李永剛，董志鵬，張行河

(1.濰柴重機(jī)股份有限公司，山東濰坊 261001；2.濰柴動(dòng)力股份有限公司，山東濰坊 261001)

WD615缸蓋隨流孕育工藝研究

李永剛1，董志鵬1，張行河2

(1.濰柴重機(jī)股份有限公司，山東濰坊 261001；2.濰柴動(dòng)力股份有限公司，山東濰坊 261001)

為解決鑄鐵材料孕育衰退問題，提高材料性能，某公司引進(jìn)了隨流孕育工藝。但在應(yīng)用過程中，出現(xiàn)材料強(qiáng)度下降、金相組織無改善等現(xiàn)象，與預(yù)期目標(biāo)相差較大。為此，決定以WD615缸蓋為對象進(jìn)行試驗(yàn)，對隨流孕育工藝進(jìn)行評估。試驗(yàn)結(jié)果表明：鐵水的碳當(dāng)量、硫含量、高溫靜置時(shí)間及孕育劑種類等因素是造成隨流孕育效果不明顯的原因。

隨流孕育；灰鑄鐵；缸蓋

Abstract:To solve the problem of inoculation fade, and improve material performance, a company introduced the instant steam inoculation process. But in the application process, phenomenon of decline strength and no improvement in microstructure appeared,which had a larger difference with the expected goal. So, taking WD615 cylinder head as test object, instant steam inoculation process was evaluated. The results show that carbon equivalent and sulfur content of the molten iron, high temperature holding time and inoculant type are the reasons which cause stream inoculation effect not obvious.

Keywords:Instant steam inoculation; Gray cast iron; Cylinder head

0 引言

孕育處理實(shí)際上是向液態(tài)金屬中添加少量孕育劑以達(dá)到細(xì)化晶粒、改善組織、提高性能的一種方法。

目前孕育處理作為生產(chǎn)高強(qiáng)度灰鑄鐵的有效方法，國內(nèi)外的應(yīng)用非常普遍。目前國內(nèi)大多數(shù)鑄造廠家都采用爐前孕育的方法，進(jìn)行爐前孕育時(shí)采用人工加入的方法比較多。

根據(jù)結(jié)晶學(xué)原理，孕育處理主要是影響結(jié)晶生核過程和促進(jìn)晶粒游離以細(xì)化晶粒，但隨著澆注時(shí)間的延長，其影響程度將不斷減少(即孕育衰退)，結(jié)果導(dǎo)致綜合性能下降。孕育衰退如圖1所示。

從圖1可清楚地看到：隨著時(shí)間的推移，鐵液中結(jié)晶核心在5～6 min內(nèi)快速減少。因此，理想的孕育處理方式是在澆注鑄件時(shí)將孕育劑加入到金屬液流中，最大限度地縮短孕育后的停留時(shí)間，從而避免澆包孕育中存在的孕育衰退問題。而隨流孕育工藝正是防止孕育衰退及避免上述情況提高鑄件綜合性能的有效方式。

對于現(xiàn)行隨流孕育工藝，某公司應(yīng)用過程中，發(fā)現(xiàn)冷風(fēng)沖天爐鐵水，采用隨流孕育工藝生產(chǎn)的飛輪強(qiáng)度比未采用此工藝的低，金相組織未有明顯提高，只斷面均勻性稍有提高。對于此種情況，決定對目前應(yīng)用較好的熱風(fēng)沖天爐熱水進(jìn)行隨流孕育試驗(yàn)，以WD615缸蓋為對象，對目前隨流孕育工藝進(jìn)行評估。

1 WD615缸蓋工藝現(xiàn)狀

采用隨流孕育工藝生產(chǎn)的WD615缸蓋，基本工藝現(xiàn)狀為：鑄鐵牌號HT250(Cu-Cr)；抗拉強(qiáng)度不小于250 MPa；硬度HBS 190～240。每箱6個(gè)缸蓋，需鐵水168 kg，澆注時(shí)間27 s。

缸蓋基本成分要求為：原鐵水成分為：C的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3.25%～3.35%；Si的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1.5%～1.7%； Mn的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.6%～1.0% ;S的質(zhì)量分?jǐn)?shù)不大于0.1%;P 的質(zhì)量分?jǐn)?shù)不大于0.07%;缸蓋成分：C的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為 3.25%～3.35%; Si的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1.8%～2.1%; Mn 的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.6%～1.0%; S的質(zhì)量分?jǐn)?shù)不大于0.1%; P 的質(zhì)量分?jǐn)?shù)不大于0.07%; Cu的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為 0.6%～0.8%; Cr的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為 0.2%～0.35%；孕育劑加入量：硅鋇孕育劑的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.2%～0.4%，稀土硅鐵的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.05%～0.1%，隨流硅鋯孕育劑的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.1%。孕育劑技術(shù)要求見表1—3。

表1 稀土硅鐵技術(shù)要求

表2 硅鋇孕育劑化學(xué)技術(shù)要求

表3 硅鋯孕育劑技術(shù)要求

2 隨流孕育試驗(yàn)

2.1 試驗(yàn)方案

利用正交試驗(yàn)方法，以碳當(dāng)量變化為主，對應(yīng)不同碳當(dāng)量，變化孕育劑加入量，試驗(yàn)隨流孕育對缸蓋本體性能的影響。并試驗(yàn)1包現(xiàn)行工藝，不加隨流孕育。

試驗(yàn)共分4輪，前3輪每輪1包鐵水，第4輪2包。

第1輪：一次孕育按現(xiàn)行工藝，隨流孕育量變化，具體加入量見表4。

第2輪：一次孕育處理后鐵水Si質(zhì)量分?jǐn)?shù)控制在1.7%，隨流孕育量變化，具體加入量見表5。

第3輪：一次孕育劑改為75SiFe，鐵水硅質(zhì)量分?jǐn)?shù)按2.0%

控制，具體加入量見表6。

表4 第1輪試驗(yàn)方案

表5 第2輪試驗(yàn)方案

表6 第3輪試驗(yàn)方案

第4輪：現(xiàn)行工藝。

要求：每箱每個(gè)缸蓋都做標(biāo)記，箱內(nèi)與箱外號統(tǒng)一。

2.2 試驗(yàn)過程

(1)試驗(yàn)前化驗(yàn)原鐵水、一次孕育后鐵水成分，結(jié)果如表7所示。

表7 鐵水成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)) %

(2)試驗(yàn)按方案進(jìn)行，過程參數(shù)如表8所示。

表8 過程參數(shù)

(3)將帶標(biāo)記缸蓋挑出，每箱選1到2個(gè)缸蓋進(jìn)行本體取樣。取樣位置如圖2所示，圖中H為側(cè)壁位置，B為鼻梁區(qū)位置。

(4)對所取本體試樣進(jìn)行理化檢驗(yàn)。

2.3 試驗(yàn)結(jié)果

理化檢驗(yàn)結(jié)果如表9—10所示。

表9 理化結(jié)果(側(cè)壁)

表10 理化結(jié)果(鼻梁區(qū))

3 試驗(yàn)分析及討論

根據(jù)表9、表10，將鼻梁區(qū)所測強(qiáng)度硬度值減去側(cè)壁所測數(shù)據(jù)，取絕對值，數(shù)據(jù)整理如表11所示。

表11 數(shù)據(jù)整理表

從表7、表11可以看出：同等碳當(dāng)量(3.95%、3.97%、4.0%)情況下，第1輪、第3輪、第4輪強(qiáng)度差和硬度差相比，第4輪最穩(wěn)定，說明在高碳當(dāng)量情況下，隨流孕育未起到提高強(qiáng)度和斷面均勻性的作用；相反，前3輪強(qiáng)度值還要略小于第4輪。第2輪在相對低碳當(dāng)量情況下，除0.06%隨流孕育劑因隨流孕育加入量較少而造成強(qiáng)度與硬度差波動(dòng)較大，其余3組體現(xiàn)出了比其他4組更好的性能。

從金相上看：除第4輪有少量D型石墨外(如圖3)，其余全為A型石墨(如圖4)，且片長波動(dòng)很小，說明硅鋯隨流孕育劑對石墨形態(tài)的提高作用不大；在珠化體含量上，第2輪、第3輪個(gè)別出現(xiàn)了含量低于95%的共3組(圖5—7)，但也在工藝要求(>90%)范圍內(nèi)；對于共晶團(tuán)，鼻梁區(qū)位置較穩(wěn)定，而側(cè)壁區(qū)波動(dòng)較大。

對于以上結(jié)果，作者認(rèn)為有以下幾個(gè)原因：

(1)S質(zhì)量分?jǐn)?shù)

一般認(rèn)為S在灰鑄鐵中是有害元素，wS值大易產(chǎn)生鑄件“熱裂”和造成硫化夾雜物傾向，所以一般都要求鐵液中的wS≤0.12%或wS≤0.1%，只有上限，沒有下限。用沖天爐熔化，鐵液中的wS量一般都在0.1%左右，而用電爐熔化，鐵液中的wS量一般都在0.015%～0.035%，這樣低的wS量對處理高牌號灰鑄鐵是十分不利的。根據(jù)國內(nèi)長期的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)與國外的資料介紹，灰鑄鐵中的最佳wS量為0.08%～0.12%，最低不能小于0.05%。

試驗(yàn)過程中實(shí)際wS量為0.055%～0.063%，不在灰鑄鐵要求的最佳硫量范圍內(nèi)，這可能是造成孕育效果下降的原因之一。

(2)碳當(dāng)量

HT250至HT350灰鑄鐵都是高強(qiáng)度孕育鑄鐵，孕育作用大小在很大程度上取決原鐵水的過冷度，而影響鐵水過冷的主要因素是兩個(gè)：(1)鐵水溫度，過熱溫度越高，過冷越大；(2)碳當(dāng)量，碳當(dāng)量越低，過冷度越大。

碳當(dāng)量多少合適呢？其原則是未孕育的原鐵水凝固后應(yīng)是白口與麻口組織，即碳是以部分或全部滲碳體出現(xiàn)，孕育后全部為珠光體細(xì)灰口組織。因此在孕育鑄鐵熔制時(shí)主要掌握兩個(gè)環(huán)節(jié)：(1)選擇C、Si的質(zhì)量分?jǐn)?shù)使孕育前鐵水為白口或麻口，或石墨呈D、E型過冷石墨；(2)經(jīng)過孕育后成為細(xì)珠光體與A型石墨。一般情況下HT250至HT350牌號的灰鑄鐵，C的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2.8%～3.3%，Si的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1.0%～1.7%。從成分上看，該公司使用的碳、硅含量都偏高，這可能是用現(xiàn)有孕育劑鐵水孕育效果不好的原因之一。

(3)保溫及孕育溫度

理論上認(rèn)為，原鐵液應(yīng)經(jīng)過適當(dāng)?shù)倪^熱和靜置，以便使鐵液中殘存的石墨晶芽有條件得以消除，也會使懸浮在鐵液中的某些可能作為石墨形核基底的夾雜物從鐵液中上浮而除去，即使鐵液得到一定程序的凈化。為此應(yīng)使鐵液溫度達(dá)到1 450 ℃以上，并在此溫度下靜置10～15 min。但現(xiàn)代鑄鐵理論認(rèn)為，鐵水在沖天爐出鐵后靜置時(shí)間不宜過長，如果時(shí)間過長，鐵水中與孕育劑反應(yīng)的形核核心就會隨時(shí)間的延長而逐漸減少，鐵水可孕育性下降，孕育劑起不到作用。

目前該公司使用的熱風(fēng)沖天爐前雙聯(lián)系的保溫電爐為兩臺80 t電爐，鐵水在其中保溫時(shí)間很難保證不超過10～15 min，保溫時(shí)間過長，造成目前鐵水孕育效果下降。

再就是孕育溫度。高溫時(shí)孕育效果差，主要原因是：孕育后仍有較高的溫度，則孕育后至鐵水凝固的溫差大，凝固時(shí)間長，前者導(dǎo)致鐵水的過冷度增加，后者使孕育衰退加劇，從而削弱了孕育效果。采用澆注時(shí)的瞬時(shí)孕育工藝，需考慮澆注溫度的高低，而該公司的澆注溫度1 420 ℃以上，從理論上來說不利于提高瞬時(shí)孕育效果。

(4)孕育劑種類

資料顯示：目前所用隨流硅鋯孕育劑并不能明顯提高孕育效果，鋯的主要作用在于減少鐵水中的氮含量。這也是造成目前隨流孕育效果不明顯的原因之一。

4 結(jié)論

目前生產(chǎn)的WD615缸蓋的鐵水碳當(dāng)量過高，高溫靜置時(shí)間過長，硫含量偏低，孕育劑孕育效果不明顯，需要進(jìn)一步試驗(yàn)及工藝改進(jìn)，以提高鑄鐵材質(zhì)。

ResearchofStreamInoculationProcessonWD615Cylinder

LI Yonggang1，DONG Zhipeng1，ZHANG Xinghe2

(1.Weichai Heavy Machinery Co.,Ltd.,Weifang Shandong 2611001，China；2.Weichai Power Co., Ltd.,Weifang Shandong 261001，China)

2014-09-09

李永剛(1979—)，男，研究生學(xué)歷，工程師，研究方向?yàn)殍T造工藝開發(fā)的研究和鑄造缺陷研究。E-mail:liyg@weichai.com。