發(fā)動機缸體缸蓋是結(jié)構(gòu)復(fù)雜、壁厚不均勻鑄件，鑄造性能的好壞直接影響到鑄件質(zhì)量。在鑄件生產(chǎn)過程中熔化工藝是非常關(guān)鍵的一個環(huán)節(jié)，鑄件質(zhì)量和力學性能是否符合要求、鑄件成本是否得到良好的控制跟熔化配料及合金加入量密切相關(guān)。為提高鑄件的性能和降低成本，合理選擇化學成分、優(yōu)化爐料配比、鐵液過熱靜置、改善孕育處理以及優(yōu)化合金元素含量等工藝是生產(chǎn)優(yōu)質(zhì)鑄件。降低生產(chǎn)成本的關(guān)鍵措施。本文就發(fā)動機缸體缸蓋熔煉有關(guān)的工藝改進措施總結(jié)如下，供探討。
1 原工藝生產(chǎn)條件及存在問題
筆者公司生產(chǎn)的康明斯系列柴油機發(fā)動機缸體缸蓋鑄件（不鑲缸套）重 50～250 kg，平均壁厚為5 mm，材質(zhì)HT250。要求本體抗拉強度≥207 MPa，硬度179-241 HB，鑄件不允許有砂眼、渣眼、縮松、裂紋等缺陷。
采用10噸中頻感應(yīng)電爐熔化鐵液，過熱溫度為 1 510～1 530 ℃。2012年前，配料時生鐵:廢鋼:回爐料為5:2:3，熔煉時在中頻爐底部1/3處隨爐料加入50 kg未經(jīng)過高溫煅燒的普通增碳劑，熔化過程中加入Si、Cu、Mn、Cr、Sn元素，出爐時加入硅鋇孕育劑進行孕育處理，澆注時加入硅鍶孕育劑隨流孕育，澆注時間為18～22 s。
原工藝生產(chǎn)的缸體缸蓋熔煉時生鐵及合金加入比例大，生產(chǎn)成本高，鑄件組織粗大，A型石墨大小通常在3級左右，鑄件本體強度及硬度散差大，鑄件精加工表面RZ＞15，鑄件機械加工性能差，氣密性試驗時鑄件泄露率在2％以上，客戶抱怨大。因此，優(yōu)化熔化工藝，改善鑄件力學性能，提高鑄件基體組織的致密性、改善鑄件加工性能、降低生產(chǎn)成本成為筆者公司近年來面臨的重點課題。
2 優(yōu)化發(fā)動機缸體缸蓋熔化工藝的幾種措施
2.1 高溫石墨化增碳劑+廢鋼的合成鑄鐵熔煉工藝
生鐵中存在具有遺傳性的過共晶石墨，在熔化時，碳原子在原始石墨上生長造成石墨粗大且大小不均勻，石墨尖頭的應(yīng)力集中效應(yīng)，降低了鑄件的力學性能。因此以生鐵為主的配料工藝，即使加入較高的合金元素，鑄件本體強度偏低，硬度偏高。隨著合成鑄鐵技術(shù)在鑄造行業(yè)推廣應(yīng)用，筆者公司自2012年起成功試驗推廣“廢鋼+高溫石墨化增碳劑+少量生鐵”的合成鑄鐵工藝，代替了“生鐵+普通增碳劑+廢鋼+合金”原生產(chǎn)工藝，生鐵:廢鋼:回爐料=0.5:6.5:3，選用經(jīng)過高溫石墨化處理的晶體型增碳劑增碳，每爐分批加入150 kg。
采用合成鑄鐵工藝，消除了生鐵中粗大石墨的遺傳性，石墨大小為4～5級，石墨形態(tài)得到改善，使石墨分布更均勻，同時降低了鑄件的縮松傾向，改善了鑄件的加工性能。
2.2 鐵液的過熱靜置
在一定范圍內(nèi)提高鐵液的過熱溫度，延長高溫靜置時間，能使石墨細化，基體組織細密，抗拉強度提高；若進一步提高過熱溫度，鐵液的形核能力下降，石墨形態(tài)變差，甚至出現(xiàn)自由滲碳體，使得強度性能范圍下降，因此存在一個“臨界溫度”。一般認為，普通灰鑄鐵的臨界溫度1 500～1 550 ℃左右[1]。筆者公司采用過熱溫度1 510～1 530 ℃生產(chǎn)發(fā)動機缸體缸蓋，高溫靜置5～10 min，石墨形態(tài)得到改善，本體強度及穩(wěn)定性得到提高。由于高溫靜置和長時間鐵液保溫會造成碳的損失及形核核心的減少，在鐵液出爐時加入0.03％～0.06％增碳劑（粒度0.3～0.8 mm）進行預(yù)處理，增加鐵液的形核核心，并起到一定的孕育作用。
2.3 孕育處理及孕育劑的選用
對于灰鑄鐵，孕育的實質(zhì)是借助孕育劑去影響鐵液的共晶反應(yīng)，良好的孕育處理是灰鑄鐵獲得細小均勻的A型石墨、消除碳化物及過冷組織，減少斷面敏感性及硬度散差，改善鑄件力學性能及加工性能的基本保障。
2.3.1 出爐孕育
合成鑄鐵因使用大量的廢鋼及增碳劑，鐵液中氮含量急劇升高，氮元素在鐵液中可成為碳化物的穩(wěn)定劑，促進碳化物的形成，它對石墨生長過程有影響，并能促進珠光體形成[2]。另外氮可使石墨片長度縮短，彎曲程度增加，端部鈍化，共晶團細化和珠光體數(shù)量增多，從而提高其力學性能[3]。但是當鐵液中氮含量達到120～150 ppm時，鑄件將產(chǎn)生枝晶間裂隙狀氮氣孔，氮氣孔缺陷常常與縮松缺陷相混淆，不少鑄造廠將其作為縮松缺陷開展技術(shù)攻關(guān)，因判斷錯誤致使措施無效[4]。
鋯在鐵液中能生成ZrC、Al3Zr、ZrN，降低鐵液中的溶解氮，基本消除鑄件的氮氣孔缺陷，同時增加析出和細化奧氏體枝晶，增加石墨結(jié)晶核心促進鐵液石墨化，提高鑄鐵的強度，筆者公司采用合成鑄鐵工藝生產(chǎn)時，出爐孕育選用硅鋇鋯孕育劑，加入量0.25％～0.3％。
2.3.2 隨流孕育
孕育衰退是孕育處理過程不容忽視的問題，相比出爐孕育，隨流孕育鐵液溫度較低且孕育時間延后，從而明顯減少孕育衰退現(xiàn)象，提高孕育效果。對致密性要求高的發(fā)動機缸體缸蓋灰鑄鐵件，一般選擇0.05％～0.1％的硅鍶孕育劑。硅鍶孕育劑能夠有效促進共晶石墨化、減少鐵液的白口，但不顯著增加共晶團數(shù)，不增加鐵液的縮松傾向，對降低鑄件滲漏具有顯著的作用。
筆者公司2008年以前采用出爐孕育加倒包孕育兩種孕育方式，孕育劑均為硅鋇，生產(chǎn)的康明斯4B缸蓋，滲漏廢品率高達10％左右，后采用硅鍶隨流孕育后，滲漏廢品率降至3.52％，對比數(shù)據(jù)見表2。
2.4 SiC在爐料中的應(yīng)用
碳化硅是一種硅基生核劑，熔點達2 700 ℃，在鐵液中不熔化，按SiC+Fe=FeSi+C（非平衡石墨）熔融于鐵液，式中SiC里的Si與Fe結(jié)合，余下的C即非平衡石墨，作為石墨析出的核心[5]。并且碳化硅還是很好的脫氧劑，灰鑄鐵、球墨鑄鐵和可鍛鑄鐵都是通過SiC+FeO=Si+Fe+CO這個反應(yīng)，用SiC來降低渣中FeO和MnO的含量[6]，從而凈化鐵液，減少爐壁氧化，延長爐壁壽命，而且碳化硅可以達到增硅、增碳的目的。
碳化硅是一種具有“富足核心”美稱的物質(zhì)，它作為鑄鐵合金的添加劑，減少了鑄件白口傾向，增強石墨形核能力和增加石墨形核中心，得到數(shù)量適中的共晶團數(shù)，形成符合要求的石墨形狀和分布，應(yīng)用了合成鑄鐵熔化工藝后，爐料中廢鋼比例過高引起鐵液核心數(shù)過少時，碳化硅的成核效應(yīng)可起到關(guān)鍵的作用[7]。筆者通過不加碳化硅和加入1％碳化硅兩種熔化工藝對鑄件金相組織（缸體缸筒部位）進行比較，見圖1。由圖1可以看出，熔煉時加入一定量的碳化硅對提高冶金質(zhì)量、改善石墨形態(tài)有明顯的效果。
（a）不加碳化硅 100×
（b）加入1％碳化硅 100×
圖1 缸體鑄件的金相組織
2.5 合金元素的選擇及加入量
灰鑄鐵的金屬爐料一般由生鐵、廢鋼、回爐料和合金元素組成，眾所周知，合金元素有促進珠光體，強化基體組織，提高鑄件力學性能和使用性能的作用。一般認為，鑄鐵中除碳和鐵外，有意加入的金屬元素均作為合金元素。筆者公司生產(chǎn)發(fā)動機缸體缸蓋加入的合金元素有Si、Cu、Mn、Cr、Sn，合金元素加入量超過一定范圍后對鐵液質(zhì)量及鑄件強度會產(chǎn)生負面影響，并且隨著合金元素加入量的增加，生產(chǎn)成本相應(yīng)提高。所以在采用了合成鑄鐵技術(shù)、應(yīng)用了碳化硅和硅鋇鋯孕育劑基礎(chǔ)上，適當降低合金的比例是節(jié)省材料、降低生產(chǎn)成本的重要途徑，也是降低鐵液收縮傾向、改善鑄件加工性能的關(guān)鍵因素。
2.5.1 硅
鑄鐵中的硅由原鐵液硅和孕育增硅組成。資料指出，生產(chǎn)灰鑄鐵時，孕育劑帶進鐵液中硅的質(zhì)量分數(shù)不大于0.3％[8]。一定條件下，每種孕育劑都有其最佳加入量。過多的使用孕育劑不會帶來更大的孕育效果，反而浪費孕育劑、降低鐵液溫度、增加鑄件的收縮及氣孔和夾渣等缺陷。孕育不足，鐵液中有效的形核核心過少，鐵液過冷傾向及過冷石墨增加。
硅是強烈促進石墨化的元素，是鑄鐵中的主要組元，硅強烈削弱Fe-C結(jié)合鍵，明顯擴大TEG～TEM區(qū)間以及顯著提高TEG三個方面影響石墨的析出，故硅比碳有更強的石墨化能力。文獻指出，當w(Si)＜1.2％，即使將碳量升高至w(C)＞3.5％也難獲得完全的灰口凝固[9]。因此，孕育前原鐵液必須要有一定的硅含量，其可來自生鐵、熔煉過程中隨爐料加入的硅鐵或碳化硅。原鐵液中硅含量取決于鑄件大小及結(jié)構(gòu)，一般認為，冷卻速度相對較快的汽油機缸體缸蓋鑄件，原鐵液中硅含量要求相對較高，而冷卻速度相對較慢的柴油機缸體缸蓋原鐵液中硅相對要低。通過試驗對比，在相同孕育量（0.3％硅鋇鋯出爐孕育和0.05％硅鍶隨流孕育）、相同碳化硅用量及相同合金含量條件下，w(C)=3.2％～3.35％之間時，原鐵液中硅從1.4％增加到2.0％，碳化物及鐵素體減少，石墨長度變長，滲漏傾向增加。如表3所示。
由此可知，在同等孕育條件下，原鐵液中硅對灰鑄鐵石墨等級具有一定的影響，筆者公司生產(chǎn)的康明斯柴油機缸體缸蓋鑄件，原鐵液硅控制在1.6％～1.7％。
2.5.2 錳
錳是阻礙石墨化、促進碳化物形成的元素，在鑄鐵生產(chǎn)中Mn和S同時存在，Mn、S對灰鑄鐵組織和性能的影響取決于是否發(fā)生化學反應(yīng)生成MnS，MnS在鐵液中是形成石墨的核心，間接起到促進石墨化的作用，因此錳對石墨化的影響是不強烈的。錳與硫化合所起的作用是以“錳硫比”來決定的，Mn=1.7S+0.3或者Mn=3.3S，灰鑄鐵鐵液中w(S)的適宜范圍是0.08％～0.12％，硫含量為0.02％與硫含量為0.1％的石墨形態(tài)相比，隨著硫含量增加，石墨長度變短，端部鈍化、形態(tài)彎曲[10]。筆者公司現(xiàn)在S的比例是0.1％～0.12％，由公式可得出，Mn的比例范圍應(yīng)該保持在0.47％～0.504％；另外由Mn-S溶度積曲線[11]看出，碳當量為4.0％，S為0.1％～0.12％時，Mn為0.45％～0.5％。
因此，根據(jù)以上兩點論證以錳在0.5％左右的比例進行試驗驗證。試驗結(jié)果如表4。
表4 錳含量與缸體性能的數(shù)據(jù)
原工藝硫含量為0.10％～0.12％，錳含量為0.7％～0.9％，將錳含量降至0.5％左右時，試驗表明，鑄件的本體強度并沒有降低，反而有升高的趨勢，所以控制錳的含量在0.46％～0.55％之間。如果加入的錳量過高，一方面，隨著錳量增加，與Mn結(jié)合的S就多，使鐵液中自由w(S)量降低。S被大量消耗后，石墨會變得平順，長度變長，端部的鈍化效果變差；另一方面過量的錳會形成MnS夾雜物，大量MnS夾雜物，一部分會成為石墨的晶核，另一部分則發(fā)生聚集，形成局部密集的MnS排列，Mn強化基體的合金化作用被MnS的不利影響壓制，降低了灰鑄鐵性能。但是錳含量也不是越低越好，錳含量太低，會使鐵液氧化傾向增大，流動性變差，收縮傾向增加[10]。
2.5.3 鉻
鉻鐵是高熔點的正偏析元素，具有很強的形成碳化物的能力，加入到原鐵液中，w(Cr)量上限不要超過0.35％[10]。當鉻含量偏高時，易促進晶界碳化物形成，灰鑄鐵中的碳化物除分布在共晶團間外，有時還分布在共晶團內(nèi)的蜂窩結(jié)構(gòu)中。因為蜂窩內(nèi)存在有殘余液體，凝固較晚，如果碳化物形成元素被推移到鑄件中心，將在鑄件斷面中心部生成大量萊氏體，并分布于初生奧氏體枝晶中。此時，鑄件內(nèi)部會形成白口凝固，出現(xiàn)反白口現(xiàn)象[12]。相對于銅和錫，鉻鐵價格低，且顯著促進珠光體，使珠光體內(nèi)的滲碳體片層變?yōu)楹辖饾B碳體(Fe,Cr)3C，提高鑄件的強韌性和耐磨性，為了提高力學性能、減少鑄件滲漏風險，筆者公司生產(chǎn)的缸體缸蓋加入鉻鐵比例控制在0.16％～0.23％。
2.5.4 銅
銅加入鐵液中主要產(chǎn)生兩方面作用。一方面，銅是一種促進珠光體形成的反偏析元素，銅的加入可起到增加和穩(wěn)定基體中珠光體組織的作用；另一方面，銅又是一種微弱促進石墨化的元素，可部分抵消鉻元素增大白口傾向的不利影響，有利于保證鐵液的鑄造工藝性能。
銅對灰鑄鐵的抗拉強度、屈服強度、應(yīng)力彈性模量的影響基本一致。當加入0.5％銅時，會增加抗拉強度、屈服強度，使彈性模量上升；銅含量為0.8％時，強度最高；超過0.8％時，隨著含銅量的增加，鑄鐵的強度和沖擊韌性都降低[13]（圖3）。
圖3 銅對灰鑄鐵抗拉強度、抗彎強度和沖擊韌性的影響
從圖3可以看出，銅含量為0.5％～0.8％時，強度和沖擊韌性變化微小，故選擇銅含量為0.5％左右進行試驗驗證。經(jīng)多次試驗驗證，發(fā)動機缸體缸蓋銅的比例控制在0.45％～0.56％，符合鑄件的力學性能。
2.5.5 錫
錫是低熔點的反偏析元素，鑄鐵中加入錫元素可以增加珠光體含量，細化共晶團及珠光體，促進厚壁處的珠光體數(shù)量，但不會使薄壁處出現(xiàn)白口，降低斷面的敏感性?；诣T鐵中加入0.03％～0.12％錫時，可獲得鑄態(tài)珠光體組織，但珠光體數(shù)量很多的鑄鐵，加入Sn元素，效果不明顯[14]。一般的w(Sn)加入量在0.02％～0.04％，過高，有可能會使材料變脆[10]。筆者公司以錫在0.03％～0.05％進行試驗驗證，試驗效果見表5。
表5 錫含量與缸體性能的數(shù)據(jù)
康明斯缸體缸蓋鑄件要求本體強度≥207 MPa，錫含量為0.03％～0.05％，鑄件力學性能完全滿足技術(shù)要求。通過試驗統(tǒng)計，當錫含量≥0.05％時，其對力學性能的改善效果不明顯。
2.5.6 分析討論
文獻指出，兩種以上合金元素的配合使用，用一種合金元素和另一種合金元素配合，防止另一種合金元素易產(chǎn)生白口傾向及生成碳化物的可能[15]。筆者公司生產(chǎn)缸體缸蓋加入的合金元素錳、鉻是正偏析元素，偏離石墨偏析于晶界，硅、銅、錫是反偏析元素，吸附于石墨[16]，為了克服元素偏析的不利影響，熔煉時同時添加正、反偏析元素，利用其綜合性能，得到希望的珠光體組織和力學性能。
3 經(jīng)濟效益分析
3.1 合成鑄鐵的應(yīng)用取得經(jīng)濟效益
采用合成鑄鐵工藝，利用生鐵和廢鋼的價差，可降低主材成本。生鐵中含一定的碳（約4.3％）、硅（約1.2％），因此生產(chǎn)合成鑄鐵時需要補加一定量的增碳劑和硅鐵，每噸鐵液增加成本225元，當生鐵和廢鋼單噸采購成本價差為480元時，經(jīng)測算每噸鑄件降低主材成本約200元，采用廢鋼代替生鐵的合成鑄鐵熔煉方式有明顯的經(jīng)濟效益。
3.2 低合金化降低主材成本
通過采用合成鑄鐵工藝，合理設(shè)計合金元素的加入量，降低了發(fā)動機缸體缸蓋的主材成本，每噸降低成本200元左右（以缸體為例），數(shù)據(jù)見表6-表7，若一年生產(chǎn)25 000 t鑄件，直接經(jīng)濟效益將近500萬元。
表6 B缸體低合金化后每噸降低的成本數(shù)據(jù)
3.3 質(zhì)量成本
通過優(yōu)化熔化工藝、采取措施后，發(fā)動機缸體缸蓋的滲漏率從2％降低到1％以下，經(jīng)過一段時間驗證，滲漏廢品率很穩(wěn)定。若一年生產(chǎn)發(fā)動機15萬臺，一年就可以減少廢品將近1 500臺，降低質(zhì)量成本200余萬元。
4 結(jié)論
（1）采用合成鑄鐵技術(shù)生產(chǎn)灰鑄鐵的過程中，消除了石墨粗大帶來的遺傳效應(yīng)，提高了鑄件硬度的均勻性，減少了縮松傾向，細化了石墨，改善了鑄件的切削加工性能。使用經(jīng)過高溫石墨化的增碳劑是生產(chǎn)合成鑄鐵的關(guān)鍵所在。
（2）碳化硅的使用增加了石墨形核能力，減少了白口傾向，提高了鑄件的抗拉強度。
（3）廢鋼用量增大后，使用硅鋇鋯孕育劑，可抑制孕育衰退減少氮氣孔。
（4）合理設(shè)計合金元素的加入量，大幅度降低了生產(chǎn)成本及質(zhì)量成本，降低客戶抱怨度，提高了企業(yè)的競爭力。
