暴趙鴻，劉建民，賀建科，何　濤，郝寶云

（淮海工業(yè)集團(tuán)有限公司，山西長(zhǎng)治046012）

蠕墨鑄鐵NE840V8柴油機(jī)缸體鑄造工藝研究與試制

暴趙鴻，劉建民，賀建科，何濤，郝寶云

（淮海工業(yè)集團(tuán)有限公司，山西長(zhǎng)治046012）

介紹了蠕墨鑄鐵NE840V8柴油機(jī)缸體鑄件試制過程，通過合理設(shè)計(jì)缸體毛坯鑄造造型、制芯及砂芯組裝工藝，合理使用爐料配比，同時(shí)根據(jù)生產(chǎn)條件正確選擇和控制化學(xué)成分、蠕化劑及蠕化處理方法，使緊湊的蠕化處理、合理的澆注溫度和澆注速度工藝過程相匹配，可得到缸體鑄件的蠕化率達(dá)到80%以上，滿足相關(guān)技術(shù)和質(zhì)量控制要求。

缸體；鑄造工藝；蠕墨鑄鐵

經(jīng)多方相關(guān)資料報(bào)到，近年國(guó)外蠕墨鑄鐵作為發(fā)動(dòng)機(jī)缸體和缸蓋的新型材料得到了廣泛的應(yīng)用，國(guó)內(nèi)也開始對(duì)此進(jìn)行研究與應(yīng)用。尾氣標(biāo)準(zhǔn)和高性能比的要求將繼續(xù)促使柴油發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)的發(fā)展，較高的燃燒峰壓改善了內(nèi)燃機(jī)的性能和尾氣的凈化，但同時(shí)亦增加了熱和力的負(fù)荷，在不增加發(fā)動(dòng)機(jī)尺寸和重量的前提下為滿足使用壽命的要求，發(fā)動(dòng)機(jī)缸體和缸蓋材料將由普通的灰口鑄鐵轉(zhuǎn)向蠕墨鑄鐵，蠕墨鑄鐵的抗拉強(qiáng)度和剛度分別高于普通的灰口鑄鐵的75%和45%，疲勞強(qiáng)度幾乎是普通的灰口鑄鐵的2倍，蠕墨鑄鐵缸體和缸蓋不僅滿足了使用壽命的要求，同時(shí)尺寸也穩(wěn)定，在整個(gè)使用壽命內(nèi)滿足了尾氣質(zhì)量的要求，所以它是當(dāng)前及將來(lái)發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)和性能提高所需的理想材料［1］。

1　NE840柴油機(jī)及V8缸體簡(jiǎn)介

NE840型汽車柴油發(fā)動(dòng)機(jī)已列入國(guó)家863項(xiàng)目，其中主要配套件缸體為8缸V型排列（見圖1），集燃燒室、水套冷卻、油道、曲軸回轉(zhuǎn)定位等功能于一身，同時(shí)也是其他零部件的懸掛結(jié)構(gòu)本體。因增加了蝸輪增壓和二次燃燒，提高了發(fā)動(dòng)機(jī)的熱負(fù)載和車載荷，是國(guó)內(nèi)研發(fā)的一款最先進(jìn)的柴油發(fā)動(dòng)機(jī)，與國(guó)外某知名公司研發(fā)的某款最先進(jìn)的柴油發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)含量相當(dāng)。缸體毛坯尺寸為580mm×570mm× 455mm，毛坯重約160 kg，沒有多余的金屬添加體，在滿足使用技術(shù)要求的基礎(chǔ)上壁厚做到了最小，絕大部分壁厚為5 mm，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)精巧和緊湊，外觀見圖2.缸體材料使用蠕墨鑄鐵，執(zhí)行國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T26655—2011，牌號(hào)達(dá)到RuT300以上。

圖1　機(jī)加成品圖

圖2　毛坯實(shí)物圖

鑄件的表面及內(nèi)腔不允許有任何氣孔、夾砂、夾渣、縮孔、縮松以及其他缺陷，同時(shí)鑄件有致密性要求，加工完工后要對(duì)水道和油道等內(nèi)腔進(jìn)行氣密性試驗(yàn)，無(wú)泄漏后毛坯方算合格。在長(zhǎng)期的生產(chǎn)中，通過對(duì)V8類缸體和蠕墨鑄鐵件生產(chǎn)及質(zhì)量控制，積累了一定的經(jīng)驗(yàn)，使之符合相關(guān)技術(shù)和質(zhì)量要求。

2　鑄造工藝設(shè)計(jì)

在設(shè)計(jì)各項(xiàng)鑄造工藝參數(shù)及方案時(shí)，首先要確定鑄件縮放比例，不能直接照搬灰鐵缸體鑄件縮放比例，蠕墨鑄鐵缸體鑄件與灰鐵缸體鑄件縮放比例有所不同，要根據(jù)生產(chǎn)條件和經(jīng)驗(yàn)有所調(diào)整。

2.1澆注系統(tǒng)工藝設(shè)計(jì)

根據(jù)經(jīng)驗(yàn)和理論計(jì)算，澆注系統(tǒng)設(shè)計(jì)成開放緩沖、底注式，充型平穩(wěn)。澆注結(jié)束后使鑄件實(shí)現(xiàn)從上到下的順序凝固，并使較厚的軸瓦部分凝固時(shí)能得到澆注系統(tǒng)鐵液的補(bǔ)充，從而實(shí)現(xiàn)無(wú)專用補(bǔ)縮冒口鑄造。圖3為澆注系統(tǒng)設(shè)計(jì)三維模型圖，利用鑄造模擬軟件模擬了溫度場(chǎng)，從模擬縮孔和縮松結(jié)果來(lái)看，鑄件實(shí)現(xiàn)了順序凝固，保證了鑄件內(nèi)部質(zhì)量。

圖3　澆注系統(tǒng)三維模擬圖

2.2造型與制芯工藝設(shè)計(jì)

2.2.1造型工藝設(shè)計(jì)

造型條件為樹脂自硬砂。因鑄件外觀結(jié)構(gòu)相當(dāng)復(fù)雜，不能依靠常規(guī)分型方式形成外觀型腔，所以，形成鑄件外觀的輪廓采取砂芯組合方式，與形成鑄件內(nèi)腔的砂芯組合在一起，實(shí)現(xiàn)了造型單一上下型簡(jiǎn)單化，同時(shí)砂型上排氣通道開設(shè)自如。并且由砂芯組合澆注出的鑄件外觀輪廓清晰，表面質(zhì)量高，同時(shí)尺寸精度也高。

2.2.2砂芯工藝設(shè)計(jì)

形成鑄件外觀輪廓的砂芯最好使用覆膜砂熱芯或冷芯砂，因芯砂在高壓空氣作用下充填型腔緊實(shí)度高，比樹脂自硬砂造出的砂芯表面質(zhì)量高，尺寸穩(wěn)定，芯頭定位配合精度準(zhǔn)確。

形成鑄件內(nèi)腔輪廓的主體砂芯不使用自硬砂，尤其是在主體芯與兩側(cè)缸孔芯設(shè)計(jì)為一體時(shí)，容易發(fā)生定位尺寸位移。要使用覆膜砂，熱芯或冷芯砂均可，制作成空體，有利于芯子排氣，因鑄件壁薄還有利于將芯砂燒潰便于清砂處理。水道芯和油道芯要使用專用芯砂。圖4為部分砂芯組裝圖，圖中砂芯全部采用熱芯盒覆膜砂制作。

圖4　部分砂芯組裝圖

1）主體芯方案設(shè)計(jì)時(shí)，4個(gè)主體芯與各自兩側(cè)形成的缸孔芯采取了分離式，左、右兩側(cè)4個(gè)缸孔芯由一平板芯頭連接制作成一體，保證了鑄件4個(gè)缸孔的相對(duì)位置準(zhǔn)確，如圖5所示。

圖5　缸孔芯三維圖

2）兩水道芯分別與兩側(cè)缸孔芯單獨(dú)組合粘結(jié)成一個(gè)砂芯部件，水道芯與缸孔芯相互定位準(zhǔn)確，保證了澆注出的鑄件水道與缸孔間的壁厚，如圖6所示。

圖6　水道芯與缸孔芯組合三維圖

3）因鑄件各處壁厚較薄，所有型腔和砂芯的排氣通道在制芯時(shí)一并對(duì)應(yīng)制出。

4）設(shè)計(jì)砂芯組裝時(shí)，盡可能少用粘結(jié)劑粘結(jié)，主要依靠芯頭定位為主，以避免粘結(jié)劑發(fā)氣而產(chǎn)生氣孔。本缸體全套砂芯只有4個(gè)主體芯與蓋板、一側(cè)水道芯與缸孔芯等少量芯子需要在砂芯全面組裝時(shí)提前幾分鐘預(yù)先粘結(jié)。設(shè)計(jì)的砂芯組裝與造型同步進(jìn)行，隨時(shí)造型隨時(shí)下芯。

5）砂芯粘結(jié)方法為熱熔膠法。隨粘隨用，無(wú)需烘干等待，砂芯一但定位粘結(jié)后不會(huì)發(fā)生砂芯間定位位移，粘結(jié)強(qiáng)度高，放心可靠。

6）因是底注式澆注，形成鑄件下半部分砂芯受高溫鐵水沖刷時(shí)間長(zhǎng)，易在鑄件表面形成化學(xué)粘砂，所以需在形成鑄件下半部分砂芯表面涂刷一層防粘砂涂料，以便后續(xù)鑄件清理方便。

3　鐵液化學(xué)成分的控制

影響蠕墨鑄鐵抗拉強(qiáng)度和伸長(zhǎng)率的因素主要是蠕化率，化學(xué)成分的控制基本上遵循高碳，低硫、磷和一定的含錳量原則，同時(shí)可加入一定量的錫、銅或鉻等合金元素，用于穩(wěn)定珠光體組織，以提高硬度和抗熱疲勞性能等。

1）成分C、Si及碳當(dāng)量的控制。為獲得石墨化膨脹使鑄件致密，碳當(dāng)量對(duì)獲得蠕墨的影響甚微，常控制在4.3%~4.6%.在一定碳當(dāng)量的前提下，要求較高的碳量，含碳量控制在3.6%~3.8%.隨硅量增加，基體組織中的珠光體量減少，而鐵素體量增加，降低硅量可獲得較多珠光體量，從而提高抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度和硬度，但過低含硅量易產(chǎn)生白口，所以為獲得高珠光體量時(shí)不要追求過低的硅量，應(yīng)當(dāng)以加入合金元素等工藝方法獲得。

2）成分Mn的控制。錳在蠕墨鑄鐵中起穩(wěn)定珠光體的作用，因蠕墨分枝繁雜，對(duì)強(qiáng)度、硬度和石墨形態(tài)都無(wú)明顯作用。所以生產(chǎn)蠕墨鑄鐵缸體時(shí)應(yīng)控制在0.3%~0.8%.

3）成分S的控制。硫和所有蠕化元素都有很大親合力，是消耗蠕化劑的元素，是生產(chǎn)蠕墨鑄鐵的有害元素，當(dāng)硫含量極低時(shí)（S＜0.002%），可快速冷卻獲得蠕蟲狀石墨。為了穩(wěn)定蠕化效果硫含量控制在＜0.025%.

4）成分P的控制。磷對(duì)石墨蠕化無(wú)顯著影響，但過高會(huì)產(chǎn)生磷共晶，降低沖擊韌性，提高脆性轉(zhuǎn)變溫度，使鑄件易出現(xiàn)縮松和冷裂。故磷含量宜控制在較低的范圍，一般在＜0.08%.

5）成分Sn的控制。錫在蠕墨鑄鐵中起促進(jìn)珠光體生成和強(qiáng)烈穩(wěn)定珠光體的作用，過量會(huì)增大鑄件的脆性。故錫含量一般宜控制在＜0.10%.

6）成分Cu的控制。銅在蠕墨鑄鐵中可增加和細(xì)化珠光體組織，降低白口傾向，提高強(qiáng)度、硬度、耐磨性和均勻性。銅與錫并用效果較佳。銅價(jià)格較低，是蠕墨鑄鐵中大量使用的合金元素，含量一般控制在＜1.0%.

4　鐵水熔煉

熔化采用3 t中頻電爐，便于鐵水化學(xué)成分調(diào)整和出爐溫度控制。

4.1爐料的選擇和配比

生產(chǎn)蠕墨鑄鐵相對(duì)比灰鑄鐵和球墨鑄鐵的原鐵水控制要求嚴(yán)格，主要體現(xiàn)在低硫、磷，穩(wěn)定的碳和硅含量，合理選用合金元素種類和含量控制，同時(shí)保證鐵水高溫、純凈等。爐料選擇的種類和配比見表1和2，回爐料一般為自身球鐵料和蠕鐵料。

表1　爐料選擇的種類

表2　爐料的配比（僅供工藝參考）（質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%）

4.2爐前鐵水成分控制

各單位在生產(chǎn)蠕墨鑄鐵件時(shí)，所用的工藝方法和技術(shù)準(zhǔn)備差異較大，所以在化學(xué)成分調(diào)整和控制方面也大不相同，特別是在碳、硅含量控制方面差異較大。表3是在長(zhǎng)期生產(chǎn)蠕墨鑄鐵件和此次缸體研究與試制時(shí)對(duì)化學(xué)成分控制的要求。在五大元素調(diào)整分析合適后，同時(shí)也得出了原鐵水中的銅和錫含量，再由最終需要的含量與原鐵水中的銅和錫含量比較，計(jì)算出差值重量后，將銅和錫直接加入到爐中，然后進(jìn)行出鐵蠕化處理。

表3　化學(xué)成分控制要求（僅供工藝控制參考）（質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%）

5　蠕化劑及蠕化處理工藝

蠕化劑及蠕化處理方法有多種，為在生產(chǎn)中穩(wěn)定地獲得合格的蠕墨鑄鐵件，必須根據(jù)自身生產(chǎn)條件和鑄件特征來(lái)選定蠕化劑品種、加入量及處理方法。

5.1蠕化劑選擇

我國(guó)稀土資源較為豐富，名牌廠家生產(chǎn)的稀土系蠕化劑質(zhì)量穩(wěn)定，具有較強(qiáng)的蠕化能力，其中稀土硅鐵合金在我國(guó)蠕墨鑄鐵中應(yīng)用最多。選擇應(yīng)用的是國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T4137-2004稀土硅鐵合金系列中的牌號(hào)為FeSiRE29，化學(xué)成分為：RE27.0%~ 30.0%、Si≤42.0%、Mn≤3.0%、Ca≤5.0%、Ti≤3.0%、Fe余量。按生產(chǎn)所需的粒度購(gòu)買進(jìn)來(lái)后經(jīng)烘干去潮方可直接使用，非常方便。

5.2蠕化處理工藝

蠕化處理工藝與球化處理工藝相似，但處理工藝控制要更為嚴(yán)格。若過處理易出現(xiàn)過多球狀石墨；若處理不足易產(chǎn)生片狀石墨。為確保蠕墨缸體生產(chǎn)穩(wěn)定，要盡量保持蠕化處理中各項(xiàng)工藝因素的穩(wěn)定，尤其是原鐵水含硫量、處理溫度和要處理的鐵水量，是不可忽視的重要環(huán)節(jié)。

蠕化處理包與澆包為同一包，容量為500 kg，包內(nèi)為平底，蠕化處理前預(yù)先用高溫鐵水將包預(yù)熱（燙包）1~2次，以防冷包使鐵水降溫過多。鐵水各項(xiàng)化學(xué)成分調(diào)整合格后升溫至1 500℃左右開始出鐵水，當(dāng)鐵水達(dá)到包容量的1/4~1/3時(shí)，將預(yù)先秤量好的稀土硅鐵合金隨鐵水流加入包內(nèi)，然后繼續(xù)將鐵水放到所需的重量。蠕化處理反應(yīng)平穩(wěn)，鐵水無(wú)沸騰，稀土硅鐵合金擴(kuò)散能力弱，需要充分?jǐn)嚢?。攪拌反?yīng)完后扒渣，隨后加入硅鐵合金孕育，再次充分?jǐn)嚢韬蟀窃Ｈ¤F水澆注三角試樣判斷蠕化處理是否成功以及蠕化率的高低，同時(shí)在包內(nèi)鐵水表面覆蓋集渣劑后進(jìn)行澆注。

6　澆注溫度及澆注時(shí)間控制

鐵水澆注溫度偏高易使鑄件產(chǎn)生表面粘砂，同時(shí)使鑄件產(chǎn)生縮松傾向增大；鐵水澆注溫度偏低易使鑄件出現(xiàn)澆不足或冷隔缺陷，所以鐵水澆注溫度控制在1420℃~1 440℃為宜。與之相關(guān)聯(lián)的澆注速度也是關(guān)鍵，澆注時(shí)間應(yīng)當(dāng)控制在50 s內(nèi)為好，一但超過50 s以后，鑄件上半部分的不同部位將出現(xiàn)不同程度的冷隔缺陷，因冷隔缺陷而報(bào)廢的鑄件將達(dá)到60%以上，所以鐵水澆注溫度和澆注速度是兩個(gè)相匹配而不可忽視的重要環(huán)節(jié)。澆注完最后一箱應(yīng)立即澆注試塊，盡量縮短最后一箱與澆試塊的時(shí)間間隔，才能保證試塊的代表性。緊湊的蠕化處理、合理的澆注溫度和澆注速度，使整個(gè)工藝流程一般控制在10min左右完成。

7　金相及性能

經(jīng)金相分析和性能測(cè)試，各項(xiàng)指標(biāo)全部達(dá)到產(chǎn)品要求，其中2批的化學(xué)成分及相關(guān)金相分析和性能測(cè)試，見表4.

表4　化學(xué)成分和金相及性能

8　結(jié)論

1）對(duì)于V8類缸體鑄造，采用砂芯組裝工藝可使造型工藝簡(jiǎn)單化，并且可獲得良好的外觀質(zhì)量和尺寸精度較高的缸體鑄件。

2）根據(jù)自身的熔煉條件，選擇市場(chǎng)上現(xiàn)有的蠕化劑，采用包內(nèi)沖入法蠕化處理工藝也可獲得良好的蠕墨鑄鐵鑄件。

［1］史蒂夫·道森.蠕墨鑄鐵·現(xiàn)代柴油發(fā)動(dòng)機(jī)缸體和缸蓋的材料［J］.鑄造技術(shù)，2009，30（4）：455-460.

［2］中國(guó)機(jī)械工程學(xué)會(huì)鑄造專業(yè)學(xué)會(huì).鑄造手冊(cè)（第1卷）［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1995.

Development of Vermicular Cast Iron NE840V8 Diesel Engine Cylinder

BAO Zhao-hong，LIU Jian-min，HE Jian-ke，HE Tao，HAO Bao-yun
（Huaihai Industry Co.，LTD.，Changzhi Shanxi 046012，China）

The vermicular cast iron diesel engine cylinder body was developed by designing rational molding，sand core making and assembly process，as well as correct charge proportion.The vermicularity reaches above 80%，which meet the technical and quality requirements by selecting and controlling the composition，vermiculizer and vermicularizing treating process depending on the production condition.

engine cylinder，casting process，vermicular cast iron.

TG242

A

1674-6694（2016）05-0020-04

10.16666/j.cnki.issn1004-6178.2016.04.007

2016-07-03

暴趙鴻（1962-），男，高級(jí)工程師。中國(guó)兵器工業(yè)集團(tuán)技能帶頭人，從事鑄造工藝研究和創(chuàng)新設(shè)計(jì)工作。