蠕墨鑄鐵缸體缸蓋是高性能大馬力的首選材質(zhì)，在國際上已得到充分研究并開始大量應(yīng)用，全球每月約有2萬個(gè)缸體或缸蓋產(chǎn)品采用蠕墨鑄鐵制造（以每件平均重量為50 kg 計(jì)）。在乘用車方面，主要有奧迪、福特、克萊斯勒、沃爾沃、大眾、現(xiàn)代等公司在生產(chǎn)蠕墨鑄鐵缸體產(chǎn)品，而在商用車方面,福特、現(xiàn)代、達(dá)夫、曼等汽車公司的缸體和缸蓋產(chǎn)品采用蠕墨鑄鐵材料來制造。目前國內(nèi)生產(chǎn)蠕墨鑄鐵主要是采用傳統(tǒng)的沖入法處理，穩(wěn)定性差，而制約蠕墨鑄鐵在汽車上大批量應(yīng)用的主要原因恰恰是鑄件的蠕化率控制較為困難，通常很難穩(wěn)定達(dá)到80%（國際標(biāo)準(zhǔn)）以上。采用SinterCast 小型蠕化處理系統(tǒng)，以6DL 發(fā)動(dòng)機(jī)蠕墨鑄鐵缸體缸蓋為開發(fā)目標(biāo)，在蠕化率、抗拉強(qiáng)度、基體組織、蠕化衰退、鑄造工藝等方面進(jìn)行了較為系統(tǒng)的研究與樣件開發(fā)工作。1 單鑄試棒蠕化率調(diào)試與力學(xué)性能試驗(yàn)采用500 kg 中頻感應(yīng)電爐，全廢鋼（打包料）增碳熔煉方式，為保證蠕化處理效果，每爐熔煉鐵液500 kg并進(jìn)行蠕化處理。預(yù)處理劑采用普通球化劑，沖入法處理。預(yù)處理劑加入量由小型系統(tǒng)根據(jù)鐵液分析的含硫量和鐵液重量給出相應(yīng)的加入量，其上覆蓋鐵屑。預(yù)處理的鐵液經(jīng)打渣清理后，蓋包，運(yùn)送至小型系統(tǒng)并進(jìn)行取樣分析，由小型系統(tǒng)根據(jù)預(yù)處理鐵液的分析結(jié)果，設(shè)備會(huì)給出相應(yīng)的鎂絲和孕育絲加入量，據(jù)此數(shù)值，由人工方法進(jìn)行孕育絲和鎂絲的加入，完成整個(gè)蠕化處理過程。通常由預(yù)處理至蠕化處理完畢，所需時(shí)間一般在8 min左右。共進(jìn)行8 爐次的鐵液蠕化試驗(yàn)與缸體和試棒的澆注，從單鑄試棒的蠕化處理效果來看，所有8 爐次試棒的蠕化率為90%和95%，其中蠕化率為95%的試棒占總數(shù)的75%。當(dāng)然對(duì)于蠕化率來說，也存在不同的視場，蠕化率會(huì)有差異，但總體來說，基本可以穩(wěn)定在90%，即完全達(dá)到目標(biāo)的80%蠕化率水平，效果還是非常理想的。石墨：蠕化率95%100× 基體：85%珠光體+鐵素體100×1.3 單鑄試棒的力學(xué)性能試驗(yàn)伴隨試棒與缸體的蠕化和澆注試驗(yàn)，同時(shí)進(jìn)行了單鑄試棒的RT400-1 和RT450-1 兩個(gè)牌號(hào)的試驗(yàn)驗(yàn)證工作。1.3.1 不加合金（生鐵80%+廢鋼20%）的性能試驗(yàn)在全部采用原材料而不加入任何合金元素的狀態(tài)下100524-1石墨：蠕化率95% 100× 基體：10%珠光體+鐵素體100×在不加入合金的情況下，在蠕化率達(dá)到95%的基礎(chǔ)上，基體組織基本為鐵素體基體，試棒的抗拉強(qiáng)度達(dá)到RT300-2 的水平，且伸長率遠(yuǎn)超牌號(hào)要求，這表示試棒的石墨形態(tài)非常良好，石墨短而粗，彎曲性好，對(duì)基體的撕裂作用明顯降低。但由于是鐵素體基體，所以盡管強(qiáng)度性能較高，但硬度值較低，這意味著該材料盡管加工性能很好，但耐磨性能和抗變形性能卻可能存在問題，進(jìn)而影響在汽車發(fā)動(dòng)機(jī)缸體缸蓋上的應(yīng)用。1.3.2 Cu-Sn合金化的牌號(hào)性能試驗(yàn)蠕墨鑄鐵的力學(xué)性能主要取決于基體組織和石墨形態(tài)，基體組織需要通過合金化控制來實(shí)現(xiàn)，而蠕化率的高低同樣會(huì)對(duì)蠕墨鑄鐵力學(xué)性能產(chǎn)生重要影響。因此蠕化率必須達(dá)到80%才會(huì)對(duì)性能的穩(wěn)定產(chǎn)生合理的影響。試驗(yàn)采用Cu-Sn二元合金化來進(jìn)行，所有的試驗(yàn)中要求3.6%~3.7% C，1.9%~2.0% Si。可以看出，采用Cu-Sn二元合金化可以實(shí)現(xiàn)蠕墨鑄鐵各個(gè)牌號(hào)的生產(chǎn)并達(dá)到性能要求。但同時(shí)需要注意的是，當(dāng)在較高合金化狀態(tài)下，試棒以及鑄件均易出現(xiàn)碳化物組織，尤其當(dāng)鎂指數(shù)偏高的狀態(tài)下，球化傾向增加，當(dāng)Cu 達(dá)到1%和Sn 達(dá)到0.1%時(shí)，產(chǎn)生碳化物的可能性很大。在進(jìn)行單鑄試棒澆注試驗(yàn)中，分時(shí)間階段進(jìn)行了蠕化澆注衰退的試驗(yàn)。從測試的蠕化率來看，在蠕化后的8 min 內(nèi)澆注的試棒蠕化效果均為95%，但如果從抗拉強(qiáng)度來看，隨著時(shí)間的推移，強(qiáng)度降低，這可能的原因就是石墨在進(jìn)行衰退過程。將6DL 發(fā)動(dòng)機(jī)59D 缸體和缸蓋樣件開發(fā)作為本次研究的對(duì)象。59D 缸體是借用一鑄廠的模具進(jìn)行造型，并使用一鑄廠的現(xiàn)有砂芯進(jìn)行組裝而成，由于時(shí)間的問題，僅進(jìn)行了兩輪次的試驗(yàn)。試驗(yàn)將原有孔隙較小的過濾網(wǎng)改為試驗(yàn)用的Φ2.2 mmx20 mm 較大尺寸的過濾網(wǎng)，其他澆注系統(tǒng)未進(jìn)行改動(dòng)。59D 缸體第一件的澆注試驗(yàn)，出爐溫度1540℃，澆注溫度1410℃，澆注時(shí)間為52 s，缸體正體成形較好，但有一處分析為冷隔缺陷，鑒于此，又進(jìn)行1 輪澆注試驗(yàn)，試圖通過提高澆注溫度和快速澆注來改變充型狀態(tài)，實(shí)際的出爐溫度1553℃，澆注溫度1416℃，澆注時(shí)間為49 s，但該件缸體卻未能成形。對(duì)第一件59D 缸體進(jìn)行了解剖分析，按規(guī)定在缸蓋螺栓加厚部位和主軸承蓋螺栓加厚部位進(jìn)行了本體試棒的切取本體取樣位置的試樣力學(xué)性能達(dá)到規(guī)定的RT400-1 牌號(hào)要求，強(qiáng)度為HT300 牌號(hào)該處試樣力學(xué)性能的170%。同時(shí)檢測的蠕化率也達(dá)到80%以上，滿足要求。但照片顯示蠕化率相對(duì)較低，由于該處為厚壁部位，通常蠕化率應(yīng)較高，顯示蠕化的不均勻性尚且存在。2.2 59D 缸體的全解剖檢測與階梯試棒澆注試驗(yàn)對(duì)澆注的59D缸體僅進(jìn)行了全解剖檢測，按規(guī)定解剖部位進(jìn)行全面切割，切割的缸體斷面良好，無縮松等缺陷的產(chǎn)生。對(duì)第二、三缸筒間的缸壁由上至下切取缸筒斷面不同位置與壁厚處進(jìn)行蠕化率檢測，共檢測8 處。從本體解剖的圖樣來看，由于第5 個(gè)試樣處壁厚較薄，蠕化率為75%（從這里也可以看出壁厚對(duì)蠕化率存在較大影響），其余均在80%以上，缸體整體蠕化狀況較好。通過上面的試驗(yàn)，我們認(rèn)為缸體的蠕化率和性能控制問題已基本解決，而相對(duì)于灰鑄鐵略低的流動(dòng)性能可能會(huì)繼續(xù)導(dǎo)致缸體成形困難（實(shí)際在缸體樣件的澆注過程中也發(fā)生了類似情況）。主要采取的工藝措施還是通過置換孔隙率較大的過濾網(wǎng)并適當(dāng)?shù)脑黾舆^濾網(wǎng)的通過面積，以及適當(dāng)提高澆注溫度兩個(gè)方法來實(shí)現(xiàn)缸體的良好成形性。試驗(yàn)共澆注缸體樣件6 型，牌號(hào)為RT450-1，力學(xué)性能均合格。由于一鑄廠生產(chǎn)對(duì)模具的需求，同時(shí)為滿足需求的樣件數(shù)，限于條件因素，未能進(jìn)一步對(duì)澆注系統(tǒng)進(jìn)行大的改動(dòng)。采用不同壁厚的階梯試樣進(jìn)行蠕化率測試試驗(yàn)，以找出壁厚與冷卻速度對(duì)蠕化效果的影響，理論上，壁厚越小，過冷越大，形成石墨球的傾向性會(huì)越大，這里主要通過壁厚的變化找出產(chǎn)生蠕化率變化的壁厚臨界值，當(dāng)然，這一臨界值受其他因素影響而變化。階梯試樣由于冷卻較快，通常蠕化控制較為困難，但通過試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，在壁厚達(dá)到11mm 及以上時(shí)，其蠕化率仍然保持在90%，但當(dāng)壁厚降低到7 mm 時(shí)，蠕化率明顯降低，由90%降低到80%，這對(duì)缸體薄壁部位及排氣管蠕鐵鑄件生產(chǎn)會(huì)有指導(dǎo)意義。通過與汽研的交流，6DL 缸蓋產(chǎn)品與缸體相比，在市場上更易于失效，汽研也更傾向于首先進(jìn)行蠕鐵缸蓋的開發(fā)。所以我們同時(shí)也開展了缸蓋產(chǎn)品的試驗(yàn)開發(fā)，選擇的對(duì)象是與試驗(yàn)的59D 缸體配套的59D缸蓋。與缸體相同，59D 灰鑄鐵缸蓋目前由錫鑄廠進(jìn)行生產(chǎn)，限于模具運(yùn)輸比較困難，我們與錫鑄廠協(xié)商，選擇由錫鑄廠組芯后發(fā)送至鑄造研究所，鑄造研究所進(jìn)行外模的造型并與砂芯組合成型，進(jìn)行缸蓋的澆注。在完成合型后，澆注了首個(gè)缸蓋樣件，具體工藝為：鑄件牌號(hào)RT450-1，中頻爐熔煉鐵液500 kg，采用Cu-Sn 合金化工藝，Cu 含量0.6%耀0.8%，Sn 含量0.06%耀0.08%，1 560 益鐵液出爐，采用SinterCast 小型系統(tǒng)進(jìn)行蠕化處理控制，澆注溫度為1 422℃，澆注缸蓋2 件（1 型），單鑄試棒3 根。缸蓋鑄件澆注時(shí)間為51 s，充型狀況良好，隔天打箱。首先對(duì)單鑄試棒的力學(xué)性能與金相組織等進(jìn)行檢測。從單鑄試棒性能來看，強(qiáng)度達(dá)到預(yù)期要求，蠕化效果良好。鑄件清理后重量分別為110 kg 和112 kg，對(duì)1件缸蓋鑄件進(jìn)行了本體解剖，檢驗(yàn)內(nèi)部鑄件質(zhì)量，對(duì)缸蓋鑄件各部位進(jìn)行的解剖結(jié)果顯示，鑄件內(nèi)部質(zhì)量良好，不存在縮松等任何質(zhì)量缺陷。試驗(yàn)共澆注6DL 蠕鐵缸蓋32 件（牌號(hào)RuT450-1），檢測力學(xué)性能、蠕化率等指標(biāo)均穩(wěn)定達(dá)到國外同類產(chǎn)品水平。（1）通過系統(tǒng)的分析，試驗(yàn)的單鑄試棒可以穩(wěn)定實(shí)現(xiàn)蠕化率80%以上的控制目標(biāo)；而通常這一指標(biāo)可以達(dá)到90%或90%以上，達(dá)到國外同類鑄件水平。（2）通過合金化可以實(shí)現(xiàn)國標(biāo)規(guī)定的蠕墨鑄鐵各個(gè)牌號(hào)的生產(chǎn)，達(dá)到性能要求；缸體缸蓋本體抗拉強(qiáng)度達(dá)到400 MPa以上，硬度HB220左右，珠光體基體。（3）不同壁厚會(huì)對(duì)蠕鐵的蠕化率產(chǎn)生影響，這在試驗(yàn)的階梯試樣和缸體、缸蓋本體上均得到體現(xiàn)。蠕化的衰退測試，在蠕化后的8 min 內(nèi)澆注的試棒蠕化效果均為95%，但如果從抗拉強(qiáng)度來看，隨著時(shí)間的推移，強(qiáng)度降低，可能石墨有所衰退，但并未形成片狀石墨。(4) 缸體本體解剖，缸筒及厚大部位蠕化率達(dá)到90%，小于7-10 mm 的部位蠕化率達(dá)到80%以上，小于7 mm 的部位，蠕化率可能低于80%。(5)由于蠕鐵的流動(dòng)性略差，在相同澆注溫度下（1400℃），鑄件充型能力低于灰鑄鐵，故過濾網(wǎng)與澆注系統(tǒng)應(yīng)作適當(dāng)改進(jìn)。采用現(xiàn)行灰鑄鐵的補(bǔ)縮工藝完全可以得到健全的蠕墨鑄鐵缸體。(6)缸體缸蓋通過汽研、錫柴檢測認(rèn)證合格，完成了高品質(zhì)蠕墨鑄鐵缸體缸蓋樣件的開發(fā)。
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