蠕化率對鑄件內部疏松缺陷的影響

楊永來

辛集市辛缸汽缸蓋有限公司 河北石家莊 052360

1 序言

柴油機應用廣泛，工作環境差，工作時間長。由于柴油機汽缸蓋長時間承受高壓和高溫燃氣的作用，所以要求汽缸蓋不能變形和開裂，同時出于對成本的考慮，汽缸蓋重量需要控制，這就對汽缸蓋的材質要求越來越高，尤其是大功率段轉速高的柴油機汽缸蓋，灰鑄鐵材質已不能適應使用要求。在這種情況下，我公司著手試制蠕墨鑄鐵材質的汽缸蓋，首先選定的品種為ZC170汽缸蓋。

ZC170汽缸蓋廣泛用于船用大功率發動機、發電機組等，其長時間運行條件下不允許開裂。灰鑄鐵達到HT300牌號后力學性能很難再有所提升，且灰鑄鐵沒有韌性，易開裂，而蠕墨鑄鐵具有良好的塑韌性、導熱性和耐疲勞性。我公司經過幾次的試制，開始并不理想，但經過調整，最后終于能夠批量生產蠕墨鑄鐵汽缸蓋，滿足了客戶要求。

2 汽缸蓋特點及試驗條件

Z C170汽缸蓋原材質為H T300，技術要求wCu＝0.5%～0.8%、wCr＝0.2%～0.4%、wMo＝0.2%～0.35%，本體硬度要求190HBW以上。汽缸蓋外形尺寸為355mm×230mm×209mm，毛坯重65kg，主要壁厚8～10mm，最大熱節直徑60mm左右。

試制的蠕墨鑄鐵牌號為RuT300，基體以鐵素體為主，蠕化率＞50%，伸長率＞2%，抗拉強度＞300MPa，硬度＞140HBW。

主要設備及試驗條件：7t感應電爐。爐前快速分析設備主要有光譜儀、碳硫分析儀、拉力實驗機、布氏硬度計及顯微鏡等。

3 第一次試制

3.1 前期準備

主要原材料：Q12生鐵、工業廢鋼、蠕化劑（wRe＝9%～11%，wMg＝4%～6%）、硅鈣孕育劑。蠕化劑粒度為5～25mm，硅鈣及孕育劑粒度為3～8mm，提前稱重并烘干。

缸蓋的鑄造工藝是一模兩件，在灰鑄鐵造型工藝的基礎上增加了部分冒口（ 澆注工藝見圖1）。目標化學成分見表1。

圖1 澆注工藝

表1 蠕墨鑄鐵目標化學成分（質量分數） (%)

3.2 配料及熔煉處理過程

（1）配料 開始試制時，為保證爐料的純凈，暫不用回爐料和增碳劑，配料為生鐵5200kg、廢鋼800kg、硅鐵65kg及錳鐵33kg。

（2）試驗過程 采用包底沖入法，蠕化包取500kg鐵液，澆包使用前需要烘干、烘透，蠕化劑取2.8kg（0.56%），硅鈣孕育劑取6kg（1.2%），使用前烘干預熱，將蠕化劑均勻平鋪在處理包堤壩內，將約4kg硅鈣孕育劑均勻覆蓋在蠕化劑表面，均勻搗實，表面覆蓋積渣劑（看不到孕育劑顆粒為止）,剩余孕育劑在倒包至4/5時用鐵鍬倒入蠕化反應的一側，再倒完剩余的1/5鐵液。倒包時不能沖擊蠕化劑的一側，一包澆注3箱，共6件ZC170缸蓋，出爐溫度1520℃，蠕化處理溫度1470～1480℃，試塊采用單鑄，每包鐵液單鑄一個試塊，并在澆注完缸蓋后澆試塊，澆注時間控制在處理結束后8min內，一爐鐵液共澆注72件毛坯。

3.3 結果分析

（1）爐前三角試片 孕育后的三角試片斷口呈銀白色，兩側有稍微凹陷，與灰鐵爐前三角試片明顯不同，如圖2所示。

圖2 三角試片

（2）化學成分 經檢驗，終鐵液化學成分見表2。

表2 終鐵液化學成分（質量分數） （%）

從表2可以看出，C、Si、Mn、P、S符合目標成分要求，RE較目標高出0.004%～0.024%，Mg較目標值高出0.012%～0.022%，可見加入的蠕化劑偏多了。硫與所有蠕化元素都有很大的親和力，蠕化劑加入鐵液中首先消耗于脫硫、脫氧，鐵液中wS≤0.03%時，剩余蠕化元素才能使石墨蠕化，如果原鐵液硫含量較低，除用于脫硫、脫氧外，剩余的蠕化元素較多，會使石墨過渡蠕化，從而形成球狀石墨的概率加大[1]。

（3）金相分析 通過金相組織觀察，得到的結論確實是石墨球偏多，蠕化率只有30%～50%，如圖3所示。

圖3 蠕化率不合格

（4）力學性能 經力學性能試驗，抗拉強度為432～451MPa，伸長率為5.37%～6.41%，硬度為172HBW。抗拉強度比設想的高出很多，金相分析顯示蠕化率低，石墨球多，抗拉強度高，這樣會影響其他性能，如熱導率會下降，對汽缸蓋高溫工作時不利。

（5）外觀質量 第一次澆注的汽缸蓋外觀沒發現大的缺陷，加工后試壓，全部因漏氣報廢。經過解剖發現，缺陷為明顯的疏松。均在鑄件的上半部熱節較集中的位置，如挺桿孔、導管孔、螺紋孔較密集的部位，缺陷形貌如圖4、圖5所示。

圖4 挺桿孔部位缺陷形貌

圖5 導管孔部位缺陷形貌

3.4 第一次試制總結

鑄件因疏松嚴重，全部報廢，從圖4和圖5可以看出，縮孔和疏松較明顯，蠕墨鑄鐵的縮孔率介于球墨鑄鐵和灰鑄鐵之間，蠕墨鑄鐵的體收縮與蠕化率有關，蠕化率越高，體收縮越小，最終接近灰鑄鐵；反之蠕化率越低，體收縮越大，最終接近球墨鑄鐵[1]。從化學成分分析，C、Si、Mn、P、S是符合要求的，配料時未使用增碳劑和回爐料，原鐵液含硫量低（wS＜0.02%），加入的蠕化劑占鐵液的0.56%，明顯偏多了，光譜分析顯示殘留的稀土元素和鎂元素與分析的結果是一致的。

4 第二次試制

1） 配料及處理工藝不作變動，只是蠕化劑加入量減少到占處理鐵液的0.35%，即1.75k g，經化驗，鐵液wS為0.013%、wLa為0.006%、wCe為0.017%、wMg為0.015%，達到了預想的目標成分。光譜顯示，蠕化率為85%（見圖6），試棒的抗拉強度為363MPa、370MPa，伸長率為3.39%、4.46%，硬度為154HBW，性能上達到了RuT300的要求。

圖6 蠕化率合格

2）第二批共澆注70件缸蓋，轉入機加工67件。經機加工后，有8件仍然有疏松導致漏氣，在挺桿孔靠上約30mm處、螺紋孔集中處有疏松現象，之后從盡可能減小熱節的思路進行改進，挺桿孔搭子直徑在40mm，高度約130mm，熱節較大，在上蓋芯挺桿孔處做出一個砂芯凸起，以減小熱節。另外，在螺紋孔處增加一塊冷鐵（見圖7），并在原來澆口的基礎上設置了澆口杯，增加了約120mm的直澆道高度（壓力頭），補縮能力加強（見圖8）。

圖7 減小熱節措施

圖8 增加壓力頭

5 第三次試制

配料、處理工藝按照第二次試制不變，加之一些減小熱節的改進辦法，進行了第三次試制，試制結果較理想，幾個金相試樣蠕化率都達到了80%以上，鑄件沒發現明顯的疏松現象。

之后進行了2次試生產，中間嘗試用了增碳劑、回爐料等，結果不很理想，又有部分疏松現象發生。分析原因，主要是感應電爐熔煉時，硫主要來自于增碳劑，原鐵液硫含量處于不可控狀態，同時回爐料雜質較多，使得原鐵液存在較多的不確定因素，爐前沒有先進的蠕墨鑄鐵鐵液檢測設備，無法準確地根據鐵液各元素變化進行調整。為此，后來的生產沿用第二次試制的工藝，保證原鐵液各元素相對穩定，經驗證能夠滿足生產的需要，可穩定地批量生產，成品率達到了92%以上。由于取消了原灰鑄鐵中的合金，鑄件成本明顯降低，且蠕墨鑄鐵材質的汽缸蓋有一定的韌性，因此很大程度上降低了使用過程中產生裂紋的風險。

6 結束語

1）生產過程中必須要保證原材料潔凈，嚴格執行各個環節的操作工藝，控制原鐵液wS＜0.02%、wRE殘留＝0.02%～0.04%、wMg殘留＝0.005%～0.015%，蠕化率需要達到80%以上，才能使鑄件的疏松傾向減小。

2）加強檢驗，每包鐵液做一個試塊，鑄件做好標記，便于一旦發現蠕化不好的批次能順利被分檢出，做到蠕化不好的產品堅決不能出廠。

3）如果沒有爐前準確檢測蠕鐵元素及硫元素的儀器，則配料時應盡量少用或不用增碳劑、回爐料等影響鐵液純凈度的原料，防止影響最終的蠕化效果，進而影響鑄件質量。

經過一系列的改進調整，蠕墨鑄鐵材質ZC170汽缸蓋可以批量生產，達到了客戶的要求，降低了生產成本。