蠕墨鑄鐵汽車零部件 有獨(dú)特優(yōu)勢(shì)
發(fā)布時(shí)間：2017-08-11 17:47 來(lái)源：tommy 閱讀：
一、對(duì)蠕墨鑄鐵的幾點(diǎn)基本認(rèn)識(shí)
鑄鐵中的蠕蟲狀石墨在20世紀(jì)四五十年代發(fā)現(xiàn)球墨鑄鐵時(shí)就已發(fā)現(xiàn)，但由于獲得困難及對(duì)其性能認(rèn)識(shí)不足，直到70年代蠕鐵才開(kāi)始應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)中，比球鐵的應(yīng)用晚了近30年。我國(guó)在七八十年代，研究和應(yīng)用蠕鐵曾風(fēng)靡一時(shí)，后漸轉(zhuǎn)入沉寂。直到21世紀(jì)初，隨著蠕鐵在汽車缸體、缸蓋上的應(yīng)用成功，研究與應(yīng)用又漸多了起來(lái)，且與ADI、高韌性球鐵并稱“新鐵器時(shí)代”的象征。
蠕鐵問(wèn)世40余年來(lái)，業(yè)界對(duì)蠕鐵的一些基本認(rèn)識(shí)并不完全一致，下面僅就筆者認(rèn)識(shí)談點(diǎn)看法。
1．球化率和蠕化率
GB/T 9441—2009對(duì)球化率的定義是：“在放大100倍的光學(xué)顯微鏡視場(chǎng)中球狀石墨（Ⅵ型）和團(tuán)狀石墨（Ⅴ型）個(gè)數(shù)占石墨總個(gè)數(shù)的百分率”。
GB/T 26656—2011對(duì)蠕化率的定義是：“蠕蟲狀石墨（Ⅲ型）和部分團(tuán)狀（Ⅴ型）、團(tuán)絮狀（Ⅳ型）石墨占石墨總面積的百分比”。
ISO 945把鑄鐵中的石墨分為6種類型，即Ⅰ型-片狀，Ⅱ型-蟹狀，Ⅲ型-蠕蟲狀，Ⅳ型-（團(tuán)）絮狀，Ⅴ型-団狀，Ⅵ型-球狀（見(jiàn)圖1），其中Ⅳ型團(tuán)絮狀石墨是退火態(tài)石墨，其他5種都是從鐵液中析出。
球鐵標(biāo)準(zhǔn)中沒(méi)有把Ⅳ型石墨計(jì)入球化率，這是因?yàn)榧词勾嬖谝蛱蓟锔叨嘶鸬那蜩F，退火態(tài)石墨（團(tuán)絮狀石墨）也都數(shù)量較少且球徑較小，而球徑小于2mm(實(shí)際尺寸0.02mm)是不計(jì)數(shù)的，因此對(duì)判斷球化率影響不大；但對(duì)蠕化率而言，對(duì)石墨的面積是有影響的（蠕化率無(wú)法用計(jì)數(shù)法測(cè)定），因此要把團(tuán)絮狀石墨面積也計(jì)算在內(nèi)。
雖然球化率和蠕化率計(jì)算方法不一樣，但其實(shí)質(zhì)是一樣的，即球化率+蠕化率=100%，球化率、蠕化率是互補(bǔ)的。此外，無(wú)論計(jì)算球化率還是計(jì)算蠕化率，都不應(yīng)該出現(xiàn)片狀石墨，若出現(xiàn)片狀石墨，就是材質(zhì)不合格，不存在球化率（或蠕化率）為多少的問(wèn)題。
2．蠕墨鑄鐵和蠕墨鑄鐵鑄件
GB/T 26656—2011對(duì)蠕墨鑄鐵的定義是“碳主要以蠕蟲狀石墨析出存在于金屬基體之中的鑄鐵材料”，其具體技術(shù)要求中，對(duì)石墨形態(tài)的要求是：“蠕墨鑄鐵應(yīng)在其二維拋光平面上觀察到至少有80%的蠕蟲狀石墨，其余的20%應(yīng)該是球狀石墨、團(tuán)狀石墨，不允許出現(xiàn)片狀石墨”。通常所說(shuō)的蠕化率大于80%才稱為“蠕墨鑄鐵”即由此而來(lái)。國(guó)標(biāo)中的定義實(shí)際是直接采用ISO 16112:2006的定義，是不容修改的。實(shí)際上在GB/T 1348—2009中，對(duì)球墨鑄鐵的技術(shù)要求也有“石墨以球狀為主，球化級(jí)別不低于GB/T 9441規(guī)定的球化級(jí)別4級(jí)”這樣的詞句，球化4級(jí)即球化率為70%，這句話說(shuō)白了就是球化率低于70%不屬于球墨鑄鐵。也就是說(shuō)，球化率大于20%而小于70%的鑄鐵或者說(shuō)蠕化率大于30%而小于80%是什么鑄鐵，并沒(méi)有定義，但這并沒(méi)有影響這類鑄鐵在實(shí)際上的使用。有部分人士認(rèn)為，既然蠕化率+球化率=100%，那么除了球化率大于70%的部分劃分球鐵，剩余的都屬蠕鐵吧。這種觀點(diǎn)沒(méi)有得到主流界的認(rèn)可，因?yàn)槿菀自斐烧`解，認(rèn)為蠕化率控制范圍寬，怎么做總是蠕鐵。
影響石墨形態(tài)的除了化學(xué)成分和工藝方法外，還有冷卻速度，灰鑄鐵如此，球鐵、蠕鐵也如此。比如同一蠕鐵缸體，其缸頂面、缸筒面蠕化率為80%以上，而曲軸箱面（壁厚3.5~5mm，非加工面）蠕化率就可以低于60%，但并不影響加工和使用。因此，在GB/T 26655—2011中技術(shù)要求，還有一句話是：“由于鑄件的復(fù)雜性，蠕墨鑄鐵件應(yīng)根據(jù)其工況、服役的條件，由供需雙方商定蠕化率。”這也就是把蠕墨鑄鐵和蠕墨鑄鐵件分成兩個(gè)既有聯(lián)系又有所不同的概念。
ISO 16112:2006 為什么把蠕墨鑄鐵的界限確定在蠕化率≥80%？這是因?yàn)椋?br />
（1）蠕化率≥80%比較穩(wěn)定，隨球化劑含量（如Mg殘%）變化影響較小（見(jiàn)圖2），因而可以控制。若定為50%~70%，則Mg殘的影響十分敏感，實(shí)際生產(chǎn)中很難控制。筆者公司曾做過(guò)用超聲波測(cè)定蠕化率的試驗(yàn)，圖3即為蠕化率與超聲波關(guān)系顯示。從圖中可以看出，在蠕化率為76%以上，超聲波變化不敏感，而蠕化率小于76%時(shí)，超聲波對(duì)蠕化率的變化十分敏感。
?。?）大量試驗(yàn)表明，鐵液變質(zhì)成蠕鐵后，較之灰鑄鐵除了強(qiáng)度有了突變，可提高75%~100%外，其他如鑄造性能、收縮性能、機(jī)加工性能、導(dǎo)熱性能都變化不大，生產(chǎn)中可以用原灰鑄鐵的工裝（鑄模）和工藝?yán)^續(xù)生產(chǎn)，不需要修改縮尺甚至澆冒系統(tǒng)。而若蠕化率低于80%，則收縮傾向明顯增加，加工性能也變得更差，原工裝或工藝就可能不適用了。
?。?）允許同一鑄件上不同部位存在不同的蠕化率。如內(nèi)燃機(jī)的缸體、缸蓋，只要保證主要工作面和加工面蠕化率不低于80%，對(duì)非加工面或壁薄處（如缸體的曲軸箱、缸蓋的加強(qiáng)筋條）蠕化率可以低些，因此規(guī)定主要工作面蠕化率不低于80%，不會(huì)影響蠕鐵件的推廣應(yīng)用。
把蠕墨鑄鐵和蠕墨鑄鐵件分成兩個(gè)概念，有利于促進(jìn)蠕鐵的應(yīng)用。如汽車排氣管、渦輪增速器殼體等零件，都是薄壁件（主要壁厚大多為4~5mm），加工面也不是太多，蠕化率就可以定得低些（如管壁處蠕化率≥50%），有些件不加工，使用中又認(rèn)為蠕化率低些更好鑄件（如鋼錠模），蠕化率也可以定為≥30%，當(dāng)然，這都需要供需雙方共同商定。
二、蠕墨鑄鐵的生產(chǎn)技術(shù)
按堤信久的劃分，可把制取蠕鐵的方法分為三類，即半球化法；干擾法；弱球化法。
1．半球化法
以球化劑作蠕化劑，加入不足量的球化劑，使其球化不良而成蠕鐵。這種方法極難控制獲得滿意的蠕化率。20世紀(jì)70年代有工廠采用這方法生產(chǎn)蠕鐵，使用沖天爐熔煉，事先測(cè)定鐵液中的含S量，控制好鐵液溫度和出液量，根據(jù)鎂和稀土的吸收率確定最終的蠕化劑加入量，可得到合格的蠕鐵。
另一種方法是先把鐵液處理成球鐵，測(cè)定其Mg殘和Re殘，再兌入一定量的灰鐵鐵液，最終成為蠕鐵。這種方法同樣難以控制。
2.干擾法
配制一種蠕化劑，其成分包括球化元素Mg，球化干擾元素Ti，另外還配一定的Re和Ce，使其反應(yīng)平穩(wěn)。東風(fēng)汽車公司鑄造一廠20世紀(jì)80~90年代在造型自動(dòng)線上大量流水生產(chǎn)蠕鐵排氣管即采用這類蠕化劑，其含Mg量為4.5%~5.5%(MgO＜1%)，Ti 3%~5%（利用生鐵中含有的一部分Ti，原鐵液含Ti 量為0.04%~0.07%），Re 1%~3%，Ca 2%~4%，Si 42%~46%，余為Fe。沖入法處理，加入量1.1%~1.3%，生產(chǎn)很穩(wěn)定。這種蠕化劑比較適用于電爐鐵液生產(chǎn)薄壁蠕鐵件，反應(yīng)平穩(wěn)，渣量少。20世紀(jì)七八十年代，國(guó)外也大多采用干擾法生產(chǎn)蠕鐵。
3.弱球化法
Ca、Re都有一定的球化能力，但球化能力都不如Mg，恰好可用蠕化劑。Ca與S、O的親和力比Mg強(qiáng)，能夠有效的脫S除氧，作球化劑用時(shí)可減少M(fèi)g的加入量，作蠕化劑用則延緩石墨由蠕蟲狀轉(zhuǎn)變到球狀的過(guò)程，放寬合金加入量的范圍。但Ca造成渣量大，且易形成氧化殼，很少單獨(dú)用Ca作蠕化劑。Re對(duì)石墨球化有明顯作用，但石墨圓整度比Mg處理得要差，容易出現(xiàn)團(tuán)狀或蠕蟲狀（團(tuán)片狀）石墨。因此，稀土硅鐵是很好的蠕化劑。為了解決自沸騰問(wèn)題，一般加入3%~4%的Mg，同時(shí)還2%~4%的Ca以減少Re的白口傾向和加大合金加入量范圍。稀土含量多選擇8%~10%或13%~15%。輕稀土包含La、Ce等17種元素，其中Ce約占一半左右。有試驗(yàn)表明，如果適當(dāng)調(diào)整La、Ce含量比例，使La量高于Ce，蠕化效果更好一些。蠕化劑加入量以確保蠕鐵中Re殘 0.035%~0.055%，Mg殘 0.008%~0.015%為宜，但Ce和Mg的吸收率同鐵液中的硫、氧和液溫有關(guān)，計(jì)算時(shí)應(yīng)注意。
作為處理方法，大體可分為“一步法”和“兩步法”兩種。
沖入法是常用的”一步法”，其操作要點(diǎn)與球化處理相同，只是將球化劑換作蠕化劑。由于蠕化劑多以稀土為主，鎂量較低，反應(yīng)時(shí)很少沸騰和鎂光，故不必采用蓋包處理。喂絲法可為一步，也可為兩步。可以將蠕化絲直接插入鐵液中進(jìn)行蠕化處理，即一步處理成蠕鐵，而Sintercast法則是兩步喂絲法：第一步，加入蠕（球）化劑，使鐵液成為蠕化不足狀態(tài)；第二步，根據(jù)取樣分析結(jié)果用喂絲法補(bǔ)加Mg量使其成為理想的蠕鐵。國(guó)內(nèi)也有人第一步處理成球鐵，第二步喂含S的絲使鐵液成為合格的蠕鐵。
選用哪種處理方法?應(yīng)根據(jù)零件的產(chǎn)量和復(fù)雜程度、重要程度以及企業(yè)實(shí)力綜合考慮。圖4大致顯示了兩種蠕化方法的各自應(yīng)用范圍。年產(chǎn)量越高，鑄件越重要、越復(fù)雜，則選擇以Sintercast為代表的兩步法較為有利。
圖4 對(duì)過(guò)程控制的需求是隨年產(chǎn)量、鑄件復(fù)雜性和質(zhì)量要求的提升而增加的
蠕鐵的孕育，強(qiáng)化孕育會(huì)增加灰鑄鐵和球鐵的石墨核心數(shù)，但在蠕鐵中，強(qiáng)化孕育會(huì)使石墨球增多，蠕化率降低，因此在蠕鐵生產(chǎn)中，不宜隨意增大孕育量或增加孕育次數(shù)。
三、蠕鐵在汽車零件上的應(yīng)用
?。?）缸蓋、缸體
商用車發(fā)動(dòng)機(jī)的缸蓋、缸體采用蠕鐵材質(zhì)已基本得到認(rèn)可，國(guó)內(nèi)商用車內(nèi)燃機(jī)主流生產(chǎn)廠家都已成功開(kāi)發(fā)出了蠕鐵缸蓋、缸體鑄件，產(chǎn)量也逐年有所增加，尤其是玉林柴油機(jī)集團(tuán)鑄造廠，其蠕鐵缸蓋產(chǎn)量已占缸蓋總量的30%，產(chǎn)量、質(zhì)量、綜合廢品率均為行業(yè)內(nèi)領(lǐng)先。
由于商用車發(fā)動(dòng)機(jī)功率越來(lái)越大，排放越來(lái)越嚴(yán)，對(duì)缸體、缸蓋材質(zhì)要求也越來(lái)越高。目前在材質(zhì)的發(fā)展上有兩條途徑，一是在高碳當(dāng)量前提下（CE≥3.8%~3.9%），利用低合金化，以強(qiáng)化孕育來(lái)強(qiáng)化二次枝晶，生產(chǎn)HT300甚至HT350，二是生產(chǎn)以珠光體基體為主的蠕鐵，如RuT400、RuT450。筆者認(rèn)為，蠕鐵比高牌號(hào)灰鐵有更高的強(qiáng)度、更好的鑄造性能、耐熱性能和更低的成本，應(yīng)重點(diǎn)發(fā)展。
乘用車缸體是蠕鐵發(fā)展的一個(gè)非常重要的領(lǐng)域。當(dāng)前在汽車“輕量化”的口號(hào)之下，都把注意力放在鋁、鎂合金上，這是因?yàn)楫?dāng)前的汽車排放法規(guī)把評(píng)估只放在尾氣排放上。美國(guó)金屬材料協(xié)會(huì)（ASM）理事主席John指出：“只關(guān)注尾氣排放可能會(huì)增加一輛汽車的生命周期溫室氣體排放，這是因?yàn)檩p量化替代材料比鋼鐵在生產(chǎn)過(guò)程中產(chǎn)生的排放高5~20倍”。表1列出了生產(chǎn)鐵和鋁時(shí)能耗和排放物的比較，可以看出，熔煉1t原生鋁要比鐵的能耗多出9倍。
因此如果站在全球環(huán)境高度而不僅僅某個(gè)行業(yè)的角度看，這樣的輕量化并不是十分妥當(dāng)。
即使站在行業(yè)的角度看，蠕鐵在輕量化方面也比鋁合金有優(yōu)勢(shì)。20世紀(jì)90年代末，歐寶公司采用蠕鐵生產(chǎn)了2.5L V6DTM賽車缸體，與標(biāo)準(zhǔn)灰鐵缸體相比，功率提高了172%，功率比提高了70.2%（見(jiàn)表2）。在這基礎(chǔ)上開(kāi)發(fā)的2L系列4缸缸體，減重25.7%，功率比提高29.8%（見(jiàn)表3）。
不僅與灰鑄鐵缸體相比，蠕鐵有優(yōu)勢(shì)，即使同鋁缸體相比，蠕鐵缸體優(yōu)勢(shì)同樣明顯。圖5是奧迪蠕鐵缸體和奔馳鋁缸體的比較。同為3.0L V6發(fā)動(dòng)機(jī)缸體，兩者扭矩和功率相當(dāng)，但奧迪發(fā)動(dòng)機(jī)長(zhǎng)度減短了125mm，重量減輕了15kg。盡管蠕鐵缸體本身比鋁合金缸體重，但蠕鐵的性能允許奧迪工程師制造出更小的發(fā)動(dòng)機(jī)，圓滿地完成了開(kāi)發(fā)任務(wù)。
（2）排氣管
?。?）制動(dòng)鼓
四、結(jié)束語(yǔ)
?。?）蠕墨鑄鐵自20世紀(jì)70年代用作工程材料以來(lái)，有過(guò)輝煌，有過(guò)沉寂。在稱之為“新鐵器時(shí)代”到來(lái)的今天，蠕墨鑄鐵應(yīng)占有一席之地。
?。?）真正意義上的“綠色環(huán)保”，要評(píng)估產(chǎn)品的“生命周期”能耗，即從大自然中開(kāi)采到制成產(chǎn)品供人們使用所耗去的所有能量。從這個(gè)意義上來(lái)說(shuō)，汽車界的“輕量化”不僅僅是使用密度低的鋁鎂合金，鋼鐵仍是大有作為的。
?。?）可以把“蠕墨鑄鐵”和“蠕墨鑄鐵件”分別看待，根據(jù)實(shí)際情況確定蠕墨鑄鐵件上的蠕化率。
?。?）蠕墨鑄鐵的生產(chǎn)方法有多種，共同點(diǎn)就是嚴(yán)格控制工序質(zhì)量，減少過(guò)程中的各種變差，不斷提高生產(chǎn)過(guò)程中的工程能力指數(shù)（Cpk值）。
?。?）應(yīng)大力推進(jìn)蠕鐵缸體缸蓋在商用車發(fā)動(dòng)機(jī)上的應(yīng)用，積極開(kāi)發(fā)乘用車蠕鐵缸體的生產(chǎn)技術(shù)。
