汽車發(fā)動機(jī)排氣管制造工藝研究

1、. 汽車發(fā)動機(jī)排氣管制造工藝研究高鎳發(fā)動機(jī)排氣管具有很好的高溫使用性能，其最高使用溫度可達(dá)925。高鎳球鐵在汽車零部件上主要用于高性能發(fā)動機(jī)排氣管、渦輪增壓器殼等耐熱件的制造上。國在這方面所做工作較少，隨著汽車發(fā)動機(jī)性能的不斷提升，對發(fā)動機(jī)排氣管的使用性能要求越來越高，高鎳球鐵在汽車發(fā)動機(jī)排氣管等耐熱鑄件上的應(yīng)用會進(jìn)一步增加。一汽-群眾奧迪B7、捷達(dá)A4的發(fā)動機(jī)排氣管即設(shè)計(jì)為高鎳球鐵材料，其材質(zhì)牌號為NiSiCr 35 5 2與NiSiCr 35 3 2。我們針對一汽-群眾高鎳排氣管進(jìn)展了試驗(yàn)研究與開發(fā)，以實(shí)現(xiàn)其國產(chǎn)化的目的。1 高鎳球鐵排氣管材質(zhì)的開發(fā)(1) 材質(zhì)的先期開發(fā)與存在的問題高鎳球

2、鐵材質(zhì)開發(fā)主要是按照德國高鎳鑄鐵牌號GGG-NiSiCr355 2和NiSiCr35 3 2，我們進(jìn)展40kg/爐的試棒與階梯試樣澆注試驗(yàn)，在要求圍進(jìn)展Si、Mn、Cr的調(diào)整，到達(dá)規(guī)定化學(xué)成分要求。球化劑均采用低稀土球化劑進(jìn)展球化處理，即參加量為1.6%，孕育即采用75SiFe，參加量為0.8%。主要為了摸索高鎳球鐵的常規(guī)力學(xué)性能、退火性能、球化與孕育趨勢、流動性能、收縮率等方面的根底參數(shù)。試驗(yàn)結(jié)果如下。a.基體組織主要為奧氏體組織，由于存在較高的Mn、Cr合金含量，基體中沿晶界處存在碳化物組織。b.在正常球化時(shí)，試棒力學(xué)性能(常規(guī)與退火后)可到達(dá)德國高鎳球鐵標(biāo)準(zhǔn)要求，即抗拉強(qiáng)度370N/mm

3、2，伸長率10%。c.球化狀況不穩(wěn)定，試棒金相組織出現(xiàn)大量的枝晶點(diǎn)狀的過冷石墨或蠕蟲狀衰退石墨.球化率低，嚴(yán)重惡化試棒力學(xué)性能，見圖1。球化不良的原因分析可能主要源于以下方面。一方面是由于鐵液中存在大量的合金元素，合金總量到達(dá)40%左右，致使鐵液產(chǎn)生嚴(yán)重的過冷傾向，石墨化不好，石墨擴(kuò)散不均勻，濃度起伏大，同時(shí)本身鐵液含碳量又較低(NiSiCr35 522%，NiSiCr35 5 22.4%)，這均導(dǎo)致石墨均勻球化與長大變得非常困難，致使球化不良；另一方面，據(jù)國外相關(guān)研究報(bào)告顯示，稀土(主要指輕稀土)對高鎳球鐵的球化會產(chǎn)生不利影響，當(dāng)高鎳球鐵中的鈰含量到達(dá)0.003%，則將促進(jìn)球化嚴(yán)重衰退(這方

4、面我們通過試驗(yàn)結(jié)果已有所發(fā)現(xiàn))而得不到圓整的石墨球，故國外處理高鎳球鐵均采用鎳鎂合金或鎳硅鎂合金等來進(jìn)展高鎳球鐵的球化處理，以鎂來作為單純的球化元素。因此，球化與孕育處理應(yīng)作為材料試驗(yàn)的重點(diǎn)工作。.高鎳球鐵的流動性能通過試棒澆注可以發(fā)現(xiàn)其粘稠度很高，溫度越低，流動性能越差，鐵液流動緩慢，較正常鐵液流速緩慢，且收縮傾向很大，但通過對階梯試樣澆注發(fā)現(xiàn)其充型能力尚較好，故假設(shè)進(jìn)展排氣管鑄件澆注時(shí)應(yīng)注意建立高的液壓力與科學(xué)合理的補(bǔ)縮系統(tǒng)。e.通過澆注試樣的尺寸測量，本牌號高鎳球鐵鑄件收縮率應(yīng)在1.3%左右，為工藝設(shè)計(jì)提供參數(shù)。(2) 材質(zhì)的優(yōu)化調(diào)整試驗(yàn)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，高鎳球鐵的球化存在明顯的不良狀況，改善球

5、化是生產(chǎn)高鎳球鐵的重要環(huán)節(jié)。由于高鎳球鐵的使用性能是由其合金化所保障的，所以我們在合金化上很少能開展工作，鐵液的過冷是客觀存在的。于是，在圍繞球化和孕育技術(shù)處理方面進(jìn)展了系統(tǒng)的試驗(yàn)工作。a.球化處理方面繼續(xù)采用低稀土球化劑進(jìn)展球化處理試驗(yàn)，參加比例為1.2%-1.8%，探討球化穩(wěn)定可行性；試驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)，單純改變球化劑參加量對球化效果影響不大。b.孕育處理方面孕育處理主要采取了兩方面工作，高效孕育劑試驗(yàn)與大劑量孕育試驗(yàn)。高效孕育劑試驗(yàn)采用富士科250-900型孕育劑搭配試驗(yàn)，250-900含有少量的鈣、鋁、鋇，可促進(jìn)形核，抑制碳化物形成，延長孕育衰退時(shí)間；對提高球鐵的球化率、減少鑄件的壁厚敏感性

6、、延緩孕育衰退有明顯、穩(wěn)定一致的效果，我們采用的參加量分別為0.25%和0.35%，試驗(yàn)結(jié)果見圖2?？梢?，采用高效孕育劑對于改善球化具有一定的效果，但基體的石墨球不夠圓整，存在點(diǎn)狀石墨，尤其在搭子等厚大部位處。大劑量的孕育試驗(yàn)，我們主要是將孕育劑參加量提高，在1.0%-1.2%圍進(jìn)展，以促進(jìn)石墨化，減小鐵液過冷傾向。試驗(yàn)結(jié)果見圖3?？梢?，在采用大劑量孕育時(shí)，促進(jìn)了石墨化，點(diǎn)狀石墨和枝晶狀石墨完全消失.球化級別可以到達(dá)3-4級，可以滿足基體球化要求。2 排氣管的試澆注與球化優(yōu)化試驗(yàn)(1)排氣管模具制作主要針對高鎳排氣管做試驗(yàn)開發(fā)工作，根據(jù)掌握的合金流動性與收縮率等方面的技術(shù)參數(shù)，有針對性地進(jìn)展了

7、排氣管的工藝設(shè)計(jì)，進(jìn)展了三維建模，并完成了快速成型紙模模具的制作。模型與芯盒見圖4。(2)成分調(diào)整與毛坯試澆注采用紙模具，自硬砂造型，在進(jìn)展合金與孕育工藝調(diào)整的同時(shí)，進(jìn)展排氣管的試澆注，排氣管未進(jìn)展?jié)裁翱谠O(shè)計(jì)，以考察高鎳排氣管實(shí)際澆注情況。采用廢鋼+合金+增碳劑為主要原料，球化劑參加量1.5%，孕育劑(75SiFe)參加量1.2%，在鑄造研究所中試車間進(jìn)展了高鎳排氣管的澆注試驗(yàn)。試驗(yàn)澆注的排氣管化學(xué)成分、力學(xué)性能、金相組織見表1、表2、圖5。澆注的發(fā)動機(jī)排氣管毛坯與解剖照片見圖6。(3) 試驗(yàn)結(jié)果對澆注的發(fā)動機(jī)排氣管，進(jìn)展了力學(xué)性能試驗(yàn)與本體解剖，從首批高鎳排氣管澆注狀態(tài)可發(fā)現(xiàn)以下結(jié)果。a.采

8、用大劑量孕育處理對于石墨球化有較好的影響，可到達(dá)球化3級狀態(tài)，有助于石墨析出、球化，緩解合金過冷傾向。b.試棒力學(xué)性能均到達(dá)性能要求。c.在適宜的澆注溫度下，可澆注成型完整的發(fā)動機(jī)排氣管鑄件，且外表狀態(tài)較好。d.毛坯解剖發(fā)現(xiàn)，排氣管的3個搭子處均存在縮松與縮孔.邊緣處2個搭子由于冷卻條件較好，收縮傾向相對較小。3 高鎳發(fā)動機(jī)排氣管工藝優(yōu)化試驗(yàn)調(diào)整發(fā)動機(jī)排氣管毛坯的澆注過程發(fā)現(xiàn)，在排氣管法蘭的3個搭子處(熱節(jié)部位)存在較嚴(yán)重的縮孔，出現(xiàn)這種狀況主要是由于高鎳球鐵的收縮傾向大所致，我們解決縮松的重點(diǎn)也就在這里。針對排氣管的收縮缺陷，我們進(jìn)展了大量的工藝試驗(yàn)，主要工藝試驗(yàn)方案見表3。試驗(yàn)結(jié)果可見，由于高鎳球鐵的凝固特性所決定，而且發(fā)動機(jī)排氣管法蘭處3個搭子相對集中，形成熱節(jié)，致使搭子處的收縮傾向非常嚴(yán)重，尤其是中心的搭子處，限于構(gòu)造，補(bǔ)縮非常困難。采用管口大法蘭處進(jìn)鐵水，5個澆口，可以有效地對大法蘭平面進(jìn)展補(bǔ)縮，使大法蘭無縮松缺陷。但如在搭子法蘭處開澆道，大法蘭出現(xiàn)嚴(yán)重收縮傾向。采用通常冒口形式對于中心搭子處補(bǔ)縮，限于構(gòu)造約束，非常困難，我們采用保溫冒口形式，對搭子進(jìn)展補(bǔ)縮。優(yōu)化工藝后，采用一個保溫冒口，可以對3個搭子同時(shí)進(jìn)展補(bǔ)縮(壓邊胃口)，實(shí)現(xiàn)鑄件的無缺陷，并可以提高工藝出品率。各類工藝簡要圖片見圖7。4 結(jié)論通過大量的試驗(yàn)工作，完成了高鎳排氣管的系統(tǒng)開發(fā)工作，主要得出