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        消除離心鑄造船用柴油機(jī)缸套白斑云斑缺陷的對(duì)策

        2011-09-27 09:58:58王敏剛趙世雄
        關(guān)鍵詞:鐵液偏析白斑

        王敏剛,趙世雄

        (陜西柴油機(jī)重工有限公司 鑄造事業(yè)部,陜西興平 713105)

        消除離心鑄造船用柴油機(jī)缸套白斑云斑缺陷的對(duì)策

        王敏剛1,趙世雄

        (陜西柴油機(jī)重工有限公司 鑄造事業(yè)部,陜西興平 713105)

        分析離心鑄造某型船用柴油機(jī)缸套白斑云斑缺陷的形成機(jī)理后認(rèn)為:白斑是由澆注過(guò)程中澆注槽底聚集的鐵豆掉入型腔對(duì)周?chē)F液激冷析出奧氏體枝晶以及鐵液過(guò)冷所析出的粗大奧氏體偏聚形成的;云斑是由析出石墨偏聚及不均勻分布導(dǎo)致出現(xiàn)異常組織而形成。采取降低易偏析的Mn、P、S等元素、提高Cu、Ni等無(wú)限固溶元素,并改底漏式離心澆注為側(cè)澆式,以及澆注時(shí)加入0.2%75FeSi等措施,可明顯減少白斑云斑的出現(xiàn),同時(shí)缸套本體抗拉強(qiáng)度提高約20~30MPa,金相組織中粗大石墨和粗大磷共晶明顯減少。

        柴油機(jī);缸套;離心鑄造;鑄造缺陷

        2009年初我公司對(duì)船用某型柴油機(jī)缸套進(jìn)行試生產(chǎn)。在試生產(chǎn)過(guò)程中發(fā)現(xiàn):在化學(xué)成分大致相同的情況下,生產(chǎn)缸套的力學(xué)性能卻波動(dòng)較大,且金相組織中經(jīng)常出現(xiàn)粗大石墨和粗大磷共晶,精加工后在缸套內(nèi)孔尤其是端頭部位經(jīng)常出現(xiàn)白斑、云斑等宏觀(guān)偏析現(xiàn)象,導(dǎo)致柴油機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)發(fā)生拉缸問(wèn)題。為此,我公司鑄造技術(shù)部門(mén)進(jìn)行了技術(shù)攻關(guān)。

        1 生產(chǎn)條件

        此型缸套毛坯尺寸如圖1所示,大端外徑?550 mm,小端外徑 ?480mm,內(nèi)徑 ?310mm,長(zhǎng) 1100mm,鐵液重約1000kg。要求:P含量為0.15%~0.35%,S含量不大于0.1%;抗拉強(qiáng)度≥275MPa,布氏硬度在180~250之間;金相組織中不允許出現(xiàn)粗大磷共晶組織。我廠(chǎng)采用3t無(wú)芯中頻爐熔煉,爐襯為酸性。采用覆砂鐵屬型鑄造:離心鑄造機(jī)型號(hào)為ZJ11型,模套為球墨鑄鐵模套,砂襯厚度為5~6mm。爐料采用本溪Q10生鐵和普通廢鋼。孕育采用0.6%的75SiFe,1400℃出爐,出爐時(shí)一次孕育,1320℃左右澆注。離心機(jī)轉(zhuǎn)速為650~700r/min,澆注完畢后用冷卻水冷卻模套外表面,冷卻至缸套內(nèi)孔為暗紅色后脫??绽?。

        圖1 缸套毛坯尺寸

        2 白斑、云斑的形成機(jī)理

        2.1 白斑、云斑組織分析

        通過(guò)觀(guān)察可見(jiàn),白斑一般為月牙狀或條蟲(chóng)狀,色澤光亮,月牙狀內(nèi)側(cè)或條蟲(chóng)周遍一般有小黑點(diǎn),如圖2所示。通常出現(xiàn)在缸套內(nèi)孔,尤其兩端最易出現(xiàn)。白斑區(qū)域一般硬度較高,加工過(guò)程中時(shí)有讓刀現(xiàn)象發(fā)生,形成一道凸起的區(qū)域,有時(shí)也會(huì)出現(xiàn)白斑區(qū)域與正常區(qū)域有離層甚至剝落現(xiàn)象。從對(duì)白斑的金相分析發(fā)現(xiàn),白斑區(qū)域?yàn)榧冎楣怏w組織,無(wú)磷共晶和石墨及碳化物,可認(rèn)為是由純奧氏體組織最終轉(zhuǎn)變?yōu)橹楣怏w。圖3、圖4為白斑微觀(guān)組織。

        圖2 白斑宏觀(guān)形態(tài)

        如圖5所示,云斑的形態(tài)為水漬狀,色澤為淡黑色深淺不一,一般出現(xiàn)在缸套內(nèi)孔尤其在內(nèi)孔兩端。一般情況下云斑組織區(qū)域鐵素體含量較正常組織多,所以其抗拉強(qiáng)度和布氏硬度都比正常組織低。

        圖3 正常組織與白斑過(guò)渡形態(tài) 100×

        圖4 白斑組織 500×

        圖5 離心缸套云斑宏觀(guān)形態(tài)

        2.2 形成機(jī)理

        我公司采用底漏式離心澆注,此型缸套離心鑄造機(jī)澆注槽底部有9個(gè)直徑為20mm的澆孔,如圖6所示。鐵液通過(guò)此9個(gè)澆孔注入高速旋轉(zhuǎn)的模套中,但在澆注過(guò)程中,鐵液溫度下降,會(huì)在澆孔底部周?chē)Y(jié),當(dāng)凝結(jié)的鐵豆自重超過(guò)它與澆注槽底的黏結(jié)力時(shí)就會(huì)脫落掉入型腔,并對(duì)其周?chē)蔫F液產(chǎn)生激冷,被激冷的鐵液會(huì)在鐵塊周?chē)龀鲆粚映跷鰥W氏體枝晶,同時(shí)P、S、C會(huì)被排擠出初析奧氏體枝晶層,當(dāng)溫度繼續(xù)下降至750℃左右時(shí)奧氏體枝晶層開(kāi)始轉(zhuǎn)變?yōu)橹楣怏w。加工后宏觀(guān)上就為一圈或弧線(xiàn)形亮白色斑,圖7所示為一鋼屑不慎掉入型腔內(nèi)在其周?chē)a(chǎn)生的一圈白斑。由于P、S、C等元素被排擠出,這類(lèi)珠光體組織中很難析出磷共晶和石墨,而在白斑組織附近尤其月牙狀白斑內(nèi)側(cè)易出現(xiàn)石墨小黑點(diǎn)和磷共晶。如圖2右側(cè)白斑區(qū)域無(wú)石墨和磷共晶而左側(cè)石墨片生長(zhǎng)的較長(zhǎng)磷共晶較多。如果白斑周?chē)龀龅氖^多較密集,會(huì)嚴(yán)重降低白斑周?chē)M織的抗拉強(qiáng)度和硬度,甚至?xí)斐砂装吲c缸套本體產(chǎn)生離層和脫落。一般而言當(dāng)鐵液孕育不良或孕育衰退加之冷卻水流量不足,缸套厚大部位凝固時(shí)間較長(zhǎng),缸套厚大部位易出現(xiàn)云白斑組織;當(dāng)孕育不良或孕育衰退的鐵液注入到鐵型薄砂襯的模套內(nèi)時(shí),鐵液被嚴(yán)重過(guò)冷,過(guò)冷的鐵液析出粗大奧氏體枝晶,這些粗大奧氏體枝晶在離心力的作用下會(huì)局部偏聚到一起,形成宏觀(guān)純奧氏體區(qū),最終形成白斑組織。如果被奧氏體枝晶排除的碳和磷共晶較多擴(kuò)散不充分,就會(huì)產(chǎn)生石墨的局部偏聚,可能會(huì)出現(xiàn)云斑。這就是有時(shí)在白斑組織區(qū)域周?chē)霈F(xiàn)云斑的原因。

        圖6 底漏式離心澆注示意圖

        圖7 鋼屑周?chē)a(chǎn)生的白斑

        此外我廠(chǎng)出現(xiàn)云斑的主要原因還有:澆注時(shí)9個(gè)澆注孔對(duì)應(yīng)的型腔內(nèi)部均為高溫區(qū),孔與孔之間對(duì)應(yīng)的區(qū)域?yàn)榈蜏貐^(qū)(如圖6所示),在宏觀(guān)上看,會(huì)有一道亮一道暗交錯(cuò)分布現(xiàn)象,在明暗交界處會(huì)出現(xiàn)熱紊亂,暗的區(qū)域析出奧氏體和石墨后會(huì)被混入的熱鐵液將奧氏體熔化,僅剩下石墨,鐵液會(huì)按照“過(guò)共晶”形式結(jié)晶,而這些“初析粗大石墨”在離心力和鐵液的沖擊作用下會(huì)局部偏聚,偏聚區(qū)鐵素體含量明顯增多,這是形成云斑的主要原因。此外在缸套端頭區(qū)域的鐵液充型過(guò)程中冷卻較快,層狀熱鐵液又不斷補(bǔ)充,熱紊亂較為嚴(yán)重,所以缸套端頭區(qū)域云斑出現(xiàn)的可能性更大。

        3 解決措施

        總體而言,形成白斑云斑主要是由于鐵液過(guò)冷和外來(lái)鐵豆引起的易偏析元素P、S,的存在和型腔內(nèi)溫度場(chǎng)紊亂所致。因此解決白斑云斑問(wèn)題首先應(yīng)控制易偏析元素,易偏析元素應(yīng)越少越好;其次盡量減少型腔內(nèi)溫度場(chǎng)的不均勻和外來(lái)鐵豆。

        3.1 化學(xué)成分的確定

        因?yàn)镻、S都容易在晶界處產(chǎn)生偏析,為此將P、S控制在要求的下限,為了達(dá)到技術(shù)文件中要求的力學(xué)性能須添加合金元素 Mn、Cr、Cu 等;Mn、Cr也較易產(chǎn)生偏析,而Cu、Ni為無(wú)限固溶元素,不易產(chǎn)生偏析,為此我們確定化學(xué)成分如表1所示。

        表1 鐵液化學(xué)成(質(zhì)量分?jǐn)?shù),%)

        3.2 離心鑄造工藝參數(shù)的確定

        為了減少離心鑄造缸套白斑云斑問(wèn)題的發(fā)生,我們制定了以下工藝參數(shù):

        (1)將底漏式澆注系統(tǒng)改為側(cè)澆式澆注系統(tǒng),減少鐵水飛濺和外來(lái)鐵豆的帶入。

        (2)澆注時(shí)加入粒度為0.2~0.7的0.2%75SiFe,以減緩鐵液過(guò)冷傾向抑制了白斑的出現(xiàn),同時(shí)細(xì)化石墨和磷共晶。

        (3)澆注溫度確定為1300~1330℃;離心轉(zhuǎn)速為650~700r/min;澆注完畢后在缸套模套兩端掛上防止熱輻射的擋板。將冷卻水由4.5t/h增大到5.5~6t/h。

        4 生產(chǎn)驗(yàn)證

        經(jīng)過(guò)為期一個(gè)月的生產(chǎn),共生產(chǎn)此型缸套50件,經(jīng)精加工后無(wú)一件出現(xiàn)白斑云斑缺陷,圖8所示為精加工后的此型缸套內(nèi)表面,新工藝生產(chǎn)的缸套抗拉強(qiáng)度比以前提高20~30MPa。

        圖8 精加工后表面狀況

        [1] 張伯明,張武城.離心鑄造.北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2006,1.

        [2] 陸文華,李隆盛,黃良余.鑄造合金及其熔煉.北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2002,8.

        The Countermeasures Against Defects as White Spot and Cloud on Centrifugal Casting Cylinder Sleeve of Ship Diesel Engine

        WANG MinGang,ZHAO ShiXiong
        (Foundry of Heavy Industrial Machinery Co.Ltd.Shanxi Diesel Engine Group,Xingping 713105,Shanxi China)

        Analysis on forming mechanism of defects as white spot and cloud on centrifugal casting cylinder sleeve of ship diesel engine resulted in that white spot had been produced with austenite branch crystal separated out due to chilled iron melt around bean-shaped iron grains falling down from those collected on bottom of pouring spout and coarse austenite deflection gather from overcooled iron melt while cloud had formed from abnormal structure caused by deflection gather and asymmetry distribution of graphite separated out.Appearance of white spot and cloud could be obviously decreased with reducing content of elements as Mn,P,S apt to deflection while increasing elements as Cu,Ni etc without solid solubility limit as well as measures such as centrifugal casting changine from bottom pouring into side pouring and addition of 0.2%75FeSi with pouring hence 20~30MPa or so increased with tensile strength of cylinder sleeve while obvious decrease of both coarse graphite and coarse P eutectic in microstructure.

        Diesel;Cylinder sleeve;Centrifugal casting;Foundry defect

        TG 249.4;

        B

        1006-9658(2011)01-3

        2010-08-19

        2010-121

        王敏剛(1981-),男,助理工程師,從事鑄鐵熔煉和鑄造工藝

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