请了国家发明专利一项:一种新型微合50?2010年第 4期李?明:?发动机铸铁件新材料技术路线金化高强度灰铸铁。项目组采用的微合金化处理方法,能 使?30mm 抗 拉 试 棒 的 抗 拉 强 度 达 到420 MPa,这在高强度灰铸铁制造领域属世界先进水平。同时,该种灰铸铁的强度相当于蠕墨铸铁的强度水平。如果能用灰铸铁替代蠕墨铸铁,那将是材料工程技术上的一项重要突破。采用这一工艺来提高铸件强度的优点是:(1)可以降低合金元素加入量,降低铸件成本;(2)采用孕育剂的方法添加合金元

13、素,可以有效发挥合金元素提高强度的效能。其缺点是:(1)该工艺还没得到普遍认识,而且也没有市场化;(2)该工艺的本质还是一种靠加入合金元素来提高强度的办法,只是采用孕育剂的方法添加合金元素,有效地发挥了合金元素提高强度的效能。1.4?高碳当量、低合金化工艺高碳当量、低合金化工艺是指目前先进的铸造材质生产工艺。其特点就是在较高碳当量条件下,通过细化共晶团、细化石墨、强化基体组织来达到高的强度性能,同时保持优良的铸造性能。具体工艺就是通过改变熔炼工艺方式,获得高温、稳定的铁液,添加适量的合金元素进行低合金化,选择适当的孕育剂进行有效的孕育。对于同样的化学成分,如果熔炼工艺不同、配料不同,铁水的冶金

14、质量则会完全不同。某厂做过这方面的对比,铸件本体抗拉强度能差 30MPa,可以说差别能在一个牌号范围。国外生产灰铸铁件,在合金的使用上并不是很多,但铸件的强度都很高,切削加工性能也很好;而在我国,虽然加入了大量的合金,材料的性能却达不到国外的水平,其根本原因就在于熔炼技术和工艺的根本区别。在国外无论是电炉熔炼还是冲天炉熔炼,都大量使用废钢,几乎不用生铁。电炉采用的是增碳技术,冲天炉采用的是高温熔炼技术,这样就会获得非常好的渗碳效果。某厂生产高性能灰铸铁件采用 8 t中频电炉熔炼,全废钢加增碳的工艺,化学成分范围是:w(C)3.25%3.35%,w(Si)2.10%2.40%,w(S)0.08%

15、0.12%,w(Mn)0.4%0.7%,w(Cr)0.25 0.30%,w(Cu)0.5%0.6%,w(Mo)0.2%,w(Sn)0.02%0.04%。采用这一工艺来提高铸件强度的优点是:(1)这种工艺是目前国际上先进的铸造材质生产工艺;(2)在获得较高的机械性能的同时,铸件又有着优良的的铸造性能;(3)铸件有着良好的综合机械性能,比如抗拉强度提高的同时,疲劳性能也提高;(4)铸件材质性能稳定性高;(5)铸件的断面均匀性好。其缺点是:(1)铸造技术难度最大,熔炼工艺比较复杂;(2)需控制的环节较多,包括工艺、装备、原辅料、管理等方面;(3)必须具备相应的熔炼条件,需要有相应的熔炼设备、原辅料等

16、资源。2?高性能灰铸铁稳定生产的技术路线普通 HT250铸件由于其工艺适应性相对较宽,其铸造生产工艺的控制范围相对较大。由于高性能灰铸铁其关键内容就是能否做到稳定生产,所以必须采取生产条件稳定、工艺更加成熟、各个熔炼环节过程控制更加严格的措施才能保证。高性能灰铸铁稳定生产的技术路线应为高质量原铁水、较高碳当量、低合金化、强化孕育工艺。具体内容为:(1)原辅材料方面选用合乎质量要求的原辅材料。特别是对废钢、焦炭、孕育剂质量要严格材料标准,从货源上保证质量的稳定。从货源上进行 P及 Pb、Al、Sb、T i等微量元素的控制,避免微量元素造成铸件材质性能影响。(2)铸件化学成分采用的成分范围要严格控

17、制。对于高性能灰铸铁,由于其机械性能水平处在了灰铸铁的高限,因此,要想稳定地保持这一水平,相应地其化学成分允许的极差更小。比如有文献介绍,在国外,对于HT250牌号,其碳含量的范围可以在 0.1%,对于高性能灰铸铁,其碳含量的范围必须在 0.05%。(3)熔炼工艺采用热风冲天炉熔化铁水,或者采用中频炉熔炼工艺,提高增碳系数,配料以废钢加回炉料为主,也就是采用合成铸铁,保证铁水出炉温度在 15001550.。这是获得高性能灰铸铁的首要条件。(4)根据不同的铸件以及不同的材质要求,确定具体铸件的低合金化工艺。对于高性能灰铸铁,单纯控制五大元素基本成分,难以满足机械性能要求。必须采用铜、铬、镍、钼、

18、锡等合金元素进行合金化,关键是要进行合理的51内燃机与动力装置2010年 8月?元素选择和搭配比例。由于合金元素铜、镍等价格较贵,同时合金加入量较大,致使铸件成本相对较高。要在稳定化学成分、研究铜、镍等合金化作用的基础上,适当降低合金加入量,降低铸件成本,提高铸件性能。(5)采用合适的一次孕育和随流孕育。主要包括孕育剂的种类以及孕育剂加入量。孕育剂的种类主要有稀土钙钡、铬锰硅等。选择定量稳定准确的随流孕育装置,进行随流孕育。(6)抓好铁水质量的检测。实现检测数据的计算机联网显示以及统计分析控制。(7)使用热分析技术检测以及分析铁水质量,并用于工艺的开发。有文献介绍,高性能灰铸铁的生产已经不能仅

19、仅靠化学成分的控制,还需要借助其他参数,如液相线温度等参数进行控制。(8)建立完善的铸件材质检验秩序。铸件材质性能的检验逐渐由单铸试棒过渡到铸件本体上去控制。3?目前国内外蠕墨铸铁应用及生产工艺情况近几年,蠕墨铸铁的应用,特别是在欧洲,得到了长足的进展。这是人们在发现蠕墨铸铁后,首次作为一种材质在国外发动机缸体等重要铸件上得到广泛使用。应用的同时又掀起了相应的进一步深入研究的高潮。随着发动机爆发压力的不断提高,对铸件材质性能要求越来越高,应用蠕墨铸铁的机会也越来越多。目前在国外已经批量应用蠕墨铸铁的发动机铸件,主要是在轿车发动机的缸体、缸盖上。在卡车发动机方面,已经批量应用蠕墨铸铁的发动机铸件

20、,主要为达夫公司(DAF)重型发动机的缸体、缸盖,MAN公司的 D20缸体、缸盖。我国应用历史要早于国外,应用领域也较广,但用于发动机铸件的例子主要有上海圣德曼、庆铃铸造公司和二汽的蠕墨铸铁排气管、锡柴和大柴的蠕墨铸铁缸盖等。蠕墨铸铁的蠕化处理范围本身就很窄,国外又要求更高的蠕化率,所以必须要采用合适的生产技术与相应的蠕化剂。国外蠕铁的应用主要以发动机铸件为代表。由于国外对蠕铁的蠕化率要求较高,因此形成了一些炉前控制技术,采取严格的蠕铁生产工艺来生产蠕铁材料铸件。这些蠕铁生产工艺主要有:SinterCast工艺、OxyCast 工艺、NovaCast工艺、Backerud工艺等,其中 Sint

21、erCast工艺是最为典型的蠕铁生产工艺。国内蠕铁生产工艺除在蠕化剂方面做了大量工作,使用了很多种类的蠕化剂外,处理控制工艺比较简单,个别采用三角试块以及炉前快速金相分析,基本上没有良好的质量控制手段。由于缺乏有效地过程控制手段,这些应用还在较低的水平上。存在的问题主要是蠕化成功率较低、铸件的蠕化率较低、铸件本体的珠光体含量较低。在欧洲,越来越多的卡车厂采用蠕铁,但也遇到了一些问题。在蠕铁的应用方面,各种意见都有:一是已经推广应用,二是正在开发应用,三是还在观望。但为适应越来越高的爆发压力,倾向于采用蠕铁的占多数。灰铸铁一般是做到 HT280和 HT300就很难再从疲劳强度上进行提高,只是提高

22、了硬度。同时,HT300的废品率、加工难度也提高了。蠕铁作为一种新材料、新技术,在国内发动机生产企业也得到了越来越多地重视,正在进行一些研究,甚至样试性的应用。4?蠕墨铸铁的技术路线国!、国 排放的重型发动机的爆发压力以及功率档次的不断提高,对关键铸件气缸体、气缸盖提出了更高的材质要求。目前,对于灰铁材质,HT280牌号已是作为这些批量生产的复杂铸件的极限。一是从工艺角度,性能再往上提高的难度很大,二是从成本角度,采用贵重合金,也将带来成本的提高,三是铸造工艺性严重降低。因此对于国!、国 排放的重型发动机气缸体、气缸盖仍然采用高性能灰铸铁,按照确定的高强度灰铸铁稳定生产的技术路线不断完善和优化

23、工艺,进一步稳定和提高其性能。但随着发动机爆发压力的继续提高,对于未来新产品的关键铸件将采用蠕铁材料是很有可能的。蠕墨铸铁的技术路线内容如下:由于蠕墨铸铁这种新材料的开发需要进行大量的工作,需要的开发周期较长,因此,蠕墨铸铁的开发应用将分两步走:第一步,采用一些控制手段,来研究蠕墨铸铁的生产工艺参数,探索蠕墨铸铁的铸造工艺、材质性能参数,进行小批试生产。(下转第 58页)52内燃机与动力装置2010年 8月?为了避免射砂时砂子从射嘴与芯盒体的配合面逃逸,在射嘴的前端加装橡胶的射嘴衬套,射嘴衬套与芯盒本体配面留有约 0.3mm 的过盈量如图 2,可以起到良好的密封作用,同时射板限位块也要做成可调

24、式,如图 6,通过增减限位块垫片,调节限位块高度,从而调节射嘴衬套与芯盒本体间配合,使密封效果达到最佳。图 6?可调式射板限位块示意图4?安装模具模具设计时在各模块间安装定位装置,可以保证模具的在设备上的精确定位,并实现一次安装,提高模具更换效率,缩短模具更换时间。如图 1所示,芯盒本体通过模底框上定位套可以与设备定位,上顶芯吹气系统再通过定位销/套与芯盒本体定位,射砂系统再与上顶芯吹气系统定位,这样通过层层定位,把模具的各大部件紧密地关联在一起,非常方便模具在设备上的更换,同时也能满足模具各部分在工作时的定位需求。5?射砂头与射砂板间的密封在射头与射板之间加装密封条可以防止射砂时该处跑砂,该

25、密封条可以安装到射头上,也可以安装到射扳上。密封条安装到射头上优势更大,可以避免在该设备上的所有模具的射扳都要安装密封条。由于射头属于设备的一部分,而射扳属于模具,因此在订购新设备和配备新模具时,要明确密封条的安装位置,否则可能出现设备和模具都没有配备密封条的情况。6?射砂时跑漏砂射砂时跑漏砂的问题大都与密封有关,通过调整密封方式与密封过盈量基本都可解决。但模具制作时的疏忽造成的跑漏砂具有更大的隐蔽性,如图7所示的射嘴通过内六角螺钉与射板固定在一起,如果射扳上的螺钉孔是透孔,而模具制作时该处漏装一个螺钉,这样也会造成跑砂。此类问题在模具验证过程中时有出现,给模具验证带来许多无谓的工作。图 7?

26、射嘴与射板固定示意图7?结束语根据具体设备类型和砂芯形状,通过合理的模具设计,加强模具制作管理和生产管理,能够减少模具验证周期,制出形状完美的砂芯,保证设备和模具的高效、稳定运行。(上接第 52页)?第二步,根据产品需求,在第一步开发研究已经掌握蠕墨铸铁工艺、性能的基础上,引进像 Sinter?CAST工艺这样的最先进的蠕铁生产工艺来投入蠕墨铸铁的批量生产。5?结束语随着国!、国 和国#柴油机的研发,这些新型发动机都对其关键铸件如缸体、缸盖等的铸件材质提出了更高的要求。目前普遍采用的 HT250牌号已经远远满足不了其材质可靠性要求。发动机铸件材质国内外在八、九十年代走过了从 HT200到普遍使用 HT250的时代,本文认为目前已经进入了从HT250开始向高性能铸铁发展的时代。作为高性能铸铁,一个是以 HT280(HT275)为主的高性能灰铸铁,另一个就是蠕墨铸铁。58