蠕化率对铸件内部疏松缺陷的影响

杨永来

辛集市辛缸汽缸盖有限公司 河北石家庄 052360

1 序言

柴油机应用广泛，工作环境差，工作时间长。由于柴油机汽缸盖长时间承受高压和高温燃气的作用，所以要求汽缸盖不能变形和开裂，同时出于对成本的考虑，汽缸盖重量需要控制，这就对汽缸盖的材质要求越来越高，尤其是大功率段转速高的柴油机汽缸盖，灰铸铁材质已不能适应使用要求。在这种情况下，我公司着手试制蠕墨铸铁材质的汽缸盖，首先选定的品种为ZC170汽缸盖。

ZC170汽缸盖广泛用于船用大功率发动机、发电机组等，其长时间运行条件下不允许开裂。灰铸铁达到HT300牌号后力学性能很难再有所提升，且灰铸铁没有韧性，易开裂，而蠕墨铸铁具有良好的塑韧性、导热性和耐疲劳性。我公司经过几次的试制，开始并不理想，但经过调整，最后终于能够批量生产蠕墨铸铁汽缸盖，满足了客户要求。

2 汽缸盖特点及试验条件

Z C170汽缸盖原材质为H T300，技术要求wCu＝0.5%～0.8%、wCr＝0.2%～0.4%、wMo＝0.2%～0.35%，本体硬度要求190HBW以上。汽缸盖外形尺寸为355mm×230mm×209mm，毛坯重65kg，主要壁厚8～10mm，最大热节直径60mm左右。

试制的蠕墨铸铁牌号为RuT300，基体以铁素体为主，蠕化率＞50%，伸长率＞2%，抗拉强度＞300MPa，硬度＞140HBW。

主要设备及试验条件：7t感应电炉。炉前快速分析设备主要有光谱仪、碳硫分析仪、拉力实验机、布氏硬度计及显微镜等。

3 第一次试制

3.1 前期准备

主要原材料：Q12生铁、工业废钢、蠕化剂（wRe＝9%～11%，wMg＝4%～6%）、硅钙孕育剂。蠕化剂粒度为5～25mm，硅钙及孕育剂粒度为3～8mm，提前称重并烘干。

缸盖的铸造工艺是一模两件，在灰铸铁造型工艺的基础上增加了部分冒口（ 浇注工艺见图1）。目标化学成分见表1。

图1 浇注工艺

表1 蠕墨铸铁目标化学成分（质量分数） (%)

3.2 配料及熔炼处理过程

（1）配料 开始试制时，为保证炉料的纯净，暂不用回炉料和增碳剂，配料为生铁5200kg、废钢800kg、硅铁65kg及锰铁33kg。

（2）试验过程 采用包底冲入法，蠕化包取500kg铁液，浇包使用前需要烘干、烘透，蠕化剂取2.8kg（0.56%），硅钙孕育剂取6kg（1.2%），使用前烘干预热，将蠕化剂均匀平铺在处理包堤坝内，将约4kg硅钙孕育剂均匀覆盖在蠕化剂表面，均匀捣实，表面覆盖积渣剂（看不到孕育剂颗粒为止）,剩余孕育剂在倒包至4/5时用铁锹倒入蠕化反应的一侧，再倒完剩余的1/5铁液。倒包时不能冲击蠕化剂的一侧，一包浇注3箱，共6件ZC170缸盖，出炉温度1520℃，蠕化处理温度1470～1480℃，试块采用单铸，每包铁液单铸一个试块，并在浇注完缸盖后浇试块，浇注时间控制在处理结束后8min内，一炉铁液共浇注72件毛坯。

3.3 结果分析

（1）炉前三角试片 孕育后的三角试片断口呈银白色，两侧有稍微凹陷，与灰铁炉前三角试片明显不同，如图2所示。

图2 三角试片

（2）化学成分 经检验，终铁液化学成分见表2。

表2 终铁液化学成分（质量分数） （%）

从表2可以看出，C、Si、Mn、P、S符合目标成分要求，RE较目标高出0.004%～0.024%，Mg较目标值高出0.012%～0.022%，可见加入的蠕化剂偏多了。硫与所有蠕化元素都有很大的亲和力，蠕化剂加入铁液中首先消耗于脱硫、脱氧，铁液中wS≤0.03%时，剩余蠕化元素才能使石墨蠕化，如果原铁液硫含量较低，除用于脱硫、脱氧外，剩余的蠕化元素较多，会使石墨过渡蠕化，从而形成球状石墨的概率加大[1]。

（3）金相分析 通过金相组织观察，得到的结论确实是石墨球偏多，蠕化率只有30%～50%，如图3所示。

图3 蠕化率不合格

（4）力学性能 经力学性能试验，抗拉强度为432～451MPa，伸长率为5.37%～6.41%，硬度为172HBW。抗拉强度比设想的高出很多，金相分析显示蠕化率低，石墨球多，抗拉强度高，这样会影响其他性能，如热导率会下降，对汽缸盖高温工作时不利。

（5）外观质量 第一次浇注的汽缸盖外观没发现大的缺陷，加工后试压，全部因漏气报废。经过解剖发现，缺陷为明显的疏松。均在铸件的上半部热节较集中的位置，如挺杆孔、导管孔、螺纹孔较密集的部位，缺陷形貌如图4、图5所示。

图4 挺杆孔部位缺陷形貌

图5 导管孔部位缺陷形貌

3.4 第一次试制总结

铸件因疏松严重，全部报废，从图4和图5可以看出，缩孔和疏松较明显，蠕墨铸铁的缩孔率介于球墨铸铁和灰铸铁之间，蠕墨铸铁的体收缩与蠕化率有关，蠕化率越高，体收缩越小，最终接近灰铸铁；反之蠕化率越低，体收缩越大，最终接近球墨铸铁[1]。从化学成分分析，C、Si、Mn、P、S是符合要求的，配料时未使用增碳剂和回炉料，原铁液含硫量低（wS＜0.02%），加入的蠕化剂占铁液的0.56%，明显偏多了，光谱分析显示残留的稀土元素和镁元素与分析的结果是一致的。

4 第二次试制

1） 配料及处理工艺不作变动，只是蠕化剂加入量减少到占处理铁液的0.35%，即1.75k g，经化验，铁液wS为0.013%、wLa为0.006%、wCe为0.017%、wMg为0.015%，达到了预想的目标成分。光谱显示，蠕化率为85%（见图6），试棒的抗拉强度为363MPa、370MPa，伸长率为3.39%、4.46%，硬度为154HBW，性能上达到了RuT300的要求。

图6 蠕化率合格

2）第二批共浇注70件缸盖，转入机加工67件。经机加工后，有8件仍然有疏松导致漏气，在挺杆孔靠上约30mm处、螺纹孔集中处有疏松现象，之后从尽可能减小热节的思路进行改进，挺杆孔搭子直径在40mm，高度约130mm，热节较大，在上盖芯挺杆孔处做出一个砂芯凸起，以减小热节。另外，在螺纹孔处增加一块冷铁（见图7），并在原来浇口的基础上设置了浇口杯，增加了约120mm的直浇道高度（压力头），补缩能力加强（见图8）。

图7 减小热节措施

图8 增加压力头

5 第三次试制

配料、处理工艺按照第二次试制不变，加之一些减小热节的改进办法，进行了第三次试制，试制结果较理想，几个金相试样蠕化率都达到了80%以上，铸件没发现明显的疏松现象。

之后进行了2次试生产，中间尝试用了增碳剂、回炉料等，结果不很理想，又有部分疏松现象发生。分析原因，主要是感应电炉熔炼时，硫主要来自于增碳剂，原铁液硫含量处于不可控状态，同时回炉料杂质较多，使得原铁液存在较多的不确定因素，炉前没有先进的蠕墨铸铁铁液检测设备，无法准确地根据铁液各元素变化进行调整。为此，后来的生产沿用第二次试制的工艺，保证原铁液各元素相对稳定，经验证能够满足生产的需要，可稳定地批量生产，成品率达到了92%以上。由于取消了原灰铸铁中的合金，铸件成本明显降低，且蠕墨铸铁材质的汽缸盖有一定的韧性，因此很大程度上降低了使用过程中产生裂纹的风险。

6 结束语

1）生产过程中必须要保证原材料洁净，严格执行各个环节的操作工艺，控制原铁液wS＜0.02%、wRE残留＝0.02%～0.04%、wMg残留＝0.005%～0.015%，蠕化率需要达到80%以上，才能使铸件的疏松倾向减小。

2）加强检验，每包铁液做一个试块，铸件做好标记，便于一旦发现蠕化不好的批次能顺利被分检出，做到蠕化不好的产品坚决不能出厂。

3）如果没有炉前准确检测蠕铁元素及硫元素的仪器，则配料时应尽量少用或不用增碳剂、回炉料等影响铁液纯净度的原料，防止影响最终的蠕化效果，进而影响铸件质量。

经过一系列的改进调整，蠕墨铸铁材质ZC170汽缸盖可以批量生产，达到了客户的要求，降低了生产成本。