蠕墨铸铁可靠和大批量生产的过程控制

蠕墨铸铁可靠和大批量生产的过程控制

摘要

提高发动机性能，燃油经济性和耐久性的需求不断给发动机设计者和所选用的材料提出挑战。对于中国快速增长的商用车领域更是如此，货物运输和严格的排放法规需要现代重载柴油发动机。中国的设计者正在考虑采用蠕墨铸铁缸体和缸盖以满足高性能发动机复杂的需求，以符合不断提高的法规和更高客户期望的互相矛盾的需求。

高质量蠕墨铸铁的生产只稳定在含镁大约0.006%的范围。在此稳定范围的低端，损失0.001%的镁就可能形成片状石墨，造成机械性能立即降低25-40%和在使用现场失效。在此稳定范围的高端，特别是对于像缸体缸盖这样复杂的铸件，增加镁和孕育可能迅速导致收缩缺陷，造成加工后渗漏废品。本文描述了一种热分析过程控制系统，该系统能够一致地生产高蠕化率，不含片状石墨的蠕铁。该技术当前应用于欧洲，北美洲，南美洲和亚洲，经济有效地每年生产超过500,000台缸体。

前言

现代汽车气缸体和气缸盖生产和操作要求对确定蠕墨铸铁生产技术需求提供了基础，这些需求包括：

铸造:能稳定大批量生产，没有产生片状石墨的风险，最小的收缩缺陷，不采用昂的补缩冒口。

机加工:质量一致，微观组织和性能允许优化加工参数。最小的加工后缩松缩孔废品。

发动机:一致的高强度以提供力学耐久性。一致的高导热率防止缸盖热疲劳失效和缸体中活塞过热咬住。

这些需求只有通过生产蠕化率≥80%的蠕铁才能同时满足。在这个一致的，高蠕化率范围内，铸造性能，加工性能，导热性和耐磨性是最佳的，从而为铸造和机加工操作中提供了成本效益高的生产，并为最终用户提供了信心。

现代汽车气缸体和气缸盖需要蠕化率≥80%已为国际原始设备制造商和标准组织所接受。例如奥迪，卡特比勒，康明斯，达夫卡车，福特，通用电气，通用汽车，现代，纳维斯达，罗尔斯-罗伊斯发电工程，斯坎尼亚，丰田和沃尔沃的蠕铁牌号都要求蠕化率大于80%。同样，国际标准ISO 16112和美国汽车协会SAE J1887标准，以及美国ASTM 842 和德国标准W50对高质量蠕墨铸铁都要求蠕化率≥80%。蠕墨铸铁需要高的蠕化率范围以优化铸造性，加工性，导热性和耐磨性最近在中国国家标准中得到反映，原JB4403-87标准允许≥50%的蠕化率，现已被要求≥80%的蠕化率的新国家标准GB/T 26655-2011取代。

对铸造厂来说，挑战就是既要可靠地保持蠕化率≥80%，不产生片状石墨（片状石墨将造成局部弱点并导致发动机耐久性故障），同时又不造成高的收缩废品或者高的补缩冒口费用以补偿镁过处理。可靠的，成本效益高的大批量生产蠕墨铸铁缸体和缸盖需要一种过程控制技术，能够精确分析铁水和能够在线控制以保证超出牌号范围的铸件在浇铸前就能够识别和校正。

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稳定的蠕墨铸铁范围

蠕墨铸铁之所以直到1990年代后期才应用于复杂铸件的大批量生产是因为稳定的蠕墨铸铁镁范围太窄无法保证生产完全没有风险。虽然稳定的蠕墨铸铁平台的实际尺寸和位置对每一种产品来说是不一样的，一般来讲，这个范围大约是0.006% 镁。对含硫0.010-0.015%的原铁水，稳定蠕墨铸铁的镁范围示意表示在图1中。

图 1: 稳定的蠕墨铸铁平台存在于大约0.006% 镁的范围，

与灰铁之间有一个突变。

实际上，可用的镁范围比0.006% 小得多。第一个原因是活性镁以每5分钟减少0.001% 的速度衰退。因此铁水的起始点必须离灰铁-蠕铁突变点足够远以保证铁水在浇铸结束之前不会蜕变形成片状石墨。不能在蠕墨铸铁平台‘左端点’开始浇铸从效果上将可用的镁范围降低了大约0.002%。随着硫含量增加，镁衰退速度加快。因此，生产高质量蠕墨铸铁要求原铁水含硫量小于0.020% 。如果原铁水硫含量超过0.020% ，镁衰退速度可能太快，以至于不能在铁水衰退至低于片状石墨转变之前将整包铁水浇铸完，造成在铸件中形成灰铁组织。高硫也增加硫化物夹渣的数量，增加由于过滤片堵塞造成的充型缺陷和浮渣，夹渣缺陷的风险。要求低硫在蠕墨铸铁生产中较之高质量球铁生产更为重要，因为球铁允许镁过处理以补偿镁衰退。然而，过处理不可能用于蠕墨铸铁生产，因为多余的镁将增加球化率，超出0-20%球化率的规定范围并导致收缩缺陷。

对于成本效益高的蠕墨铸铁生产，最重要的考虑就是浇铸起始点不能太靠近稳定蠕墨铸铁平台的右端点。当镁含量增加时，形成缩孔缩松的危险迅速增加。在像气缸体和4-阀气缸盖这样的现代铸件中特别是这样，这些铸件复杂的几何形状常常要求最大蠕化率大于90% 以便生产无收缩缺陷的铸件，同时又不使用很贵的发热冒口。铸造车间总是必须设计浇冒系统以预防最差的情况。对于蠕铁中的收缩缺陷，最差的情况就是蠕化率最低的情况，因此控制一致和高的蠕化率就可以使浇铸系统优化，补缩最小，提高工艺收得率和降低补缩成本。40多种不同的气缸体和气缸盖的批量生产经验表明，同时优化镁含量，碳当量，孕育水平和浇铸温度，不使用很贵的冒口就能能可靠地防止收缩缺陷。在线控制这些参数提供了比补缩成本效益更高的防止收缩缺陷的解决办法。

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虽然说高球化率（低蠕化率）是造成蠕墨铸铁生产中铸造缺陷的主要原因，这同时也是整个蠕墨铸铁生产链中成本效益低的主要原因。首先高球化率导致收缩缺陷，增加了铸造废品率。这些缺陷通常是在加工后的水压测试中发现，这就造成了最昂贵的废品并且影响铸造车间和加工设备的生产率和产能。在气缸盖中，高球化率降低热传导造成使用中热疲劳失效。在气缸体中，高球化率造成的导热率降低加上高的延伸率增加了擦伤和活塞过热咬住的风险，是蠕墨铸铁气缸体控制很差而失效的主要原因。最后，高球化率造成加工中刀具磨损增加，需要更频繁的更换刀具。很清楚，铸造车间对整个蠕墨铸铁生产过程成本效益的最好贡献就是提供一致的高蠕化率的铸件。

或许，蠕墨铸铁生产中最困难的问题是蠕墨铸铁稳定平台不是固定不变的。如果活性氧和/或活性硫含量高，这些元素消耗镁就将整个平台右移，从而需要更高的总镁量。相反，如果活性氧和/或活性硫含量低，蠕墨铸铁平台就左移，造成同样含镁量时更高的球化率。同时，这些活性氧也影响孕育效率。高的活性氧含量产生更多的核心，造成更多的石墨析出，有利于形成球状石墨颗粒。这就实际上向上移动了稳定的蠕墨铸铁平台。相反，低的活性氧含量减少核心数，向下移动稳定的蠕墨铸铁平台，造成石墨分布不均匀，可能形成碳化物。由于稳定蠕墨铸铁平台对原铁水成分，炉料成分和清洁程度以及炉内保温时间和温度的波动的敏感性，对蠕墨铸铁不可能规定出一个固定的化学成分。由于稳定蠕墨铸铁平台的尺寸大小和位置的移动，蠕墨铸铁不可能通过控制铁水的化学成分来可靠地生产。对于可靠大批量生产蠕墨铸铁，铸造车间必须采纳一种观念，即化学成分要服从于微观组织，因此必须关注控制微观组织。

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