【热坛讲堂】发动机缸盖用高牌号蠕铁材料开发及生产控制（上）

韓振中 热加工行业论坛 昨天

发动机缸盖用高牌号蠕铁材料开发及生产控制（上）

一汽铸造有限公司无锡分公司 韓振中

以往中重型柴油机缸盖主流材质：普通灰铸铁、铬钼合金灰铸铁，随着柴油发动机技术水平的不断提升，爆发压力日益提高，铸件壁厚往轻量化、结构往紧凑化发展，灰铸铁缸盖的性能已无法满足上述需求。而高牌号蠕墨铸铁材料相比灰铸铁具有更高的物理性能，目前国内国外大排量的柴油发动机缸盖基本都将材质升级为高牌号蠕墨铸铁。

三种常用铸铁材质主要物理学性能

一、蠕墨铸铁新材料的开发及应用

1、国外蠕铁材质开发及应用

国外蠕铁材质的开发可以追溯至19世纪40年代，1948年MorroghH等人发表《The Production of Nodular Structure in Cast Iron》论文，他们在研究加Ce处理灰铸铁铁液生产球墨铸铁的过程中，发现在亚共晶铁液中有一种既不同于球状石墨又不同于片状石墨的新石墨形态，当时称其为“伪片状石墨”（Quasi-flakegraphite）。

1955年Estes J W 等人发表论文《NewHigh Strength Cast Iron Produced by Injection Methods》，认为这种材料是处在“灰铸铁和球墨铸铁之间的一种材料，是可以稳定制取的”。

20世纪60年代中期，美国国际镍公司SchelleR D 对蠕墨铸铁进行了较为系统的试验研究，并申请了美国专利（No.3421886）和英国专利（No.1069058）。

1968年，奥地利ThoryW 等人用混合RE 金属制取了蠕墨铸铁，并申请了奥地利专利。

2、国内蠕铁材质开发及应用

我国对蠕墨铸铁的认识是从20世纪60年代初开始的，无锡柴油机厂对蠕铁材质的研究相对较早，且持续批量化生产和改进。早在1961至1963年，无锡柴油机厂与包头钢铁公司冶金研究所、上海内燃机研究所合作研究了“RE在铸铁中的应用”，开创了国内蠕铁材质在车用发动机缸盖上应用的先河。

二、高牌号蠕铁生产前期遇到的主要问题

众所周知，蠕铁的蠕虫状石墨是介于片状石墨与球状石墨的中间石墨过渡形态，这个过渡区的稳定区很小，等效镁元素含量区间仅仅约0.008%。此外，受Mg元素在高温中的烧损及生产过程中人机料法环测等多方面因素的影响，导致优质高牌号蠕铁材质的生产难度大幅增加。

高牌号蠕铁前期生产过程中主要问题

1）材质波动较大：主要表现为本体抗拉强度从400-530MPa，蠕化率低的仅达到75%，高的出现衰退不蠕化。

2）缩松差异较大：同样的工艺条件下，不同批次的缩松差异大，同一批次不同炉次和不同包次之间也存在差异。

3）生产过程连续性差：前期因铁水处理不合格比例较高，铁水回炉重新处理频繁，生产过程不顺。

导致材质波动大，缩松差异大的主要原因：

1. 生产过程中铁水蠕化处理干扰元素波动大（比如S、O元素），S量有时超过0.02%，对蠕化处理结果产生不利影响。

2. CE的波动，一定程度上影响凝固，在同批次生产过程中同时出现过共晶与亚共晶凝固，导致缩松情况出现差异。

3. 蠕化丝、孕育丝品控存在差异，填充物均匀性差，机械喂丝过程中出现断丝、卡丝等问题，严重影响生产连续性，并造成质量波动。

4. 前期OCC处理过程中异常包次（镁指数超差）比例高，频繁的回炉会造成铁水成分波动；

三、高牌号蠕铁稳定性控制方案探索

1、基于OCC工艺的高牌号蠕铁生产流程

1.1 OCC工艺生产流程

1）一汽铸造无锡分公司采用中频电炉对炉料进行熔化，获得符合要求的原铁水；

2）原铁水的检测数据自动传输至OCC控制中心（其中液相线温度由设备热分析仪检测、S量由碳硫分析仪检测、金属元素等其他成份由光谱仪检测）；

3）OCC控制中心根据数据进行分析，并给出喂丝参考量；

4）喂丝系统根据控制中心指令进行喂丝；

5）喂丝后取样经检测设备分析得出蠕化指数及孕育指数，如指数在工艺要求范围内，则进行浇注。

OCC工艺主要设备介绍：OCC蠕化处理设备主要由控制中心、喂丝系统和检测设备等组成。

1.2 蠕墨铸铁铁水质量评判依据

“OCC指数分级”，它具有两个用于评判的指数。

（1）镁指数（Magnesium-Index）：用来评判铁水中由硫、镁和稀土含量的综合作用产生的石墨的形态变化，表示不同的蠕化率（或球化率）和抗拉强度。该指数越高，球化率和强度越高。

（2）孕育指数(Inoculant-Index)：用来评判铁水的孕育能力，即析出石墨还是碳化物。该指数越高，孕育状态越好，越促进石墨化。

OCC 软件系统根据测得的热分析曲线计算上述两个指数，并借助类似于左图中的棋盘格，识别指数是否落在适合蠕铁生产的区域。

在棋盘格中可以划分出三个区域。

（1）欠处理区：落入此区的铁水需要补充处理，所需的补正量由软件系统自动给出；

（2）过处理区：落入此区表明铁水已经处理过渡，无法进行补救，此铁水应废弃；

（3）蠕铁区：落入此区的铁水适合蠕铁生产，可以进行浇注。

一汽铸造无锡分公司在实际生产中因各个产品结构和浇注系统的差异，针对不同的产品通过实际论证，对相关参数设定了不同的工艺区间。控制过程中，Mg指数的公差范围一般为±2.5，孕育指数一般为±2.5。

1.3 工艺介绍

一汽铸造无锡分公司HWS线砂箱尺寸为1300*900*350（*2），蠕铁缸盖产品的长度均超过1米，采用无冒口的竖浇工艺。实际生产中由于缸盖螺栓孔、导管孔等热节部位较多，温度场复杂，蠕墨铸铁凝固的特性导致热节部位得不到有效补缩，形成孤立液相区，产生缩松缺陷。一汽铸造无锡分公司目前采用熔炼工艺优化和冷铁工艺相结合的方式改善缩松缺陷，重点侧重于熔炼工艺的优化及稳定控制。

注：本文为2020年《兴业杯》高性能铸铁技术研讨会暨华东铸协年会宣讲论文，作者韓振中为一汽铸造有限公司无锡分公司高级专家

    （文章来源：兴业股份；未完待续）

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