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随流二次孕育处理工艺的研究 摘要 柴油发动机上的气缸体是关键零部件，在柴油机的工作中，是最主要 的工作部件之一。随着载重汽车马力的不断加大，柴油发动机功率也需不 断提高，以及国家对排放要求越来越严格，柴油机所承受的各种负荷在急 剧增加；使得柴油发动机向高速、强化、高寿命等方向的发展，因此对发 动机气缸体的设计和材质性能提出了更为苛刻的要求，尤其是材质性能将 直接影响发动机的各项性能。孕育处理是铸件生产工艺中最重要的环节之 一，良好的孕育处理可使铸件具有符合要求的显微组织，从而保证铸件的 力学性能和加工性能，孕育处理水平直接影响着产品的质量及产量。 本文从孕育处理工艺着手，研究灰铸铁件生产过程中的孕育处理工艺， 通过使用随流二次孕育处理工艺替代一次孕育处理的工艺，实现了铸件的 品质提升。使用随流二次孕育处理工艺生产的灰铸铁件在抗拉强度和硬度 均匀性等方面都要优于使用一次孕育处理的灰铸铁件，同时使用随流二次 孕育处理工艺生产的铸件石墨形态也较好。 我们在运用随流二次孕育处理工艺时，发现试验铸件在机肚位置有锈 斑，影响了铸件表面的美观度，同时可能对铸件清洁度存在隐患。该问题 的出现，导致公司随流二次孕育处理工艺一度暂停并深受困扰。通过对孕 4 育剂品种、砂芯种类以及涂料种类等方面进行排查、验证，终于找出了出 现锈斑的原因和影响因素，解决了困扰。 关键词：灰铸铁气缸体随流二次孕育孕育剂成分锈斑性能 r e s e a r c ho ns e c o n di n o c u l a t i o nw i t ht h ef l o w p r o c e s s a bs t r a c t t h ec y l i n d e rd i e s e le n g i n ei st h ek e yc o m p o n e n ti nt h ew o r k ，u n d e rt h e c o m p l e xa l t e m a t i n gs t r e s s a st h et r u c kc o n t i n u e dt oi n c r e a s eh o r s e p o w e r , d i e s e l e n g i n ep o w e rc o n t i n u e st oi n c r e a s e ，a n dt h es t a t eo ft h ei n c r e a s i n g l ys t r i n g e n t e m i s s i o n sr e q u i r e m e n t s ，d i e s e le n g i n e sa r ee x p o s e dt oav a r i e t yo fl o a d si na s h a r pi n c r e a s e t h u sm a k i n gt h ee n g i n et oh i g hs p e e d ，e n h a n c e d ，h i g h l i f ea n d o t h e rd i r e c t i o no f d e v e l o p m e n t ，t h ed e s i g no ft h ec y l i n d e rb o d ya n dt h em a t e r i a l p u tf o r w a r dm o r es t r i n g e n tp e r f o r m a n c er e q u i r e m e n t s ，i np a r t i c u l a r , t h em a t e r i a l w i l ld i r e c t l ya f f e c tt h ep e r f o r m a n c eo ft h ee n g i n ep e r f o r m a n c e t h ei n o c u l a t i o n i st h ec a s t i n gp r o c e s si so n eo ft h em o s ti m p o r t a n t p a r to fg o o db r e e d i n gp r o c e s s c a nh a v eag r a yc a s ti r o nt om e e tt h er e q u i r e m e n t so ft h em i c r o s t r u c t u r e ， m e c h a n i c a lp r o p e r t i e si no r d e rt oe n s u r et h ec a s t i n ga n d m a c h i n i n gp e r f o r m a n c e ， i n o c u l a t i o nd i r e c t l ya f f e c tt h el e v e lo f p r o d u c tq u a l i t ya n dy i e l d t h i sp r o c e s ss t a r t e df r o mt h ei n o c u l a t i o n ，t h ep r o d u c t i o no fg r a yi r o n c a s t i n g si nt h ei n o c u l a t i o np r o c e s s ，c o n c e i v e dt h r o u g ht h eu s eo fs e c o n d a r y t r e a t m e n tp r o c e s sw i t ht h ef l o wi n s t e a do fab i r t hp r o c e s s ，t oa c h i e v ei m p r o v e d q u a l i t yc a s t i n g s u s et h es e c o n di n o c u l a t i o nw i t ht h ef l o wo ft h ec a s t i n gp r o c e s s t op r o d u c eu n i f o r m i t yi nt e r m so ft e n s i l es t r e n g t ha n dh a r d n e s sa r es u p e r i o rt o u s i n gab i r t hp r o c e s so fc a s t i n g ，u s i n gt h es e c o n di n o c u l a t i o nw i t ht h ef l o wo f t h ec a s t i n gp r o c e s st op r o d u c eg r a p h i t em o r p h o l o g ya r eb e t t e r w eu s et h es e c o n di n o c u l a t i o nw i t ht h ef l o wp r o c e s s ，w ef o u n dt h a tt e s t i n g b e l l yc a s t i n gp o s i t i o ni nt h em a c h i n eh a sr u s t ，a f f e c t i n gt h ea e s t h e t i c so ft h e s u r f a c eo ft h ec a s t i n g ，c a s t i n gc l e a n l i n e s sw h i l et h e r em a yb eh i d d e n t h e p r o b l e mh a sl e dt oas e c o n di n o c u l a t i o nw i t ht h ef l o wp r o c e s sw a ss u s p e n d e d a n di nd e e pt r o u b l e b yi n o c u l a n ts p e c i e s ，t y p eo fs a n dc o r ea n dc o a t i n gt y p e si n a r e a ss u c ha si n v e s t i g a t i o n ，v e r i f i c a t i o n ，i ti si m p o r t a n tt oi d e n t i f yt h ec a u s e s a n de f f e c t so fr u s ta p p e a rf a c t o r , t os o l v et h ep r o b l e m s k e y w o r d s ：g r a y c a s ti r o n ；c y l i n d e r ；s e c o n di n o c u l a t i o nw i t ht h ef l o w ； i n o c u l a n tc o m p o s i t i o n ；r u s t ；p e r f o r m a n c e 广西大掌工程硕士掌位论文随流：冀欠孕育处理工艺的研究 1 1 选题与研究的背景 1 1 1 孕育工艺 第一章绪论 在生产过程中，通过自熔炉或冲天炉直接熔化出的铁液用于直接浇注生产铸件，浇 注的铸件性能会达不到高牌号铸件的性能和质量要求；这时，必须通过在铁液中采用加 入孕育剂的工艺方法，用于改变铁液的凝固过程、条件以及改善其铸态组织，提高铸铁 件的性能。在铸铁件的生产过程中加入一定量的孕育剂，用于提高铸铁件的性能和质量， 此方法应用的非常广泛。同时，随着市场上孕育剂的种类越来越完善和开发的孕育剂越 来越有针对性，以及孕育工艺的不断改进和完善，使用孕育处理的工艺，已经是铸造生 产过程中提高铸铁性能的必要手段。 目前，在铁液孕育处理时，广泛采用的孕育处理工艺有：从保温炉或自熔电炉中出 铁时的孕育处理，在浇注过程中孕育处理、孕育剂浇注前放置在铸型内的型内孕育处理 等。 1 1 2 孕育机理综述 对于铁液孕育作用的机理情况，至今为止，人们不管是对它的认识，还是对它的观 点都还远不够完善。目前大家了解的一些相关理论，其实都只是针对一些现象的解释和 表达。存在着较大的局限性和片面性，例如：有的人认为向铁水中加入纯硅孕育剂没有 明显的孕育作用，硅铁孕育剂只有通过其中所含的铝、钙等金属元素才能发挥其孕育作 用 1 】。但在生产过程中得知：在铁水中加入一定量的纯硅亦能起到一定的孕育作用。使 用纯硅进行孕育时，由于铁水孕育后衰退的非常快，所以使得其孕育效果不易被大家认 识。其实，在生产过程中使用纯硅孕育剂进行型内孕育，随流孕育等是有作用的。 与其它事物一样，不同种类的孕育剂其孕育机理是不尽相同的，而且即使是同一品 种的孕育剂，也可以通过使用不同的孕育工艺方法而达到不同的孕育效果。比如：硅铁 所起的孕育作用，一方面是铁液中形核介质溶度波动和铁液温度变化的结果，一方面又 是硅元素与铁元素的强结合力排斥了碳元素的结果 4 1 。前面介绍得知，硅铁中所含的铝、 硅合金元素能够加强其孕育效果，其所含的铝、钙等合金元素能够达到孕育作用，则既 广西大掌工程硕士学位论文随流：炊孕育处理工艺的研究 有铝、钙元素脱氧去气解除反石墨化因素的原因，又有铝元素与铁液中的氧生成三氧化 二铝，钙元素与游离碳生成碳化钙等非均质晶核的原因。因此，各品种的孕育剂，他们 之间不同的孕育机理应该是互补互通的。 表1 1孕育机理浅析 n 出l e1 1 t h em e c h a n i s mo fi n o c u l a t i o n 机理名称要点 硅酸盐硅铁孕育剂加入铁液中后，先与铁液中的氧生成二氧化硅，然后再与 核心氧化亚铁生成硅酸盐物质，生产的硅酸盐是熔点非常高，这种分布广 泛的难熔质点悬浮于铁水中，起到核心作用。 固有石生铁中的石墨形态一般比较杂乱、同时已片状石墨居多，在熔炼过程 核墨核心中，由于要达到1 6 0 0 摄氏度以上才能破坏生铁中石墨形态的遗传性。 心一般情况下，熔炼温度很难达到1 6 0 0 摄氏度，这样生铁中的石墨片以 理超显微的石墨晶核或碳原子集团继续遗传在铁水中，当这部分铁液与 论碳含量低的铁水后混合后，固有石墨就起到了现成石墨核心作用嘲。 迫生石硅铁孕育剂加入铁液中后，在显微体积内，造成过共晶成分，迫使产 墨核心生初生石墨起核心作用吼 碳化物含钙和钡的孕育剂加入铁液中后，与铁液中的碳生成碳化物，它们的 核心某一晶面上的c 排列与石墨的底面相似，起了石墨析出基底的作用 【8 】 0 过冷理论。孕育剂加入铁液中后，由于会造成铁水局部过冷，这样迫使石墨核心 迅速地大量出现9 1 。 去气理论孕育剂加入铁液中后，会减少了铁水中氢气、氧气、氮气含量，因为 这些气体都是稳定碳化物的元素，这些气体减少后，会有利于铁水中 石墨析出9 1 。 吸附理论当孕育剂或其产物是表面活性物质时，吸附于石墨周围降低其生长速 度。从而增加了生长过程中的核心数，细化石墨3 9 1 。 总体来说，我们所指的孕育哀退不是孕育剂衰退，而是孕育后的铁水衰退，孕育效 果不是通过加入孕育剂与铁水合金化和改变铁水的成分等因素发生作用，而是孕育剂与 广西大学工程硕士学位论文随流= 炊孕育处理工艺的研究 铁水之间的物理化学作用，加入孕育剂后改变了铁水结晶条件和过程。孕育处理是铁水 处理过程中的一个重要生产环节【10 1 ，而对于铁水的孕育机理，仍需铸造战线的同仁们继 续进行研究和探讨。 1 1 3 选题与研究的背景 广西玉林市玉柴机器股份有限公司铸造厂采用的一直以来采用的孕育工艺是出铁 时孕育，出铁时孕育也称为浇包孕育，是在铁液自熔炉或保温炉流向浇包时进行的孕育 处理，也是一次冲入法孕育，如图1 1 所示。 图1 1一次冲入法孕育全貌图 f i g 1 1 i n t ot h el a wg a v eb i r t ht oap i c t u r eo ff i g u r e 这种孕育工艺的优点是操作简单、方便，但出铁时用7 5 硅铁进行孕育处理，孕育 效果会很快地随时间的推移而衰退，孕育后5 - 、7 分钟，孕育作用的衰退可在5 0 以上， 大约经过1 5 分钟后，孕育作用将大部或全部消失，不利于生产质量稳定的铸件，将影 响玉柴公司柴油发动机气缸体的产品质量。 1 2 课题目的和意义 1 2 1 铸铁件在柴油发动机上的地位 发动机工业在我国经济和社会建设中起着非常重要的作用，发动机为社会上的各行 各业提供了强劲动力来源。对我国社会生产力的发展和人民的生活都紧密相联在一起， 广西大掌工程硕士掌位论文 随流二次孕育处理工艺的研究 例如，我们日常海、陆、空的物流运输，日常居民的交通运输，国防军事装备的动力甚 至日常生活用电等，我们都能够看到发动机的身影，所以，发展发动机工业是实现我国 经济社会建设不可缺少的物质条件之一。 柴油发动机是由若干个一定形状和有一定技术要求的零件组成的装备整体。它的大 部分零件都是由金属类材料制成的，金属类材料在生产中，为了节约生产材料、提高企 业的经济效益、降低零件的制造成本、除了记少量的金属类零件采用加工成型方法外， 其余的大部分零件是通过铸造、锻造等方式获得，其中又以采用铸造方式的为最多。 采用铸造工艺可以生产大部分类型的金属铸件，对于结构复杂的铸件，无法采用加 工成型的方法，此时必须采用铸造的方式生产，用铸造方法优势明显。如发动机的气缸 体、气缸盖、油底壳、进排气管等零部件，这些金属铸件不仅其外型结构复杂，内腔也 同样非常复杂，采用其它的制作方法基本上制造不出，而且这些铸件的好坏直接影响着 发动机的性能指标。所以，在柴油发动机的制造生产过程中，非常广泛的应用着铸造方 法生产毛坯件。铸造生产是柴油发动机的基础，在各种类型的柴油发动机产品中，铸件 约占整个柴油发动机产品重量的百分之八十至百分之九十。由此可以知道，铸铁件在柴 油发动机中所占的地位和重要性，所以，研究如何获得优质铸铁件有着非常重要社会意 义和经济意义。 本文研究的是如何优化孕育工艺来生产优质的柴油发动机气缸体铸件，气缸体是柴 油发动机上的关键零部件，在柴油发动机的工作中承受着复杂的交变应力，随着柴油发 动机向高速、强化、长寿命等方向的发展，对气缸体的材质性能也提出了更加严格的要 求。灰铸铁件的机械性能在很大程度上取决于其显微组织情况，孕育处理不好的灰铸铁 件，显微组织不稳定、机械性能不满足要求、同时在铸件的薄壁处容易出现白口。为了 保证灰铸件品质的一致性，使用好的孕育处理工艺是必不可少的，孕育处理工艺是决定 着柴油发动机气缸体材质机械性能的一个重要的关健指标，因此，孕育处理工艺在广西 玉柴公司铸造方面是关健技术之一，它的优劣会直接影响玉柴发动机产品的质量。 孕育处理工艺作为提升柴油发动机气缸体等零部件质量的重要手段，在灰铸铁件生 产中有着重要的地位。可是，与国外先进的孕育处理工艺技术相比较，国内的孕育处理 工艺还比较落后，存在生产出的灰铸铁件产品硬度和强度均匀性一般，生产的灰铸铁件 机械性能的稳定性不好等问题或不足。本课题主要就解决以上问题进行了分析、研究、 验证，并提出解决问题的办法。 正 广西大掌工程硕士掌位论文 随流二次孕育处理工。艺的研究 1 2 2 灰铸铁的显微组织 灰铸铁件的机械性能取决于其基体组织和片状石墨的分布状况。为了得到高强度牌 号的灰铸铁件，一般希望其基体组织要以珠光体为主、同时尽可能降低基体组织中的铁 素体含量。因为基体组织总铁素体含量过多，不仅会导致灰铸铁件的强度变低，而且加 工过程中铁屑容易粘刀，使刀具过热，进而显著降低刀具的使用寿命。与球墨、蠕墨等 材质铸铁不同，在性能要求中，对灰铸铁件没有延展性和韧性等方面的要求，一般情况 只对其抗拉强度作相关要求，所以就希望灰铸铁件的基体组织珠光体含量越高越好。 灰铸铁中如果石墨以片状形状的形式存在，片状石墨会对金属基体起到切割的作 用，这样就会降低铸件强度性能。所以，从灰铸件件的抗拉强度因素考虑，在灰铸铁件 中应尽量避免有长而薄的片状和粗大形状的石墨存在，更不能存有具有明显方向性的片 状石墨。控制灰铸铁中石墨的形态和石墨的分布状况，是保证其机械性能的关键因素。 在灰铸铁中，石墨按形状可以分为a 型、b 型、c 型、d 型、e 型和f 型等【l 】。具体描 述见表1 2 。 表1 2石墨按形状描述及特征 t a b l et - 2 g r a p h i t es h a p ed e s c r i p t i o na n dc h a r a c t e r i s t i c s 石墨 要点特征 形状 a 型在光学显微镜下观察时，a 型石墨是在过冷度很小以及冷却速率较 a 型石墨呈均匀分布的弯曲片低的条件下发生共晶转变时形成的。高品质的铸 状，无方向性，其长度则因铸件，都希望其石墨为中等长度的a 型石墨。 铁的生核条件和冷却速率不同 而不刚1 l 。 b 型b 型石墨在光学显微镜下b 型石墨的生核条件比a 型石墨差，共晶 呈菊花状，共晶团中心部位的转变时的过冷度也比形成a 型石墨时大，结晶 石墨片比较细小，外围的石墨时先在共晶团中心部位产生过冷石墨( d 型) ， 片较粗大。实际上，中心部位释放的结晶潜热使周边的过冷度降低、形成a 是d 型石墨，外围是a 型石墨。型石墨。铸铁中，如果b 型石墨含量不多，对 铸铁的性能影响不大，一般情况下可允许其存在 【1 1 。 广西大学工程硕士掌位论文随流二次孕育处理工艺的研究 c 型c 型石墨主要出现于碳当c 型石墨可使铸铁的热导率提高，改善其抗 量很高( 过共晶) 、冷却缓慢的热冲击的能力，但对铸铁的力学性能影响较大， 铸铁中，有粗大片状初生石墨，一般的结构铸件不应有这种石墨【。 也有小片状石墨，有时部分石过共晶铁液冷却时，通过液相线后，在一定 墨片上有带尖角的块状。c 型的过冷度下析出初生石墨，并在液相中逐渐长 石墨是由粗大、块状石墨和a大。由于结晶温度较高，成长时间较长，形成分 型石墨构成的。枝较少的粗大片状。温度降低到共晶温度时，发 生正常的共晶转变，这时产生的石墨是正常的共 晶石墨( a 型石墨) ，最终的结果是在粗大的石 墨片之间分布有正常的共晶石墨 d 型d 型石墨常见于碳当量较d 型石墨是铸铁的碳当量较低、冷却速率较 低的薄壁灰铸铁件中，也称为高，在过冷度较大、初生奥氏体枝状晶发达的条 过冷石墨或枝晶间石墨。在件下在奥氏体枝晶间形成的，石墨片细小而无方 不加合金元素时，d 型石墨往向性。如基体组织为珠光体，则铸铁的耐磨性较 往伴随有铁索体。好，且机械加工后能得到较细的表面粗糙度1 1 。 e 型e 型石墨是在碳当量较低、由于冷却比较缓慢，奥氏体枝状晶发达，发 冷却速率也较低的条件下形成生共晶转变时液相主要在初生奥氏体枝状晶之 的。由于初生奥氏体枝状晶较间，形成的石墨片沿枝状晶方向生长，具有一定 多、发生共晶转变时过冷度不的方向性，对铸铁力学性能的影响较大，要力求 大、石墨核心不太多、共晶团避免其产生 较大，形成的石墨片大于d 型 石墨【。 从资料中我们得知，可能出现e 型石墨的铸铁，如冷却速率较高，也会形成d 型 石墨。因此，在高强度薄壁铸铁件中往往会同时见到d 型石墨和e 型石墨 1 1 。 综上可知，要生产出优质的灰铸铁件，应使其基体组织尽量都为珠光体，石墨形态 为a 型石墨，而且石墨片均匀的分布在金属基体中，珠光体细小、均匀。并尽可能的 减少组织中的b 型石墨和d 型石墨，更不能有c 型石墨和e 型石墨。 1 2 3 孕育处理对铸铁组织和性能的影响 柴油发动机要求其铸件不但要性能稳定性好，残余应力低，抗变形能力强，有一定 6 广西大掌工程硕士掌位论文随流：放辱叼中处理工艺的研究 的强度，有好的加工性能，而且还要铸造性能好。从前面的论述中我们知道，灰铸铁件 的机械性能是由其基体组织、石墨分布和石墨形态等方面因素起决定性的作用。在实际 生产过程中，为了使得灰铸铁件满足上述要求，经常使用的方法是降低铁水碳当量，但 铁水中碳当量过低容易导致铸件出现白口，铸件的机械性能恶化，材质变脆，严重影响 加工性能。同时，如果铁水中碳当量过低，还容易产生铸造类缺陷废品。因而，控制好 灰铸铁的基体组织和改善灰铸铁件的石墨形态，需要在一定的碳当量范围下。为了得到 满足要求的灰铸铁件，需要合适的碳当量，同时有良好的孕育处理工艺。 灰铸铁孕育剂的研究和生产已走过了几十年的历史，经过期间铸造从业者的大量研 究和改良，现如今我们生产中使用的孕育剂已由简单、单调的一种元素发展为元素多 元化，由一种品种孕育剂的“通吃”发展为系列、专业性及针对性。孕育剂的已经走向了 标准化、系列化和商品化的生产，近年来我国在孕育剂种类完善方面也有长足的进步。 供铸铁孕育用的孕育剂种类已非常全面，各个国家中目前常用的孕育剂仅十几种。按照 孕育剂的作用，目前行业类将其分为两大类：石墨化孕育剂和稳定化孕育剂。石墨化孕 育剂的作用当然如其名，主要作用就是促进石墨化，减少和抑制白口，就其成分而言有 碳系、硅系、特殊系。稳定化孕育剂的主要作用是在不增大白口倾向的前提条件下，促 进与细化珠光体。 铸铁孕育处理所用的孕育剂，加入量很少，对铸铁的化学成分影响甚小，对其显微 组织的影响却很大，因而能改善灰铸铁的力学性能，对其物理性能也有明显的影响。根 据孕育处理的目的和生产中总结出来的经验，主要从以下几方面评价孕育剂的作用： 1 、能够消除或减轻铸铁件的白口倾向，避免出现过冷组织； 2 、如果铁液孕育良好，在浇注过程中的流动性就较好，减少铸件的收缩性、改善铸件 加工性能以及减少残余应力； 3 、孕育良好，有利于共晶团生核，增加基体中的共晶团数； 4 、能够使铸铁中石墨的形态改善，孕育良好的铸件石墨形态主要是细小而且均匀分布 的a 型石墨，从而改善铸铁件的力学性能； 5 、减轻铸铁件的壁厚敏感性，缩小铸件薄、厚截面处显微组织的差别，同时也缩小铸 件之间的硬度差别。 为了提高灰铸铁的强度、性能，较有效的措施便是降低铸铁的碳当量，使未经孕育 处理的原铁水浇注后形成白口或麻口组织，经孕育处理后成为灰口组织，从而达到提高 强度的目的。 广西大掌工程硕士学位论文随流二次孕育处理工艺的研究 本章就是通过对孕育剂种类及特性进行研究及铸铁经过孕育处理后的组织的变化 进行分析，从而研究适合柴油机各种类型铸件孕育处理的孕育剂和孕育工艺。 1 2 4 孕育剂中微量元素用途 目前，灰铸铁件孕育用的孕育剂品种很多，但应用最广泛的还是7 5 硅铁孕育剂。 随着社会的发展，发动机越来越向轻量化方向发展，对薄壁铸件的需求日益增多，所以 对孕育处理的要求也就越来越高。铁液在碳当量比较低的情况下，采用含有锶、钡或某 种稀土元素的孕育剂，就能较好地达到控制薄壁处的白口倾向效果。根据试验，采用含 钡、铋等稀土元素的孕育剂，还可以减缓铁液的孕育衰退。此外，近年来碳质孕育剂的 应用也日渐增多。关于选用孕育剂，虽然已进行了大量的研究和生产实践工作，但还未 形成一个普遍适用的准则，各铸造厂家需考虑自己产品的特点、再参考其它厂家的经验 进行试验，最后根据试验情况，选择最适合本企业条件的孕育剂。 7 5 硅铁系孕育剂是目前黑色铸造中应用最广泛的孕育剂，对孕育效果有重要的作 用的主要是孕育剂中的铝、钙元素。在前面我们知道，未含或含量很少铝、钙的7 5 硅 铁对灰铸铁铁液的孕育效果很小，甚至可能没有效果。在铁液中，铝和钙会与氧、氮发 生反应，生成高熔点的化合物质，成为石墨结晶的核心【1 。同时，孕育剂加入铁液中后， 会形成局部的富硅微区，也有利于石墨析出。所以，购买7 5 硅铁孕育剂时，其中的铝 和钙含量，是不能不考虑的重要因素。 对于7 5 硅铁系孕育剂，美国相关标准规定含铝量为o 7 5 1 7 5 ，含钙量为0 5 1 5 【7 1 。我国在g b t2 2 7 2 1 9 8 7 中对7 5 硅铁牌号孕育剂规定，铝含量的上限值分别 为o 5 、1 o 、1 5 和2 o ，钙含量的上限值则为1 0 t 1 8 】。 铝对孕育效果影响很大，但铁液中的铝如果含量太高，又可能会导致铸件产生皮下 气孔缺陷。所以，选择孕育剂品种和确定孕育剂用量时，对此也要作为考虑的必要因素 之一。 含锶硅铁孕育剂对消除白口的效果很好，特别对薄壁铸件，能很好的改善其石墨的 形态和分布状况，让铸件不同厚度处组织的差别减少。我国已有含锶硅铁孕育剂供应， 其中有0 6 1 0 和1 o 2 0 两种锶含量【1 8 】。正常生产中，选用的品种含锶o 6 1 0 即可，如果锶含量过高，则不能充分发挥其作用。含锶硅铁孕育剂的加入量只需约为 7 5 硅铁孕育剂的一半即可。 含钡硅铁孕育剂具有相当强的促进石墨化能力，可改善薄壁铸件中石墨的形态及分 广西大掌工程硕士学位论文随流二次孕育处理工艺的研究 布状况，而且还可以减缓孕育衰退，孕育处理时的加入量也少于7 5 硅铁孕育剂【1 2 1 。但 加入过多的钡会使基体组织中铁素体含量增多，直接导致降低铸铁的强度。 稀土元素锆有脱氧作用，有利于提高铁液的流动性，能减轻铸铁的白口倾向，生成 均匀、细小的a 型石墨。同样也有减缓孕育衰退的作用。用含钡量为2 0 - - 3 0 的硅钡 合金作孕育剂，也能明显降低铸铁的白1 ：3 倾向，并能使孕育效果的时间在3 0 r a i n 左右【1 5 】， 所以，适用于大型铸件生产总使用。处理时，合金加入量约为o 1 o 2 。 硅钙合金在铁液中也有很强的孕育作用，由于它的密度远低于铁液【2 3 1 ，加入后容易 于飘浮导致影响其与铁液的作用，成渣倾向大，孕育衰退很快；处理时所需的加入量大， 约为0 3 0 5 。所以，除制成包芯线使用外，不太合适用粒状合金作铸铁的孕育剂 稀土混合金属和稀土硅铁等含稀土金属的孕育剂在铁液中加入适当的量，孕育效果 效果可以是7 5 硅铁孕育剂的很多倍，它能有效地消除白口和减缓孕育衰退【2 。但是加 入量控制不好，则会使铁液在结晶时产生过冷，出现渗碳体基体。所以，使用时其加入 量必须要严格的控制。 碳质孕育剂目前还只是主要用于铁水孕育前的预处理，一般都是结晶态的碳质材 料。对于灰铸铁，以8 5 9 0 的冶金碳化硅效果最好【1 8 】，同时，晶态石墨也有一定的 效果。预处理时的加入量一般为占铁液重量的0 7 5 1 0 蟛3 1 ，最终还是应根据试验结果 找到最适合的范围。 1 3 孕育处理工艺研究现状 1 3 1 国内外的孕育处理工艺研究状况 国内外在发动机产品不断更新换代的发展中，都积极采用优质高强度铸件制造重要 的结构零件。当前，铸铁件越来越向薄壁件、轻量化的趋势上发展【1 】，我们知道，当前 铝合金铸件快速发展的决定性因素之一就是其轻量化化优势，所以，我们确信，如果铸 铁件成功走好了轻量化的道路，其也必然会将铸铁业带入一片新天地。随着能源的短缺， 社会的进步和发展，发动机产品目前都在朝着轻量化的方向发展，发动机要轻量化，作 为占其体重8 0 9 0 左右的灰铸铁件就必须轻量化，开发轻量化铸铁件，就必须的开发 高碳当量、高强度灰铸铁及其强化工艺。而获得优质高牌号灰铸铁件的一种良好方法便 是孕育处理，因此孕育处理工艺得到了迅速的发展【3 。现在铸造行业的生产过程中，孕 育处理是一项必不可少的工序，是改善灰铸铁性能和质量的重要手段之一。 广西大学工程硕士掌位论文随流：炊孕育处理工艺的研究 近年来，孕育处理工艺发展迅速，形成了多种有效的孕育方法。对于生产灰铸铁件， 选用合适的孕育处理方法往往是决定产品质量的关键因素。每一种孕育处理方法都有其 优点，同时也存在一定的局限，迄今为止，还没有一种能适应各种生产条件的孕育处理 方法。各铸造企业都应该根据各自的生产条件，通过试验筛选，选定最适合企业的方法。 处理方法一但确定，就应制定严格的工艺过程，以保证生产质量稳定的铸件。 1 3 2 孕育处理工艺的控制 前面我们知道，目前在铸造过程中广泛采用的孕育处理工艺主要有：出铁时孕育、 浇注时孕育、型内孕育和孕育前的预处理等【1 5 】。 表1 3 孕育处理工艺 t ：a b l el 一3t h ei n o c u l a t i o np r o c e s s 处理工艺工艺操作要点特征 出铁时孕1 、出铁石是孕育是铁液从自熔炉或保温炉倒入1 、这种孕育处理方 1 莹 浇包时进行的一种孕育处理。法的优点是操作简罔 2 、孕育剂不可在浇注前加在空浇包的底部，这样单方便，是目前各铸 的操作，会有部分孕育剂在与铁液作用前就被氧造厂家应用最广泛 化，而且孕育剂易于裹入炉渣，导致孕育剂利用 的工艺； 率降低，最好是在铁液自从炉内出铁后、浇包中2 、此孕育方法孕育 铁液量约为出铁量的四分之一时起开始孕育处剂易氧化，烧损大； 理，通过定量漏斗将粒状孕育剂均匀而分散地加在包内易浮起和渣 入铁水中，到浇包中铁液量约为出铁量的五分之混在一块，不起孕育 四时处理结束。这种作业方法，可利用液流的搅作用；孕育剂用量 拌作用使孕育剂完全溶于高温铁液，提高孕育剂多；孕育至浇注的间 的利用率。采用喂线法进行孕育处理效果更为稳隔最长、衰退最严 定。重。 3 、孕育剂的粒度因处理的铁液量而略有不同：铁 水量不足5 0 0 k g 时，孕育剂的粒度2 - - - 5 m m 为宜： 当铁水量大于5 0 0 k g 时，孕育剂的粒度则5 , - 8 m m 为宜。孕育剂的加入量一般为处理铁液量的0 2 广西大掌工程硕士掌位论文随流二次孕育处理工艺的研究 0 4 ，视孕育剂的品种和铸件壁厚调整，并通过 试验最终确定。如果加入量过多，不仅作用不大， 还会因孕育剂不能完全溶于铁液产生一些负面作 用，如浇包积渣、铸件产生夹渣缺陷、堵塞浇注 系统中的过滤网以及因铁液过孕育而造成铸件缺 陷等。孕育剂粒度太大，也会因不能完全溶于铁 液而影响孕育效果，并造成铸件缺陷。 浇注时孕 1 占： 为使孕育剂能够迅速溶于铁液并能均匀地分采用这种加料目： 1 、细粒布于铁液中，应采用细粒孕育剂，孕育剂粒度为方式的缺点是：对于 孕育剂孕0 4 - 、- 0 8 m m 。加入量为铁液量的0 1 0 o 1 5 。粉状孕育剂，容易被 育采用倾转式浇包人工浇注时，比较简便办法空气吹散，不能加入 是在包嘴上吊挂一个定量漏斗，浇注时打开下料到液流中。采用机械 口，孕育剂就自己落入液流。对于生产线上位置的给料方式，也存在 固定的倾转包，则可以安装带料斗的微型螺旋给容易堵塞给料管而 料器。影响准确定量的问 生产线上由熔解炉或保温炉经虹吸式浇嘴浇题。 注的条件下，国外多采用干燥空气吹送方式。开 始浇注时，由传感器控制开启气阀，将孕育剂加 入浇注的铁液流中。 2 、喂丝孕喂丝孕育也是生产中一种常用的孕育方法，孕育剂使用量 育所用的丝为包芯线，包芯线直径一般为5 1 0 m m ，少，孕育效果好，但 线芯的材料为7 5 硅铁，孕育剂加入量o 0 5 - - 一0 1 。需投入专用喂丝设 用保温炉经虹吸式浇嘴浇注的条件下，在浇嘴的备。 塞杆附近喂入包芯线。喂线装置由计算机控制， 在提起塞杆进行浇注的同时喂入包芯线，浇注完 毕放下塞杆时停止喂线。 型内孕育 广西大掌工程硕士掌位论文 1 晦流二次孕育处理工艺的研究 1 、浇口浇口杯内孕育分为两种方式，一种是将块状适用于大型球铁 杯内孕育孕育剂固定于浇口杯底部，浇注时逐渐溶入铁液，件和灰铸铁件的单 浇注的铁液量较大时，可采用塞杆，这就更有利件生产。 于孕育剂溶入铁液并均匀分布于铁液中。另一种 是将块状孕育剂放在浇口杯内，浇注时浮在铁液 上，也可说是浮硅孕育，只不过不在浇包中孕育。 采用此种方式时，应保证孕育块部分溶入铁液后 尺寸仍大于直浇口的直径。无论采用何种方式， 浇口杯内都应有挡渣板口6 1 。 2 、浇注可将块状孕育剂固定在直浇口下的浇口窝孕育效果佳，但 系统内孕内，采用此种方式时，一定要用预制成块状的孕控制难，要求工艺控 育育剂，浇注过程中逐渐溶入铁液，实现有效的孕制非常严格 古 日0 也可将孕育剂安放在横浇道中专设的孕育槽 内，采用此种方式时，可用粒度为o 3 o 7 m m 的 孕育剂，用量一般为铸型中铁液量的o 0 5 , - - - 0 1 。 浇注时，铁液从孕育剂的上方流过。为避免孕育 剂颗粒进入铸件，铁液流经孕育槽后必须通过有 效的过滤网。 3 、通过过这是一种比较新的型内孕育方法，浇注前将 滤网时孕孕育剂放在特制的滤网内，浇注时铁水流经过滤孕育效果佳，但 占 网时得到孕育处理，这样同时又可以防止残渣进控制非常难，要求工目 入铸件型腔内。采用发泡陶瓷滤网时，一般在两艺控制非常严格 滤网问的空腔装入细粒孕育剂。如采用通孔陶瓷 滤网，则将预制成片状的孕育块置于两滤网间的 空腔内。 孕育前的效果最好的预处理剂是结晶态的碳质材料，孕育效果好，不 预处理灰铸铁宜用8 5 - - - 9 0 的冶金碳化硅，也可用晶态仅可避免组织中出 广西大掌工o j 硕士学位论文 随流二次孕育处理工艺的研究 石墨。加入量一般为0 7 5 1 0 ，应用时通过试现碳化物，而且可使 验找到最佳用量。预处理剂加入铁液后，需要一过冷石墨( b 型、d 定的时间使其溶于铁液，而且需要搅拌，所以，型和e 型) 减至最少， 最好是在出铁前加入感应电炉中进行处理。加入特别在一些重要的 浇包中处理，只要操作得当，也可得到很好的效薄壁灰铸铁件，如发 果。动机的缸体、缸盖等 铸件上使用越来越 广泛。 1 4 本论文研究的主要内容 本文将开展以下几方面问题的研究，并提出技术解决方案，完成研究。 1 、气缸体铸件孕育工艺流程的选型。 2 、气缸体铸件孕育剂的选型。 3 、气缸体铸件孕育剂粒度的确定。 4 、气缸体铸件瞬时随流孕育剂加入量的确定。 5 、气缸体铸件随流二次孕育处理产生的缺陷研究 广西大学工程硕士掌位论文随流二次孕育处理工艺的研究 第二章孕育工艺的优化研究 一直以来，公司发动机缸体铸件使用的铸铁牌号为h t 2 5 0 ，这是一种高牌号的灰铸 铁。为了使铸铁件具有较好的机械性能、加工性能和使用性能，就需要控制好铸铁件的 铸态金相组织。灰铸铁的金相组织由金属基体和片状石墨共同组成，而对性能影响最大 的是石墨的形态及其分布。 2 1 灰铸铁的组织特点 灰铸铁的基体组织中，石墨形态是决定灰铸铁性能的主要因素之一。因此研究灰铸 铁的性能特点就必须围绕石墨的影响来开展 1 】。石墨对灰铸铁有双重性的作用，一方面， 它会降低灰铸铁的机械性能，另一方面，它又赋予了灰铸铁具有很多的优良性能，缺口 敏感性低，良好的减震性以及良好的耐磨性等。 灰铸铁件机械性能的好坏，主要取决于它微观基体组织和石墨的形状、大小、分布 和数量，石墨的形态和数量对灰铸铁的机械性能起很重要的影响。灰铸铁内石墨的存在 就构成了区别于其它结构材料的组织特点，灰铸铁的机械性能主要取决于石墨形态r 列， 严格的说，控制铸件基体组织的目的之一就是控制铸态石墨的形成条件，使石墨能够形 成希望的形状和分布状态。 在铁液的液固相铸态转变中，对石墨生核和石墨长大过程的分析，是研究孕育处 理非常重要的一步。孕育处理过程中，将孕育剂添加到铁液里，孕育剂成为了外来质点， 让石墨在质点表面生核，根据石墨生核和长大的过程而成为片状组织。最终，通过控制 生核的过程来改变灰铸铁共晶团的大小，进而达到所需要材质性能。 2 2 孕育工艺的优化 2 2 1 试验方法 论文分别采用一次冲入法孕育处理工艺( 在铁液自熔炉或保温炉流向浇包时进行孕 育处理的一次孕育工艺) 和随流二次孕育处理工艺对玉柴铸造车间的铁水进行孕育处理 1 4 广西大学工程硕士掌位论文随溺。二次孕育处理工艺的研究 比较。 1 一次冲入法孕育处理工艺采用的流程为：确定好合适的孕育剂；孕育处理前确 认孕育剂干燥、粒度均匀；按一定的增硅量要求称量好孕育剂；在自熔炉或保温炉流向 浇包出铁水前，把称量好的孕育剂加在空浇包的底部，在铁液自熔炉或保温炉流向浇包 时进行的孕育处理，处理后铁水直接用于浇注铸件，孕育工艺流程示意图见图2 1 。 ( a ) 确认孕育剂干燥、粒度均匀 ( b ) 称量好孕育剂 ( c ) 称量好孕育剂加在空浇包的底部( d ) 冲入法孕育 广西大学工程硕士掌位论文随流二次孕育处理工艺的研究 ( e ) 浇注前测量温度( f ) 浇注铸件 图2 1 一次冲入法孕育工艺流程 f i g 2 - l i n t ol a wab i r t hp r o c e s s 2 随流二次孕育处理工艺流程为：确定好合适的孕育剂；孕育前确认孕育剂干燥、 粒度均匀；一次孕育在铁液自熔炉或保温炉流向浇包前，把称量好的孕育剂加入一次孕 育用的孕育剂定量漏斗中，在铁液自熔炉或保温炉流向浇包出铁后，自浇包中铁液量约 为出铁量的1 4 时起开始进行第一次随流孕育处理，通过定量漏斗将粒状孕育剂均匀而分 散地撒向液流，到浇包中铁液量约为出铁量的4 5 时处理结束；然后在铁液自浇包注入铸 型时再次进行第二次随流孕育处理。如图2 2 所示。 ( a ) 确认孕育剂干燥、粒度均匀( b ) 称量好孕育剂 广西大掌工程硕士掌位论文随流二次孕育处理工艺的研究 ( c ) 称量好的一次孕育剂加在漏斗中( d ) 等待出铁时加入孕育剂 ( e ) 第一次随流孕育处理( f ) 浇注时第二次随流孕育处理 图2 2 随流二次孕育处理工艺流程 f i g 2 - 2 s e c o n di n o c u l a t i o nw i t ht h ef l o wp r o c e s s 2 2 2 试验结果 试验开展前期，在柴油发动机气缸体( 灰铸铁) 上进行了对比试验。铁液熔炼采用 电炉熔炼；在气缸体上采取了同一包铁液前三型无随流二次孕育处理，采用一次冲入法 孕育处理工艺，后三型采用随流二次孕育的方法进行了对比试验，随流二次孕育剂加入 量为o 0 7 - - - 0 1 3 。从试块和本体取样进行检测的结果看，金相、硬度、力学性能等方 面都有了很大的改善。数据对比见表2 1 所示： j - - 西大掌工程硕士掌位论文随流= 欺孕育处理工艺的研究 表2 - 1 试块性能检测 t a b l e2 - 1t e s tb l o c kp e r f o r m a n c et e s t i n g 试块性能检测表明： 、正常一次孕育处理工艺的试棒存在少量的e 形石墨，而采用随流二次孕育处理 工艺的试棒没有e 形石墨，都为a 型石墨。 、使用随流二次孕育处理工艺的试块强度高于正常一次孕育处理的试块。 本体性能检测也同时表明：采用随流二次孕育处理工艺的本体检验的强度和硬度也 比正常一次孕育处理工艺的好，见表2 2 所示。 表2 - 2 本体性能检验 t a b l e2 - 2 b o d yp e r f o r m a n c et e s t 广西大掌工程硕士掌位论文随流：浓孕育处理工艺的研究 从2 0 0 8 年开始，将随流二次孕育处理工艺正式应用于气缸体生产后，特别是2 0 1 0 年开始浇注的2 9 d 气缸体，本体强度达2 5 0 m p a 以上，试棒达到3 0 0 m p a ，经加工至今 未发现有硬质点引起加工困难的现象，金相组织和力学性能完全达到要求，本体厚大部 位的性能亦完全达到要求。本体同一部位硬度差控制在1 0 h b 以内。当然，铸件的综合 性能提高也与熔炼工艺水平、原材料质量的稳定、从业人员素质的提高都有关系；但随 流二次孕育处理工艺的采用，对稳定提高铸件的材质性能所起到的非常重要的作用，是 无容置疑的。 2 2 3 试验结论 一次冲入法孕育处理工艺是在浇注前将孕育剂加在空浇包的底部，在浇注过程及后 期不再进行补充孕育处理。这种孕育处理方法存在以下缺点： l 、会有部分孕育剂在与铁液作用前被氧化，而且孕育剂容易裹入炉渣，导致其吸 收率降低； 2 、孕育效果会很快地随时间的推移而衰退，孕育后5 - - - 7 m i n ，孕育作用的衰退可 在5 0 以上，大约经1 5 m i n 后，孕育效果将大部或全部消失。 3 、采用随流二次孕育处理工艺代替在铁液自熔炉或保温炉流向浇包时进行孕育处 理的一次孕育工艺，可以克服一次冲入法孕育处理工艺存在的缺点，达到生产质量控制 的需要。 2 3 本章小结 本章进行了一次