内燃机进排气管铸铁件生产技术典型应用 郭全领

铸造工艺设计 补缩技术特点
硅钼球墨铸铁也属于球墨 铸铁，因此在排气歧管铸 造工艺设计中，也必须采 用普通球墨铸铁的补缩技 术，同时随着Mo含量的递 增，也必须相应的强化普 通球铁的补缩技术措施— —小热节处补缩通道，或 者小冒口（冷铁），大热 节处需要增大冒口压头， 同时改善充型温度场，充 分利于石墨化膨胀补缩， 提高铸件致密性。
蠕墨铸铁材质收缩类似 于灰铸铁，碳当量较高， 石墨析出量较多，在浇 注系统补缩设计时，需 要充分利于石墨膨胀补 缩作用（均衡凝固理 论），能够实现少冒口 和小冒口铸造，铸件致 密性好。
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劲派制造
4. 各种牌号材质排气歧管铸件材料特性
补缩技术特点
序 号
材料牌号
材料凝固收缩特性
铸造工艺设计 补缩技术特点
劲派制造
TPM革新课题
4. 各种牌号材质排气歧管铸件材料特性
补缩技术特点
序 号
材料牌号 材料凝固收缩特性
铸造工艺设计 补缩技术特点
6
ZG40Cr25Ni2 0Si2
ZG40Cr25Ni1 3Nb2Si1
ZG40Cr30Ni2 0Nb2Si1
耐热铸钢材质是层状凝固、线收缩 高，是高镍球铁的 2 倍，同时由于 奥氏体耐热铸钢材 氧化倾向大，在熔化保证除氧、脱 质，线收缩2.25%， 氧的良好工艺的前提条件下，强化 层状凝固，高合金 冒口补缩是提高耐热铸钢排气歧管 含量，容易氧化， 致密性，解决耐热铸钢排气歧管缩 产生晶界缩松。金 松的主要途径，辅助措施是在相对 相组织见图15—图 孤立热节部位辅以冷铁冷却工艺措 施。在解决耐热钢排气歧管铸件缩 16。 松时，不能有均衡凝固理论思维， 因为耐热铸钢金相组织中没有石墨， 没有石墨化膨胀。
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5.
•
高镍球墨铸铁排气歧管铸件 泄漏问题的分析及解决
在汽车行业内燃机汽车节能减排的推动下，在各种 铸铁材质排气歧管中，高镍排气歧管因其材质为高镍 奥氏体材质，具有较高的高温强度、较高的耐高温疲 劳性能，与耐热铸钢相比，具有较好的铸造工艺性和 加工性能、因而具有较低的生产成本，日益受到发动 机排气歧管、涡轮增压器设计者的广泛重视，应用日 益广泛，节能减排发动机的新机型纷纷采用高镍铸铁 材质，生产快速增长，年销量增长25%以上，因其是 相对广泛应用的普通球铁、硅钼球铁来说，属于新铸 造材料，铸造技术要求高，铸造工艺性差，废品率相 对较高，其主要废品为漏气废品，漏气比例一度达到 60—90%，成为铸造生产工艺的主要问题。
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4. 各种牌号材质排气歧管铸件材料特性
补缩技术特点
序 号
材料 牌号
材料凝固收缩特性
铸造工艺设计 补缩技术特点
2
蠕墨铸铁材质，碳当量CE 4.35—4.45，线收缩 RUT300 0.90%,石墨量（表面积） 11.0—13.5%，析出的石 墨量较多(图7)，但凝固 方式为层状+糊状凝固， 缩孔缩松较小。
≤1030℃
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4. 各种牌号材质排气歧管铸件材料特性
补缩技术特点
排气歧管的结构复杂，孤立热节众多，因此，补缩是生产 高致密性排气歧管必须的设计技术，然而各种牌号的铸铁材 质因其收缩特性不同，其补缩技术特点要求不同。
序 号
材料 牌号
材料凝固收缩特性
铸造工艺设计 补缩技术特点
1
灰铸铁材质，碳当量CE 一般排气歧管灰铸铁材质 HT200 3.95—4.15，线收缩 碳当量高，石墨析出量多， 0.80%，石墨量（表面积） 在浇注系统补缩设计时， 9.5—12.5%，析出的石墨 需要充分利于石墨膨胀补 量较多，凝固方式层状凝 缩作用（均衡凝固理论）， 固，液态补缩通道较畅通， 能够实现无冒口、小冒口 缩松倾向小。 铸造，铸件致密性好。
3
QT400-15 QT450-10
普通球墨铸铁材质，碳 普通球墨铸铁排气歧管螺 当量CE 4.6—4.8，线 栓搭子多、结构壁厚尺寸 收缩0.90%，石墨量 差异大，必须采用冒口补 （表面积）12—15%， 缩，同时配合采用冷铁辅 析出的石墨量较多（图 助冷却（适宜尺寸的孤立 9），但凝固方式为糊 热节处），实现顺序补缩、 状凝固，液态补缩通道 石墨化膨胀自补缩（均衡 受阻，缩孔缩松倾向大。凝固理论），实现良好的 铸件致密性。
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4. 各种牌号材质排气歧管铸件材料特性
补缩技ห้องสมุดไป่ตู้特点
序 号
材料 牌号
材料凝固收缩特性
硅钼球墨铸铁材质，碳当量CE 4.60—4.80，线收缩0.90%，石墨量 （表面积）12—15%，析出的石墨量 较多（图11），但凝固方式为糊状凝 固，液态补缩通道受阻，缩孔缩松倾 向大；硅钼球墨铸铁材质中，Mo含量 为0.5—0.9%或者1.0—1.5%，由Mo能 够增加球铁高温强度，提高球铁热疲 劳性能，因此，在排气歧管球铁中， 常常增加Mo合金，但Mo元素在铸铁凝 固时容易在晶界偏析（图12），也显 著增加球铁的晶间缩松，因此生产实 践中，硅钼球铁比普通球铁在热节部 位缩松倾向更大。
•
松缺陷，需要采用解决技术措施做一介绍。
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2. 排气歧管常用生产技术
序 号 1 生产技术 应用状况 缺点
潮模砂
应用广泛，铸件表面质量 铸件容易产生砂眼、 好，生产效率高，生产成 气孔缺陷，生产环 本低，适用于大小批量生 境较差。 产。 使用逐渐减少，无需造型 机，铸型硬度高，适用木 模、塑料模 ，生产灵活性 高，适用于单件小批量生 产。 生产效率低，劳动 强度大，铸件表面 质量差，容易产生 砂眼缺陷。
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5.
高镍球墨铸铁排气歧管铸件 泄漏问题的分析及解决
图15 排气气温度900℃的高镍球铁排气管
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6. 涡轮增压发动机功率、扭矩不足
问题的分析及解决
•
在汽车行业内燃机汽车节能减排政策的推动下，发动 机设计人员在发动机的缸体、缸盖、进气歧管、排气歧 管、涡轮增压器的设计做了大量节能降耗技术工作，以 提高发动机的升功率，提高扭矩、降低排放，由于发动 机越来越多的采用涡轮增压技术节能技术，其中的关键 部件——涡轮增压器对发动机功率、扭矩、排放影响十分 显著，因此前置于涡轮增压器的排气歧管气道结构尺寸 精度就对涡轮增压器工作性能的作用十分显著，尤其是 排气歧管气道的关键部位尺寸。
5
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3. 排气歧管材料技术发展及应用
序号 1 材料牌号
HT200 HT250 RUT300
应用状况 灰铸铁材质，生产成本低，耐 热温度低，较少使用，属于逐 渐淘汰材料牌号。 蠕墨铸铁材质，应用较广，广 泛取代灰铸铁，但目前应用逐 渐减少。
工作温度
≤500℃
2
≤600℃
3
QT400-15 QT450-10
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劲派制造
1. 概述
第3，排气歧管的作用不限于将缸筒内高温气体排 出缸盖，随着涡轮增压技术逐渐应用，排气歧管还承 担着将高温动能气体输送到涡轮增压器中，因此低压 损、顺畅、输出气压稳定，是排气歧管设计制造的重 要技术指标，以满足涡轮增压发动机高功率、高扭矩 、低排放的性能要求，因此高性能排气歧管设计开发 ，也日益受到重视； • 第4，为了提高排气歧管的质量、降低生产成本， 近年来开发了多钟排气歧管生产技术方法，生产工艺 方法不同，出现的缺陷不尽相同，其解决技术措施不 完全相同，本报告主要针对排气歧管主要常见的缩
4
QTRSi4Mo QTRSi4Mo1
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4. 各种牌号材质排气歧管铸件材料特性
补缩技术特点
序 号
材料牌号
材料凝固收缩特性
高镍球墨铸铁材质，为奥氏 体球墨铸铁，碳当量CE 3.9—4.2，线收缩1.1%，析 出的石墨量（表面积） 7.5—9.0%，析出的石墨量 少（图13），凝固方式为糊 状凝固，奥氏体枝晶发达， 液态补缩通道严重受阻，合 金含量高，容易在晶界形成 碳化物（图14），非常容易 产生缩孔缩松倾向。
高镍球墨铸铁材质，高温性能 好，铸件成本高，但应用日渐 广泛，取代硅钼球铁，应用量 增迅速。 耐热铸钢材质，生产成本高， 耐高温性能优异，应用日渐广 泛，取代高镍球墨铸铁，应用 增长迅速，使用量增长快。
5
QTANi35Si5Cr2
≤880℃
6
ZG40Cr25Ni20Si2 ZG40Cr25Ni13Nb2Si1 ZG40Cr30Ni20Nb2Si1
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劲派制造
5.
高镍球墨铸铁排气歧管铸件 泄漏问题的分析及解决
受传统蠕墨铸铁、普通球墨铸铁、硅钼球墨铸铁熔 炼工艺、铸造工艺设计(包括浇注系统)经验、作业习惯 的影响，受到传统蠕墨铸铁、普通球墨铸铁、硅钼球 墨铸铁较高工艺出品率的习惯思想影响，在高镍排气 歧管铸造工艺设计中，习惯性的采用了前者的设计习 惯和方法，使得高镍排气歧管铸件象蠕墨铸铁、普通 球墨铸铁、硅钼球墨铸铁一样，或多或少的在热节部 位存在尺寸很小的显微缩松（射线探伤检测），这些 尺寸很小的显微缩松+较大的缩松缺陷，造成了高镍排 气歧管铸件的漏气废品率居高不下——30—90%。
内燃机进排气管铸铁件 生产技术典型应用
郭全领
2014.11.25 济南
TPM革新课题 劲派制造
1. 概述
排气歧管是内燃机发动机的重要零部件，其壁 薄、复杂空间结构，安装所需的众多螺栓搭子、 排气、检测多种形状法兰结构，从而形成了众多 热节结构，这些给铸造生产带来不少技术难度， 生产中容易产生缩松、夹渣、气孔、砂眼等缺陷， 其中缩松问题成为排气歧管需要解决的主要问题； 其次，由于各种型号的内燃机发动机排气温度高 低不同，因此应用排气歧管的耐高温铸铁材料牌 号不同，其收缩特性不同，因此其解决缩松的技 术工艺措施也不完全不同。
•
TPM革新课题
劲派制造
5.
•
高镍球墨铸铁排气歧管铸件 泄漏问题的分析及解决
根据前述《高镍奥氏体球墨铸铁材料凝固收缩特性、排 气歧管铸件补缩技术特点》，我们知道，高镍奥氏体球墨 铸铁材质凝固收缩特性与蠕墨铸铁、普通球墨铸铁、硅钼 球墨铸铁有很大不同，主要是其碳当量比普通球铁和硅钼 球铁低14%，石墨析出量少39%，因此必须采用不同于普 通球铁、硅钼球铁的补缩方式——强化冒口补缩技术+冷铁 辅助冷却工艺，采用这项技术后，通过相应的铸造铁液充 型、温度场、缩松计算机数值模拟软件计算，排气歧管铸 件缩松缺陷消失，批量生产后的高镍奥氏体球墨铸铁排气 歧管漏气废品率降低到≤1%（见图15），许多高镍高镍排 气歧管铸件采用这项技术后，漏气废品率大幅降低，漏气 率也降低到≤1%，多年的高镍球铁排气歧管生产废品率居 高不下的难题得到有效解决。
普通球铁材质，生产成本较低， 应用广泛，广泛取代灰铸铁， ≤640℃ 但目前使用量逐渐减少。
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3. 排气歧管材料技术发展及应用
序号
材料牌号
RUTSi4Mo， QTRSi4Mo1
应用状况
工作温度
4
硅钼球墨铸铁材质，应用日渐 广泛，取代普通球铁、蠕墨铸 ≤750℃ 铁趋势明显，使用量增长迅速。
4
近几年应用，使用逐渐增加， 工装模具投资 铸型硬度高，铸件表面质量好， 大，工艺设计 铁模覆砂 铸件致密性高，铸件尺寸精度 要求高，不适 高，工艺出品率高，可达75%， 用于小批量生 覆膜砂消耗少。适用于大批量 产。 生产。
劲派制造
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2. 排气歧管常用生产技术
序号 生产技术 应用状况 缺点 生产效率较低， 覆膜砂使用量较 大，需要专用工 装，不适用于小 批量生产。 近几年应用，快速发展 中，铸型硬度高，铸件 负压壳型 表面质量好，生产环境 好，能够生产结构复杂 壁厚超薄的铸件（2.8-3.0mm），适用耐热铸钢 材质排气歧管。
2
自硬砂
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2. 排气歧管常用生产技术
序号
生产技术
应用状况
缺点
生产效率较低， 覆膜砂使用量 较大，不适用 于小批量生产。
3
近几年应用，铸型硬度高，铸 件表面质量好，生产环境好。 适用于大批量生产。立浇工艺 壳型背丸 壳型设计时，射嘴间距规范为≤ ５５㎜，才能获得表面光洁、 美观的排气管表面外观质量。
铸造工艺设计 补缩技术特点
5
QTANi35Si5 Cr2
高镍奥氏体球墨铸铁材质虽然 也属于球铁材质，但由于碳当 量比普通球铁和硅钼球铁低 14%，石墨析出量少39%，因此 大量的生产实践中，其缩松倾 向比普通球铁和硅钼球铁大很 多，故在解决高镍奥氏体球墨 铸铁缩孔缩松缺陷中，主要采 用的技术为强化冒口补缩技术 + 冷铁辅助冷却工艺，石墨化 自补缩工艺（均衡凝固理论） 对解决高镍奥氏体缩松作用比 在硅钼球铁的作用小很多。