曾華賓，何宗南，魏五洲，黃光宇

（柳州五菱柳機動力有限公司，廣西 柳州545005）

0 引言

近年來，隨著中外技術(shù)合作的加強，我國相繼引進了國外多種車型及機型，國產(chǎn)化灰鑄鐵缸體毛坯越來越多，生產(chǎn)工藝及技術(shù)條件也越來越成熟。然而灰鑄鐵缸體在力學性能、金相組織與國外鑄件相當?shù)那闆r下，在同樣的加工條件下，國產(chǎn)化的毛坯普遍存在切削加工性能差、刀損大、加工速度慢、加工精度差等問題，嚴重制約生產(chǎn)能力。有些缸體加工廠限制國產(chǎn)件上線數(shù)量，甚至拒絕國內(nèi)鑄造廠商提供的缸體上線，強烈要求缸體鑄件供應(yīng)商改善材料的切削加工性能[1-3]。

缸體做為發(fā)動機的核心部件，其鑄件壁薄，尺寸精度、力學性能要求高，還需具有良好的耐磨性能、加工性能，由于鑄件力學性能與機加工性能的相互矛盾，造成實際生產(chǎn)過程中難度很大。造成灰鑄鐵鑄件切削加工性能差的原因比較復雜，影響鑄件加工性能的因素眾多，目前國內(nèi)對灰鑄鐵件切削加工性能至今沒有有效的測試方法，也沒有統(tǒng)一的評價標準，這增加了改善其加工性能的難度。筆者公司結(jié)合實際生產(chǎn)情況，通過采取改善缸體表面光潔度，優(yōu)化毛坯各面加工余量，調(diào)整爐料配比及化學成分，改進熔煉及孕育工藝，優(yōu)化鑄造工藝等一系列措施，使灰鑄鐵缸體切削加工性能達到進口缸體水平。

1 灰鑄鐵缸體鑄件簡介

B系列缸體是筆者公司汽油機關(guān)鍵產(chǎn)品之一，缸體鑄件尺寸：333 mm×302 mm×242 mm，質(zhì)量30 kg，材料牌號HT250，采用sawelli（意大利）多觸頭靜壓水平有箱造型線生產(chǎn)。鑄件材料化學成分要求見表1，力學性能與金相組織要求見表2。

表1 B系列缸體鑄件化學成分控制范圍

表2 B系列缸體鑄件力學性能與金相組織控制范圍

2 原灰鑄鐵缸體的加工性能

灰鑄鐵B系列缸體有15道切削加工工序，相比進口同產(chǎn)品缸體，各工序刀具壽命降低程度不一。經(jīng)過統(tǒng)計分析，發(fā)現(xiàn)缸體前后端兩側(cè)面的粗銑（T201-OP10）、半精銑（T261）、精銑（T285）的刀具壽命降低最為嚴重，占總刀具成本增加值的83%，見表3。因此，將缸體前后端兩側(cè)面的刀具壽命做為提高切削加工性能的考核依據(jù)。

表3 改進前磨損異常的刀具壽命統(tǒng)計分析

3 影響灰鑄鐵缸體的切削加工性能因素

由于影響灰鑄鐵缸體切削加工性能的因素眾多，且不同鑄造廠的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)、鑄造工藝及生產(chǎn)條件存在差異，導致改善灰鑄鐵缸體切削加工性能的方法不能完全照搬、復制其它缸體加工性能優(yōu)異的鑄造廠，各鑄造廠只能因地制宜，找出最適合自己工廠的生產(chǎn)工藝。以下為筆者公司在改善灰鑄鐵缸體切削加工能方面做的一些典型調(diào)查分析與生產(chǎn)試驗，僅供同行參考。

3.1 硬度

通常來說，灰鑄鐵硬度越高，其切削加工性能越差。由圖1可以看出，進口件缸體的硬度比國產(chǎn)件的硬度整體要高出約10HB，但其加工性能反而比國產(chǎn)件要好很多，由此可見，硬度與加工性能的相關(guān)性不大。

圖1 國產(chǎn)件與進口件硬度比較

3.2 毛坯表面光潔度

在對比進口件缸體毛坯及國產(chǎn)件的前后端兩側(cè)表面外觀時，如圖2、圖3，發(fā)現(xiàn)國產(chǎn)件毛坯表面存在粘砂現(xiàn)象，即毛坯表面的光潔度差。粘砂就是液態(tài)金屬通過毛細管滲透或氣相滲透方式鉆入砂芯表面砂粒間隙，在鑄件表面形成的金屬和砂粒機械混合的粘附層。由于粘砂層的硬度很高，與鑄件表面結(jié)合牢固，刀具切削粘砂表面就像在磨“砂輪”，急速加劇磨損，刀具壽命會嚴重下降。

經(jīng)過調(diào)查發(fā)現(xiàn)，筆者公司所生產(chǎn)的坭芯局部表面致密度較差，存在松砂現(xiàn)象，容易導致鑄件粘砂。為了解決粘砂問題，筆者公司對制芯模具進行了工藝優(yōu)化，改善坭芯緊實度；適當調(diào)整覆膜砂配方及粒度，增強坭芯耐火度及致密度；對坭芯易粘砂部位采用刷涂涂料工藝。通過上述一系列措施，鑄件表面的粘砂問題得到了有效解決，毛坯表面的光潔度與進口件相當。

圖2 國產(chǎn)件-粘砂嚴重

圖3 進口件-表面光潔

3.3 加工余量

灰鑄鐵缸體毛坯前后端兩側(cè)面加工余量圖紙要求為（3±1）mm，而實際生產(chǎn)過程中由于設(shè)計、生產(chǎn)工藝及工裝設(shè)備等原因，加工余量往往有所波動，會存在與理論偏差現(xiàn)象。為進一步調(diào)查前后端兩側(cè)面切削加工性能差問題，筆者公司采用三坐標測量儀，在前后端兩側(cè)面各位置分別采取有代表性的測量點進行加工余量分析。如圖4，進口件的加工余量在2～3 mm范圍內(nèi)，國產(chǎn)件的加工余量在3～4 mm范圍內(nèi)，即國產(chǎn)件的加工余量在圖紙要求的上限，而進口件的加工余量在圖紙要求的下限。國產(chǎn)件整體加工余量比進口件要多約1 mm，鑄件毛坯切削量大，相應(yīng)的刀具磨損肯定加劇，這也是國產(chǎn)件切削性能較差的因素之一。為此，筆者公司對缸體毛坯前后端面加工余量進行了優(yōu)化，控制在2～3 mm范圍內(nèi)，向進口件看齊。

圖4 國產(chǎn)件與進口件前后端兩側(cè)面加工余量比較

3.4 爐料配比

隨著原輔材料的價格上漲，特別是生鐵價格的上漲使鑄件成本增加；同時由于生鐵長期大量使用，其遺傳作用越來越明顯，粗大石墨量增加，性能和組織出現(xiàn)一定程度的惡化，致使越來越多的鑄造企業(yè)開始使用合成鑄鐵工藝，這方面，國外企業(yè)已經(jīng)普及了。合成鑄鐵采用的是“廢鋼+晶體石墨增碳劑+合金”的工藝方案，由于取消了生鐵的加入，從而消除了生鐵粗大石墨的影響，再適當調(diào)整鐵液的化學成分，改善石墨形態(tài)，使石墨細化，增加石墨數(shù)量及均勻性。據(jù)資料介紹，進口缸體相比國產(chǎn)缸體石墨細小均勻，有利于在切削加工時切屑的變形，尤其是在高速粗加工切削和精加工切削是，細小的石墨均勻分布，能顯著提高切屑的變形，降低對刀具的摩擦，提高刀具切削加工壽命[2]。

筆者公司綜合工藝、生產(chǎn)效率、成本等因素，結(jié)合生產(chǎn)實際情況，將爐料配比由原來的生鐵∶廢鋼∶回爐料=3∶3∶4 調(diào)整為生鐵∶廢鋼∶回爐料=1∶6∶3。爐料配比改進前的鑄件石墨為3-4級A形，少量塊狀；改進后的鑄件石墨為4-5級A形，微量塊狀。

3.5 孕育工藝

孕育處理就是在鐵液進入鑄件型腔前，把孕育劑加到鐵液中以改變鐵液的冶金狀態(tài)，從而改善鑄鐵的結(jié)晶特征、顯微組織和性能[3]。目前已經(jīng)研制開發(fā)了多種多樣的孕育劑，每種孕育劑都有不同的孕育目的，分別在提高抗拉強度，減少斷面敏感性，減少白口傾向，改善石墨形態(tài)、硬度、組織均勻性及提高抗衰退能力等方面各有所長。

筆者公司原工藝采用二次孕育：中轉(zhuǎn)包內(nèi)加入0.3%～0.5%的RE-Ca-Ba孕育劑，氣壓保溫機澆注時隨流加入0.1%的SiSr孕育劑。在取樣分析缸體毛坯前后端兩側(cè)面的金相組織時發(fā)現(xiàn)，毛坯側(cè)面拐角3 mm內(nèi)處存在約20%碳化物組織，個別區(qū)域碳化物富集，見圖5。由于碳化物硬度極高，刀具切削時會急劇磨損，從而嚴重惡化灰鑄鐵缸體的切削加工性能。為了消除灰鑄鐵缸體前后端面拐角處的碳化物，筆者公司做了大量的生產(chǎn)試驗，同時邀請孕育劑專業(yè)廠家來筆者公司指導、試驗并制定新的孕育工藝方案。由于筆者公司采用的是氣壓保溫澆注機澆注，鐵液從中頻爐轉(zhuǎn)到澆注機保溫，受生產(chǎn)線節(jié)拍的影響，澆注機內(nèi)鐵液形核能力差，白口傾向大。經(jīng)過生產(chǎn)試驗驗證，公司最終選定的孕育工藝方案為：爐前加入0.1%的預處理劑，為石墨析出和生長創(chuàng)造一個長期、穩(wěn)定的核心，從而提高孕育效果并減少對孕育量的需求；中轉(zhuǎn)包內(nèi)加入0.2%～0.3%的SiSr孕育劑，消除鑄件白口，提高抗衰退能力；氣壓保溫機澆注時隨流加入0.08%的SiSr孕育劑。孕育工藝改進后，灰鑄鐵缸體前后端面拐角處的碳化物基本消除，從而有效提高缸體的切削加工性能，見圖6。

圖5 改進前基體100X

圖6 改進后基體100X

3.6 化學成分

為了確定國產(chǎn)件灰鑄鐵缸體與進口件的化學成分差別，取進口本體做了化學分析，結(jié)果見表4，從表中可以看出，筆者公司的S與Sn含量明顯比進口件要低，其它元素都相當。S在灰鑄鐵中的作用已經(jīng)從認為有害轉(zhuǎn)變到適量的S可以改善切削性能、孕育效果和石墨形態(tài)，通常認為S含量在0.08%～0.12%是有利的。Sn是一種強烈促進基體珠光體化的元素，其作用是Cu的10倍，同時也促進石墨析出，細化石墨，提高組織均勻性，改善灰鑄鐵的加工性能，通常認為Sn含量不要超過0.12%。為了確定S和Sn的影響，筆者公司做了小中大批次的生產(chǎn)試驗及加工驗證，最后對化學成分進行了調(diào)整，將S含量調(diào)整為0.07%～0.09%，Sn含量調(diào)整為0.07% ～0.08%。

表4 工藝改進前缸體與進口件化學成分對比 WB（%）

經(jīng)過上述一系列改進措施后，筆者公司在客戶端進行了大批量的生產(chǎn)加工驗證，統(tǒng)計結(jié)果顯示，筆者公司灰鑄鐵缸體切削加工性能與進口件相當，見表5。

表5 改進后刀具壽命統(tǒng)計分析

4 結(jié)束語

通過采取改善缸體表面光潔度，優(yōu)化毛坯加工余量，改進爐料配比及孕育工藝，調(diào)整化學成分等一系列措施，筆者公司使灰鑄鐵缸體切削加工性能達到進口缸體水平。