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6DL发动机蠕墨铸铁缸体缸盖的铸造技术开发

作者：一汽铸造有限公司王成刚

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蠕墨铸铁缸体缸盖是高性能大马力发动机的首选材质，在国际上已得到充分研究并开始大量应用，全球每月约有2 万个缸体或缸盖产品采用蠕墨铸铁制造（以每件平均重量为50 kg 计）。在乘用车方面，主要有奥迪、福特、克莱斯勒、沃尔沃、大众、现代等公司在生产蠕墨铸铁缸体产品，而在商用车方面,福特、现代、达夫、曼等汽车公司的缸体和缸盖产品采用蠕墨铸铁材料来制造。目前国内生产蠕墨铸铁主要是采用传统的冲入法处理，稳定性差，而制约蠕墨铸铁在汽车上大批量应用的主要原因恰恰是铸件的蠕化率控制较为困难，通常很难稳定达到80%（国际标准）以上。

采用SinterCast 小型蠕化处理系统，以6DL 发动机蠕墨铸铁缸体缸盖为开发目标，在蠕化率、抗拉强度、基体组织、蠕化衰退、铸造工艺等方面进行了较为系统的研究与样件开发工作。

1 单铸试棒蠕化率调试与力学性能试验

1.1 主要的试验流程

采用500 kg 中频感应电炉，全废钢（打包料）增碳熔炼方式，为保证蠕化处理效果，每炉熔炼铁液500 kg 并进行蠕化处理。预处理剂采用普通球化剂，冲入法处理。预处理剂加入量由小型系统根据铁液分析的含硫量和铁液重量给出相应的加入量，其上覆盖铁屑。

预处理的铁液经打渣清理后，盖包，运送至小型系统并进行取样分析，由小型系统根据预处理铁液的分析结果，设备会给出相应的镁丝和孕育丝加入量，据此数值，由人工方法进行孕育丝和镁丝的加入，完成整个蠕化处理过程。通常由预处理至蠕化处理完毕，所需时间一般在8 min左右。

1.2 单铸试棒的蠕化试验效果

共进行8 炉次的铁液蠕化试验与缸体和试棒的浇注，从单铸试棒的蠕化处理效果来看，所有8 炉次试棒的蠕化率为90%和95%，其中蠕化率为95%的试棒占总数的75%。当然对于蠕化率来说，也存在不同的视场，蠕化率会有差异，但总体来说，基本可以稳定在90%，即完全达到目标的80%蠕化率水平，效果还是非常理想的，图1 为试棒的蠕化处理效果。

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石墨：蠕化率95%100× 基体：85%珠光体+铁素体100×
图1 单铸试棒的金相组织

1.3 单铸试棒的力学性能试验

伴随试棒与缸体的蠕化和浇注试验，同时进行了单铸试棒的RT400-1 和RT450-1 两个牌号的试验验证工作。

1.3.1 不加合金（生铁80%+废钢20%）的性能试验在全部采用原材料而不加入任何合金元素的状态下，试验的化学成分和结果如表1、表2 所示，蠕化率与金相组织如图2所示。

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100524-1石墨：蠕化率95% 100× 基体：10%珠光体+铁素体100×
图2 试棒的蠕化率与基体组织

在不加入合金的情况下，在蠕化率达到95%的基础上，基体组织基本为铁素体基体，试棒的抗拉强度达到RT300-2 的水平，且伸长率远超牌号要求，这表示试棒的石墨形态非常良好，石墨短而粗，弯曲性好，对基体的撕裂作用明显降低。但由于是铁素体基体，所以尽管强度性能较高，但硬度值较低，这意味着该材料尽管加工性能很好，但耐磨性能和抗变形性能却可能存在问题，进而影响在汽车发动机缸体缸盖上的应用。

1.3.2 Cu-Sn合金化的牌号性能试验

蠕墨铸铁的力学性能主要取决于基体组织和石墨形态，基体组织需要通过合金化控制来实现，而蠕化率的高低同样会对蠕墨铸铁力学性能产生重要影响。因此蠕化率必须达到80%才会对性能的稳定产生合理的影响。

试验采用Cu-Sn二元合金化来进行，所有的试验中要求3.6%~3.7% C，1.9%~2.0% Si。表3 为不同成分和蠕化率下的试棒力学性能。

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从表3可以看出，采用Cu-Sn二元合金化可以实现蠕墨铸铁各个牌号的生产并达到性能要求。但同时需要注意的是，当在较高合金化状态下，试棒以及铸件均易出现碳化物组织，尤其当镁指数偏高的状态下，球化倾向增加，当Cu 达到1%和Sn 达到0.1%时，产生碳化物的可能性很大。

1.4 蠕化衰退试验

在进行单铸试棒浇注试验中，分时间阶段进行了蠕化浇注衰退的试验，试验方案与结果如表4。从测试的蠕化率来看，在蠕化后的8 min 内浇注的试棒蠕化效果均为95%，但如果从抗拉强度来看，随着时间的推移，强度降低，这可能的原因就是石墨在进行衰退过程。

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2 缸体的样件浇注与分析

将6DL 发动机59D 缸体和缸盖样件开发作为本次研究的对象。

2.1 59D 缸体的浇注试验与分析

59D 缸体是借用一铸厂的模具进行造型，并使用一铸厂的现有砂芯进行组装而成，由于时间的问题，仅进行了两轮次的试验。试验将原有孔隙较小的过滤网改为试验用的Φ2.2 mmx20 mm 较大尺寸的过滤网，其他浇注系统未进行改动。59D 缸体第一件的浇注试验，出炉温度1540℃，浇注温度1410℃，浇注时间为52 s，缸体正体成形较好，但有一处分析为冷隔缺陷，鉴于此，又进行1 轮浇注试验，试图通过提高浇注温度和快速浇注来改变充型状态，实际的出炉温度1553℃，浇注温度1416℃，浇注时间为49 s，但该件缸体却未能成形。对第一件59D 缸体进行了解剖分析，按规定在缸盖螺栓加厚部位和主轴承盖螺栓加厚部位进行了本体试棒的切取（见图3），本体取样位置与试棒的力学性能见表5 和图4。

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图3 缸体本体取样位置

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图4 本体金相组织

本体取样位置的试样力学性能达到规定的RT400-1 牌号要求，强度为HT300 牌号该处试样力学性能的170%。同时检测的蠕化率也达到80%以上，满足要求。但照片显示蠕化率相对较低，由于该处为厚壁部位，通常蠕化率应较高，显示蠕化的不均匀性尚且存在。

2.2 59D 缸体的全解剖检测与阶梯试棒浇注试验

2.2.1 59D 缸体的全解剖检测

对浇注的59D缸体仅进行了全解剖检测，按规定解剖部位进行全面切割，切割的缸体断面良好，无缩松等缺陷的产生，如图5 所示。对第二、三缸筒间的缸壁由上至下切取缸筒断面不同位置与壁厚处进行蠕化率检测，共检测8 处，内部解剖与取样位置如图6所示。各位置的壁厚与蠕化率、组织如表6所示。各取样位置的蠕化率照片如图7所示。

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图5 缸体剖面图片图6 缸体剖面不同取样位置示意图

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图7 缸体不同位置蠕化率照片

从以上本体解剖的图样来看，由于第5 个试样处壁厚较薄，蠕化率为75%（从这里也可以看出壁厚对蠕化率存在较大影响），其余均在80%以上，缸体整体蠕化状况较好。

2.2.2 缸体的样件浇注

通过上面的试验，我们认为缸体的蠕化率和性能控制问题已基本解决，而相对于灰铸铁略低的流动性能可能会继续导致缸体成形困难（实际在缸体样件的浇注过程中也发生了类似情况）。主要采取的工艺措施还是通过置换孔隙率较大的过滤网并适当的增加过滤网的通过面积，以及适当提高浇注温度两个方法来实现缸体的良好成形性。

试验共浇注缸体样件6 型，牌号为RT450-1，力学性能均合格。由于一铸厂生产对模具的需求，同时为满足需求的样件数，限于条件因素，未能进一步对浇注系统进行大的改动。浇注的缸体样件如图8。

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图8 6DL发动机59D缸体样件图片

2.3 阶梯试样的浇注试验

采用不同壁厚的阶梯试样进行蠕化率测试试验，以找出壁厚与冷却速度对蠕化效果的影响，理论上，壁厚越小，过冷越大，形成石墨球的倾向性会越大，这里主要通过壁厚的变化找出产生蠕化率变化的壁厚临界值，当然，这一临界值受其他因素影响而变化。本次试验的主要壁厚与试验结果如表7，蠕化率图片见图9。

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图9 阶梯试样不同壁厚位置的蠕化率照片

阶梯试样由于冷却较快，通常蠕化控制较为困难，但通过试验发现，在壁厚达到11mm 及以上时，其蠕化率仍然保持在90%，但当壁厚降低到7 mm 时，蠕化率明显降低，由90%降低到80%，这对缸体薄壁部位及排气管蠕铁铸件生产会有指导意义。

3 59D 缸盖样件的开发试验

通过与汽研的交流，6DL 缸盖产品与缸体相比，在市场上更易于失效，汽研也更倾向于首先进行蠕铁缸盖的开发。所以我们同时也开展了缸盖产品的试验开发，选择的对象是与试验的59D 缸体配套的59D缸盖。

与缸体相同，59D 灰铸铁缸盖目前由锡铸厂进行生产，限于模具运输比较困难，我们与锡铸厂协商，选择由锡铸厂组芯后发送至铸造研究所，铸造研究所进行外模的造型并与砂芯组合成型（见图10），进行缸盖的浇注。

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图10 59D 缸盖型芯图片

在完成合型后，浇注了首个缸盖样件，具体工艺为：铸件牌号RT450-1，中频炉熔炼铁液500 kg，采用Cu-Sn 合金化工艺，Cu 含量0.6%耀0.8%，Sn 含量0.06%耀0.08%，1 560 益铁液出炉，采用SinterCast 小型系统进行蠕化处理控制，浇注温度为1 422℃，浇注缸盖2 件（1 型），单铸试棒3 根。缸盖铸件浇注时间为51 s，充型状况良好，隔天打箱。首先对单铸试棒的力学性能与金相组织等进行了检测，检测结果见表8、图11所示。

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图11 单铸试棒的金相组织图片

从单铸试棒性能来看，强度达到预期要求，蠕化效果良好。铸件清理后重量分别为110 kg 和112 kg，对1 件缸盖铸件进行了本体解剖，检验内部铸件质量，解剖图片如图12。

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图12 缸盖解剖图片

对缸盖铸件各部位进行的解剖结果显示，铸件内部质量良好，不存在缩松等任何质量缺陷。同样对缸盖的不同壁厚相关部位进行了取样分析，解剖位置图片见图13，缸盖不同位置处的蠕化率、珠光体含量和硬度见表9，缸盖底面取本体试样的力学性能见表10，缸盖的铸件图见图14。

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图13 缸盖解剖取样位置示意图

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图14 6DL缸盖毛坯与样件图片

试验共浇注6DL 蠕铁缸盖32 件（牌号RuT450-1），检测力学性能、蠕化率等指标均稳定达到国外同类产品水平。

4 结论

（1）通过系统的分析，试验的单铸试棒可以稳定实现蠕化率80%以上的控制目标；而通常这一指标可以达到90%或90%以上，达到国外同类铸件水平。

（2）通过合金化可以实现国标规定的蠕墨铸铁各个牌号的生产，达到性能要求；缸体缸盖本体抗拉强度达到400 MPa以上，硬度HB220左右，珠光体基体。

（3）不同壁厚会对蠕铁的蠕化率产生影响，这在试验的阶梯试样和缸体、缸盖本体上均得到体现。蠕化的衰退测试，在蠕化后的8 min 内浇注的试棒蠕化效果均为95%，但如果从抗拉强度来看，随着时间的推移，强度降低，可能石墨有所衰退，但并未形成片状石墨。

(4) 缸体本体解剖，缸筒及厚大部位蠕化率达到90%，小于7-10 mm 的部位蠕化率达到80%以上，小于7 mm 的部位，蠕化率可能低于80%。

(5)由于蠕铁的流动性略差，在相同浇注温度下（1400℃），铸件充型能力低于灰铸铁，故过滤网与浇注系统应作适当改进。采用现行灰铸铁的补缩工艺完全可以得到健全的蠕墨铸铁缸体。

(6)缸体缸盖通过汽研、锡柴检测认证合格，完成了高品质蠕墨铸铁缸体缸盖样件的开发。(end)

文章内容仅供参考 (投稿) (如果您是本文作者，请点击此处) (5/21/2012)


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