280柴油機(jī)鑄態(tài)主軸承蓋的研制*

張松楊， 鄧曉金， 王建榮， 張　杰

(中國南車戚墅堰機(jī)車股份有限公司， 江蘇常州 213011)

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280柴油機(jī)鑄態(tài)主軸承蓋的研制*

張松楊， 鄧曉金， 王建榮， 張杰

(中國南車戚墅堰機(jī)車股份有限公司， 江蘇常州 213011)

介紹了280柴油機(jī)鑄態(tài)主軸承蓋的研制。重點(diǎn)描敘了鑄態(tài)主軸承蓋的方案設(shè)計(jì)、檢測和驗(yàn)證過程。驗(yàn)證結(jié)果表明：通過化學(xué)成分的調(diào)整、選擇合適的球化劑和孕育劑，可以生產(chǎn)出滿足柴油機(jī)設(shè)計(jì)要求的280柴油機(jī)鑄態(tài)主軸承蓋，取代正火熱處理生產(chǎn)的280柴油機(jī)主軸承蓋。

柴油機(jī); 主軸承蓋; 鑄態(tài)

280柴油機(jī)從設(shè)計(jì)之初，主軸承蓋材料就是選用球墨鑄鐵(QT600-3)，技術(shù)文件明確規(guī)定主軸承蓋熱處理(正火)后的機(jī)械性能，如表1：

表1　熱處理(正火)后主軸承蓋的力學(xué)性能

該主軸承蓋鑄件澆注后經(jīng)正火熱處理，出爐后快速冷卻(吹風(fēng)冷卻)，并經(jīng)再次去應(yīng)力退火熱處理；為防止石墨漂浮，在鐵水熔煉時(shí)加入了鉬等貴重合金。該工藝過程鑄造周期長、生產(chǎn)成本和能源消耗高。主軸承蓋正火的目的是為了提高球墨鑄鐵基體組織中的珠光體含量，以提高其強(qiáng)度和耐磨性，但在快速冷卻過程中，由于冷卻的不均勻性，也會造成組織和性能的不良變化。

鑒于正火工藝生產(chǎn)的主軸承蓋存在上述的特點(diǎn)，隨著鑄造工藝的水平提高和柴油機(jī)零部件設(shè)計(jì)水平及運(yùn)用經(jīng)驗(yàn)的提升，提出了鑄態(tài)主軸承蓋在280柴油機(jī)上的運(yùn)用。

1　鑄態(tài)主軸承蓋研制的方案設(shè)計(jì)和步驟

鑄態(tài)主軸承蓋的研制，首先是研制方案的制定。在充分收集資料的基礎(chǔ)上、對現(xiàn)有工藝進(jìn)行總結(jié)，并分析了引進(jìn)柴油機(jī)的鑄態(tài)主軸承蓋工藝特點(diǎn)，明確了研制方案為：在鑄件的化學(xué)成分上進(jìn)行調(diào)整、加入一定含量的銅，選用專用球化劑和孕育劑來進(jìn)行鑄造工藝的優(yōu)化；然后進(jìn)行鑄件的各種性能參數(shù)的選擇，并裝機(jī)考核。下面分類描述相關(guān)各點(diǎn)的設(shè)計(jì)。

1.1化學(xué)成分的選擇

球墨鑄鐵材料的化學(xué)成分一般不作為材料的驗(yàn)收依據(jù)，卻是鑄件材料及各項(xiàng)性能的根本和基礎(chǔ)。對于鑄態(tài)主軸承蓋，首先對球墨鑄鐵(QT600-3)中的碳、硅、錳等化學(xué)成分進(jìn)行了調(diào)整，并且添加了0.4%～0.5%的銅，用于穩(wěn)定和細(xì)化珠光體。

1.2球化工藝的改進(jìn)

主軸承蓋鑄件斷面較厚大，鑄件凝固時(shí)間較長，鑄件易產(chǎn)生碎塊狀石墨和石墨漂浮等缺陷，為此選用釔基重稀土鎂作為球化劑。它是一種新型復(fù)合球化劑，它含有鎂、輕稀土和重稀土；除具有輕稀土鎂球化劑性能外，還具有以下性能：

(1) 球化能力強(qiáng);

(2) 抗球化衰退能力強(qiáng);

(3) 脫硫能力強(qiáng);

(4) 過冷度和白口傾向比鎂大比鈰小;

(5) 改善球鐵韌性。

球化劑采用沖入法工藝，球化劑加入量1.3%～1.5%。

主軸承蓋孕育處理選用含有鋇等元素的復(fù)合孕育劑，這種孕育劑具有增加石墨球數(shù)、提高石墨圓整度和球化級別及抗衰退時(shí)間長等特性。孕育工藝為：球化處理后使用進(jìn)行一次孕育，加入量一般在0.5%～0.7%之間，澆注時(shí)進(jìn)行澆口杯瞬時(shí)孕育方式，這樣能縮短孕育至凝固時(shí)間，最大程度地保證孕育效果，得到細(xì)小圓整的石墨球。

1.3力學(xué)性能的確定

鑄件的力學(xué)性能是評價(jià)一個(gè)鑄件質(zhì)量的關(guān)鍵指標(biāo)，也是鑄件驗(yàn)收的主要依據(jù)。280柴油機(jī)主軸承蓋取消正火工序后，對力學(xué)性能的取值，仍按GB/T 1348的要求制定澆鑄試樣的力學(xué)性能指標(biāo)。同時(shí)為進(jìn)一步的控制內(nèi)在質(zhì)量，增加內(nèi)部指定區(qū)域(關(guān)鍵區(qū)域)的力學(xué)性能要求(見圖1)。

圖1　內(nèi)部指定區(qū)域?yàn)閳D中陰影部分

1.4金相組織

正火工藝的主軸承蓋，原技術(shù)文件規(guī)定了金相組織的要求：珠光體數(shù)量在70%以上，石墨形態(tài)以球化和團(tuán)狀為主，允許有少量點(diǎn)狀石墨存在，球化率在4級以上，允許不連續(xù)分布滲碳體不超過1%，磷共晶不超過1%。

通過資料的收集和現(xiàn)場工藝的分析，對于鑄態(tài)主軸承蓋，應(yīng)加強(qiáng)對金相組織的檢查。國外機(jī)型的球墨鑄鐵主軸承蓋基本按照標(biāo)準(zhǔn)EN 1563《鑄造球墨鑄鐵》執(zhí)行，EN 1563規(guī)定石墨形態(tài)按EN ISO945:1994中的形態(tài)

表2　單獨(dú)澆鑄試樣的力學(xué)性能

表3　指定區(qū)域的力學(xué)性能

Ⅴ和Ⅵ。該標(biāo)準(zhǔn)與GB/T 9441《球墨鑄鐵金相檢驗(yàn)》等效。其檢測的項(xiàng)點(diǎn)初步擬定為：

表4　金相組織的要求

2　鑄態(tài)主軸承蓋的試制過程

2011年5月澆鑄了一批280A型和R280型柴油機(jī)鑄態(tài)主軸承蓋，對這批主軸承蓋，分別進(jìn)行了化學(xué)成分、力學(xué)性能、金相組織、無損檢查(含射線照相、超聲檢查和磁粉探傷)等全面檢測，并于2012年3月完成與機(jī)體的配對加工和加工性能的評價(jià)。下面分別介紹鑄態(tài)主軸承蓋的各項(xiàng)檢測的內(nèi)容。

2.1化學(xué)成分

2.2力學(xué)性能

表5　部分試樣的化學(xué)成分

表6　部分試樣的力學(xué)性能

2.3金相

表7　部分試樣的金相檢查

2.4無損檢測

鑄態(tài)主軸承蓋鑄件的無損檢測項(xiàng)是依據(jù)280柴油機(jī)的技術(shù)文件和引進(jìn)機(jī)型的相關(guān)技術(shù)文件來確定的。檢測包含了射線檢查、超聲波檢查和磁粉探傷；形成了對主軸承蓋的表面、淺層到內(nèi)部的完整檢測，可以綜合全面地對主軸承蓋的缺陷情況進(jìn)行系統(tǒng)的評判。由于無損檢測的標(biāo)準(zhǔn)中對球墨鑄鐵的射線檢查和磁粉探傷無專用標(biāo)準(zhǔn)，而QT600-3的很多特征與鑄鋼的性能接近，故選用部分鑄鋼標(biāo)準(zhǔn)來執(zhí)行。

圖2　試樣的石墨形態(tài)和基體組織圖

(1) 射線檢查

射線檢查按ASTM E1030《金屬鑄件射線檢查的標(biāo)準(zhǔn)試樣方法》執(zhí)行，底片按美國標(biāo)準(zhǔn)ASTM446-2005《厚壁鑄鋼件(≥2 in)標(biāo)準(zhǔn)參考射線底片》、E186-2005《鑄鋼件(≤2 in)標(biāo)準(zhǔn)參考底片》評片。與力學(xué)性能要求相對應(yīng)，關(guān)鍵區(qū)域?yàn)棰窦?，其他區(qū)域?yàn)棰蚣壔颌蠹墶?/p>

(2) 超聲波檢查

超聲波檢測按標(biāo)準(zhǔn)EN 12680-3《鑄件-超聲波探

傷-第3部分：球墨鑄鐵鑄件》的規(guī)定進(jìn)行探傷，采用多次底波、B4:80%

(3) 磁粉探傷

鑄件磁粉檢測應(yīng)符合GB/T 9444-2007《鑄鋼件磁粉檢測》規(guī)定的質(zhì)量等級1級要求。

圖3　R280鑄態(tài)主軸承蓋射線檢查

2.5機(jī)體的加工配對

2012年5月16V280柴油機(jī)機(jī)體1451號機(jī)體使用試制的鑄態(tài)球墨鑄鐵主軸承蓋，機(jī)體加工后，對各個(gè)安裝孔進(jìn)行測量，孔徑尺寸均勻，尺寸公差值基本在公差的中間帶、狀態(tài)良好。各形位公差尺寸滿足設(shè)計(jì)要求，機(jī)體關(guān)鍵的主軸承孔同軸度尺寸見表8。機(jī)加工表明鑄態(tài)球墨鑄鐵主軸承蓋的加工性能良好。

表8　1451號16V280柴油機(jī)機(jī)體同軸度測量

3　鑄態(tài)主軸承蓋的型式試驗(yàn)

主軸承蓋的正火熱處理工序的取消，改為鑄態(tài)主軸承蓋，應(yīng)屬設(shè)計(jì)和工藝的重要改進(jìn)，需進(jìn)行相關(guān)的驗(yàn)證試驗(yàn)和考核。全部使用鑄態(tài)主軸承蓋的1451號機(jī)體于2012年5月裝于1202號16V280ZJA型柴油機(jī)上，并裝于機(jī)車上在機(jī)務(wù)部門使用。使用兩年多來狀態(tài)良好。R280鑄態(tài)球墨鑄鐵主軸承蓋多臺裝車并隨R12V280柴油機(jī)進(jìn)行型式試驗(yàn)。R280系列柴油機(jī)比280A型柴油機(jī)的強(qiáng)化程度要高，最高爆發(fā)壓力：15.5 MPa，有效壓力：1.91 MPa(280A型柴油機(jī)的最高爆發(fā)壓力：13.5 MPa,平均有效壓力：1.65 MPa),因此，R280柴油機(jī)主軸承蓋的負(fù)荷和工作條件比280A柴油機(jī)要嚴(yán)酷得多。柴油機(jī)于2012年10月依據(jù)TB/T 2744中規(guī)定進(jìn)行了100 h性能和360 h耐久性型式試驗(yàn)。試驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，鑄態(tài)主軸承蓋的剛度和強(qiáng)度完全滿足柴油機(jī)對主軸承蓋的要求。

4　結(jié)　論

以上是280A型和R280柴油機(jī)鑄態(tài)主軸承的研制過程及各項(xiàng)檢測數(shù)據(jù)的簡述。與280系列柴油機(jī)正火主軸承蓋的各項(xiàng)數(shù)據(jù)比較，主要差異表現(xiàn)在金相組織和力學(xué)性能上(見表9)。GB/T 1348對QT600-3的化學(xué)成分沒有明確的規(guī)定，這里不作比較。

表9　280柴油機(jī)鑄態(tài)主軸承蓋和正火主軸承蓋對比

從表9可以看出，各類主軸承蓋的檢測數(shù)據(jù)均符合GB/T 1348《球墨鑄鐵件》的規(guī)定，只是雖然正火主軸承蓋的抗拉強(qiáng)度和硬度均高于鑄態(tài)主軸承蓋，但鑄態(tài)主軸承蓋的硬度均勻性大大好于正火處理主軸承(見圖4)。

圖4　主軸承蓋(正火和鑄態(tài))硬度分布

綜述280柴油機(jī)鑄態(tài)主軸承蓋的研制過程，鑄態(tài)主軸承蓋的強(qiáng)度剛度和可靠性均滿足280柴油機(jī)對主軸承蓋的要求，且機(jī)體加工時(shí)，未現(xiàn)280柴油機(jī)鑄態(tài)主軸承蓋的加工難點(diǎn)，機(jī)體測量的各項(xiàng)數(shù)據(jù)良好。因此，從理論和實(shí)際情況上來看，280系列柴油機(jī)使用鑄態(tài)主軸承蓋是可行的。但從多年來的柴油機(jī)設(shè)計(jì)和運(yùn)用情況來分析，大批量鑄態(tài)主軸承蓋的生產(chǎn)，生產(chǎn)工藝還需要有一個(gè)擬合過程。鑄態(tài)主軸承蓋的生產(chǎn)，取消了280柴油機(jī)傳統(tǒng)主軸承蓋的正火工序，從生產(chǎn)成本和能源消耗

來說，也有一定降低；但工藝過程的穩(wěn)定性、產(chǎn)品的質(zhì)量控制還需進(jìn)一步的探索。

[1]GB/T 1348-2009. 球墨鑄鐵件[S].

[2]EN 1563-1997. 鑄造球墨鑄鐵[S].

[3]EN ISO 945-1994. 評定鑄鐵件中石墨纖維組織的標(biāo)準(zhǔn)方法[S].

[4]GB/T 944-2009. 球墨鑄鐵金相檢驗(yàn)[S].

[5]ASTM E1030-2005. 金屬鑄件射線檢查的標(biāo)準(zhǔn)試樣方法[S].

[6]ASTM 446-2005. 厚壁鑄鋼件標(biāo)準(zhǔn)參考射線底片[S].

[7]EN 186-2005. 鑄鋼件≤ 2 in標(biāo)準(zhǔn)參考底片[S].

[8]EN 12680-3-2003. 鑄件-超聲波探傷-第3部分：球墨鑄鐵件[S].

[9]GB/T 9444-2007. 鑄鋼件磁粉檢測[S].

[10]TB/T 2744-2002. 動力裝置用柴油機(jī)認(rèn)證方法[S].

Development os As-cast Main Bearing Cap for 280 Diesel Engine

ZHANGSongyang,DINGXiaojin,WANGJianrong,ZHANGJie

(CRRC Qishuyan Co., Ltd., Changzhou 213011 Jiangsu, China)

This paper introduces the development of the as-cast main bearing cap for 280 diesel engines, mainly including the conceptual design, inspect and validation process. The verification results show that by adjusting the chemical composition and choosing the proper nodularizer and inoculant, we can produce the as-cast main bearing cap which can meet the design requirements of 280 diesel engines and can replace the main bearing cap produced by using normalizing treatment.

diesel engine; main bearing cap; as-cast

1008-7842 (2016) 02-0049-04

??)男，教授級高級工程師(

2015-08-31)

U262.11

Adoi:10.3969/j.issn.1008-7842.2016.02.11

*第十九屆全國大功率柴油機(jī)學(xué)術(shù)年會論文