蠕墨铸铁讲义

155-185 190-225 185-210
130-145 140-155 155-165
130-190 215-250 140-200
40-50 31-42 32-38
600-700 375-480 245-290 160-170 240-300 24-32
抗拉强度、屈服强度、疲劳强度低于球铁，但显著高于灰铸铁 导热系数高于球铁，接近灰铸铁； 铸造性能接近灰铸铁； 具有与灰铸铁类似的减震、降噪性能； 切削加工性能优于球铁。
Harshness不平顺性)； 可降低螺纹啮合深度，因此缩短螺栓长度。
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降低重量
发动机规格(L) 1.6 1.8 2.0 2.5 2.7 3.3 3.8 4.0 4.2 4.6 9.2 12.0 14.6
表4 灰铸铁与蠕铁缸体重量比较
发动机形式 I-4 汽油 I-4 柴油 I-4 汽油 V-6 柴油 V-6 柴油 V-8 柴油 V-8 柴油 V-8 柴油 V-8 柴油 V-8 汽油 I-6 柴油 V-6 柴油 V-8 柴油
延伸率 2-3%
采用随流孕育能有效地抑制凝固时钼的复合碳化物和复合磷共 晶在晶界的生成，从而大幅度地提高铸件的延伸率。
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(3) 蠕铁钢锭模 铁水熔炼：中频感应电炉(30t和60t) 蠕化处理：1.4%重稀土Y-Mg蠕化剂、0.8% SiBa孕育剂(冲入法) 75SiFe浮硅孕育 铸型：呋喃自硬树脂砂+冷铁
发动机的NVH性能：灰铸铁由GJL25改为GJL30，强度增 加20%，弹性模量增加10%。而蠕铁的弹性模量比普通灰 铸 铁 提 高 40% 。 可 见 ， 使 用 蠕 铁 更 有 利 于 改 善 发 动 机 的 NVH性能。
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③ 与铝合金缸体的比较 发动机尺寸减小； 较高的比功率； 降低了缸筒的变形，降低了燃油消耗； 无缸套、无需表面处理； 改善发动机的NVH性能； 低生产成本； 回收再利用性好。
4.蠕墨铸铁(Compacted Graphite Iron，CGI Compacted Vermicular cast iron, CV 铸铁)
蠕铁发动机缸体缸盖 蠕铁的应用
4.1 蠕铁发动机缸体缸盖生产技术
汽车发展方向：提高功率、降低油耗、 减少排放、增加舒适性
发动机的比功率和比扭矩
现在 下一代DI柴油机 未来10年
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(2) Nova cast蠕化处理工艺 该工艺的特点是：通过化学分析和热分析计算出铁水所需 添加的Mg量，然后在型内进行蠕化处理。
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(3) 国内的一次蠕化处理
一汽锡柴铸造公司：采用引爆法，即在处理包底先放置 稀土镁合金（Mg6.5~7.5%，RE2~3%），上面覆盖稀土硅 铁合金(RE21~24%)，利用低沸点的Mg起爆发作用，充分 搅拌硅铁合金，提高并稳定RE在铁液中的吸收率，两种合 金的比例根据原铁液的S含量进行调整。孕育剂为75SiFe， 加入量0.6%。
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缸体缸盖用蠕铁的组织要求(SinterCast)：
0-20%的球化率，以获得最佳的铸造性能、加工性能和传热性 能；
无自由的片状石墨，片状石墨引起局部强度降低；
>90%的珠光体，提供足够的强 度和性能的均匀性；
<0.02%Ti ， 以 获 得 最 佳 的 加 工 性能。
瑞 典 欣 特 卡 斯 特 (SinterCast) 公 司 是世界上处于领导地位的，提供 质量可信赖的CGI生产控制技术 及设备的公司。从1999年开始， SinterCast就把蠕墨铸铁运用到柴 油发动机上，该公司在2008年在 中国设立代表处。
Table Composition of CV alloy
RE (Y) Mg Ca Ba 17.8 4.0 3.24 1.56
(mass%)
Si Fe 42.37 Bal.
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蠕铁钢锭模
外径：3400mm~3300mm 高度：2600mm 最大壁厚：490mm 重量：86t
Fig. Casting of DM145-175-1 ingot mould
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采用RE-Mg合金蠕化剂时，石墨形态和残留RE和残留Mg的关系
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(2) SinterCast技术：
一次蠕化处理→在线检测→二次喂丝蠕化孕育→浇注 22
The Sampling Cup
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System 2000
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基 体 组 织 控 制
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壁厚≥6mm，球化率10% 壁厚≤4mm，球化率30~60%
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75mm附铸试块的金相组织
100μm
100μm
Fig. Microstructure of 75mm attached block
石墨蠕化率高，但石墨尺寸较大． 基体组织为全铁素体，无碳化物
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(4) 玻璃模具 化学成分：C3.5±0.2，Si2.5±0.2，P<0.10, S<0.04, Mg<0.05
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材质 灰铁 蠕铁
球铁
基体
P F P F P
抗拉强 屈服强 疲劳强 弹性模 度(MPa) 度(MPa) 度(MPa) 量(GPa)
230-300 114-210 95-110 105-115
硬度HB 175-230
导热系数 (W/m-K)
45-52
290-380 400-520 400-600
200-260 280-350 285-315
铝合金，28kg。 每个铝合金缸体比蠕铁消耗的能量当量约高2,150MJ。 汽油的能量当量为34MJ/L, 2,150MJ/t相当于63L汽油。 假设节约100kg，节油0.5L/100km ，
缸体轻7kg，节油0.035L/100km. 63L汽油需180,000km(15,000km/年，12年)
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蠕铁独特的性能优势使它成为缸体缸盖 未来用材的最佳选择!
两
大
蠕铁材料控制
技
铸造工艺开发
生产稳定性
术
废品率控制
难
点
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4.1.2 蠕铁缸体缸盖生产技术 (1) 蠕铁材料控制、生产稳定性
Mg量在0.007-0.015%范围内为蠕虫状石墨，工艺允许范围十 分狭窄，而且铁水中的Mg量每5min降低0.001%。
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② 蠕铁与合金灰铸铁比较
合金灰铸铁的碳当量较低，缩松倾向增加；合金元素(Cr, Cu, Sn, Mo)易产生偏析，形成碳化物；
低碳当量和合金元素的添加降低灰铸铁的导热性，如 GJL30 (0.3%Cr, 0.3%Mo)的导热性只比珠光体蠕铁高57%；
低碳当量和合金元素还影响加工性能； 合金灰铸铁的成本高(合金元素和加工成本)；
试生产的结果：蠕化率在70% 以上产品的占80%，综合废品率 保持在7%左右。
一汽铸造公司已引进了Sintercast公司的试验
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系统，用于新产品的开发
4.2 蠕铁的应用 (1) RDS天然气压缩机缸体 采用冲天炉熔炼铁水，开发了冲天炉铁水专用蠕化剂(专利号： ZL 2003 1 0111438.9 )
比功率(kW/L) 60-65 80 100
比扭矩(Nm/L) 150 200
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发动机传统材料：灰铸铁、铝合金——已不能胜任大功率发 动机发展的要求
蠕墨铸铁(蠕铁，Compacted Graphite Iron，CGI)具有高强度、 优良的耐热性和导热性以及抗疲劳和尺寸稳定性，是唯一能同 时满足技术、环保和节能要求的最先进的大功率发动机材料。
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国外蠕铁缸体缸盖的应用情况
蠕铁发动机系列产品
序号 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
OEM Audi Caterpillar DAF Ford-PSA Ford Hyundai International John Deere MAN Mercedes
发动机规格 2.7~6.0L V6 柴油 重载引擎 12.9L I-6柴油 2.7L V6 柴油 3.6L V8 柴油 3.0L V6 柴油 11.0 & 13.0L I-6柴油 9.0L I-6柴油 12.4L I-6柴油 16.0L V8 柴油
灰铸铁重量(kg) 35.4 38 31.8 56.5 xx xx xx xx xx 72.7 158 240 408
蠕铁重量(kg) 25 29.5 26.6 45
OEM OEM OEM OEM OEM 59.6 140 215 352
xx：表示该缸体未用灰铸铁生产
减少百分比(%) 29.4 22.4 16.4 20.4 (15) (10) (20) (15) (20) 18 11.4 10.4 14.2
97
总长度(mm)
520
640
发动机重量(kg)
255
259
单位重量功率(kW/kg)
0.94
0.89
Audi 4.2 V8 TDI为蠕铁发动机、 Mercedes V8 CDI为铝合金发动机
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按现在的标准计算材料的能量当量， 铸铁：10,500MJ/t，铝：90,000MJ/t 对某一发动机，缸体采用蠕铁，35kg，
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表 蠕铁Leabharlann Baidu铝合金V8发动机的参数对比
参数 功率(kW) 比功率(kW/L)
Audi 4.2 V8 TDI Mercedes V8 CDI
240
231
57
57
扭矩(Nm@rpm)
650@1600
580@1600
加速性(0-100km/hr, sec)
5.9
6.1
Bore pitch (mm)
90
22
提高缸筒的抗变形能力，可减少对活塞环的磨损；减轻对活 塞的冲击，提高发动机的NVH；降低油耗；减少窜漏，降低扭 矩损失，改善尾气排放。
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表6 灰铸铁和蠕铁发动机的NVH性能
发动机规格(L) 发动机形式 第一扭振频率的偏移 声压水平(dBA)
1.8
I-4 汽油
+12%
相同
2.0
I-4 汽油
+8%
蠕化剂组成(wt%)：10~35RE，1~10Mg，35~45Si，1~5 Al，1~5 Ca及少量的助蠕剂
蠕铁的组织
蠕墨铸铁缸体(0.5~1.5t)
RDS天然气压缩机
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(2) 中硅钼蠕墨铸铁排气歧管研究 蠕铁：Si3.9~4.3%，Mo0.7~1.0% 延伸率要求：3~8% RE-Mg-Ti 蠕化剂
CE: 4.35±0.2
HB170±10
HB150±10
基体组织：全铁素体基体
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蠕铁的应用： 活塞、活塞环 气缸套
邱汉泉 著 蠕墨铸铁及其生产技术 化学工业出版社，2010
车辆制动部件
冶金设备（熄焦车和焦炉护炉铸铁件、轧辊）
铸造用金属型
液压件
机床铸件
纺织机械铸件
壳体类通用机械铸件
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提高缸筒抗变形能力
由于燃烧的高温和压力，缸筒将产生弹性膨胀，蠕铁具有高 的强度和刚度，可抑制缸筒的变形，维持缸筒的尺寸稳定。
表5 灰铸铁与蠕铁的缸筒抗变形能力比较
发动机规格(L) 发动机形式
抗变形能力提高(%)
1.8
I-4 汽油
18
1.8
I-4 柴油
20
2.2
I-4 汽油
28
4.6
V-8 汽油
3
国内发展大功率发动机目前存在的主要问题：
(1) 大功率发动机的发展道路：消化→研仿→开发，缺少核心 技术；
(2) 研发能力低； (3) 新材料的应用落后于国外(现主要采用传统的灰铸铁或铝合
金)； (4) 铸造、加工与装配水平与国外存在明显的差距。
4
4.1.1 蠕铁发动机的特点 (1) 蠕铁的组织和性能特点
蠕铁零件 缸体 缸套 缸体、缸盖 缸体 缸体 缸体 缸体 缸套 缸体 缸体
8
9
无锡柴油机厂、玉柴机器、二汽、潍柴、一拖、……
开发成功蠕墨铸铁缸盖批量生产技术并用于生产。
蠕铁缸盖的石墨组织
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(2) 蠕铁发动机的优点 ① 与灰铸铁比较，蠕铁发动机具有以下优点： 在相同的载荷条件下，可降低零件的壁厚； 在相同设计的条件下，可增加发动机的负荷； 由于铸件的性能稳定，可提高汽车的安全性； 提高发动机的NVH性能(Noise噪声、Vibration振动、
-1.0~-1.5
2.0
I-4 汽油
+7%
-1.0~-1.5
2.2
I-4 汽油
+16%
-1.0~-1.5
2.4
I-4 柴油
+9%
-1.0~-1.5
4.6
V-8 汽油
+12%
未检测
5.8
V-8 汽油
12.0
V-6 柴油
+18% +8%
未检测 -0.5~-1.0
13.8
I-6 柴油
+8%
未检测
蠕铁的弹性模量比灰铸铁高40%，使发动机的本征频率正移， 燃烧点火频率和共振频率分离，降低了发动机的噪音。