汽车发动机排气管制造工艺研究

汽车发动机排气管制造工艺研究

高镍发动机排气管具有很好的高温使用性能，其最高使用温度可达925℃。高镍球铁在汽车零部件上主要用于高性能发动机排气管、涡轮增压器壳等耐热件的制造上。国内在这方面所做工作较少，随着汽车发动机性能的不断提升，对发动机排气管的使用性能要求越来越高，高镍球铁在汽车发动机排气管等耐热铸件上的应用会进一步增加。

一汽-大众奥迪B7、捷达A4的发动机排气管即设计为高镍球铁材料，其材质牌号为NiSiCr 35 5 2与NiSiCr 35 3 2。我们针对一汽-大众高镍排气管进行了试验研究与开发，以实现其国产化的目的。

1 高镍球铁排气管材质的开发

(1) 材质的先期开发与存在的问题

高镍球铁材质开发主要是按照德国高镍铸铁牌号GGG-NiSiCr355 2和NiSiCr35 3 2，我们进行40kg/炉的试棒与阶梯试样浇注试验，在要求范围内进行Si、Mn、Cr的调整，达到规定化学成分要求。球化剂均采用低稀土球化剂进行球化处理，即加入量为1.6%，孕育即采用75SiFe，加入量为0.8%。主要为了摸索高镍球铁的常规力学性能、退火性能、球化与孕育趋势、流动性能、收缩率等方面的基础参数。

试验结果如下。

a.基体组织主要为奥氏体组织，由于存在较高的Mn、Cr合金含量，基体中沿晶界处存在碳化物组织。

b.在正常球化时，试棒力学性能(常规与退火后)可达到德国高镍球铁标准要求，即抗拉强度>370N/mm2，伸长率>10%。

c.球化状况不稳定，试棒金相组织出现大量的枝晶点状的过冷石墨或蠕虫状衰退石墨.球化率低，严重恶化试棒力学性能，见图1。球化不良的原因分析可能主要源于以下方面。一方面是由于铁液中存在大量的合金元素，合金总量达到40%左右，致使铁液产生严重的过冷倾向，石墨化不好，石墨扩散不均匀，浓度起伏大，同时本身铁液含碳量又较低(NiSiCr35 52<2%，NiSiCr35 5 2<2.4%)，这均导致石墨均匀球化与长大变得非常困难，致使球化不良；另一方面，据国外相关研究报告显示，稀土(主要指轻稀土)对高镍球铁的球化会产生不利影响，当高镍球铁中的铈含量达到0.003%，则将促进球化严重衰退(这方面我们通过试验结果已有所发现)而得不到圆整的石墨球，故国外处理高镍球铁均采用镍镁合金或镍硅镁合金等来进行高镍球铁的球化处理，以镁来作为单纯的球化元素。因此，球化与孕育处理应作为材料试验的重点工作。

.高镍球铁的流动性能通过试棒浇注可以发现其粘稠度很高，温度越低，流动性能越差，铁液流动迟缓，较正常铁液流速缓慢，且收缩倾向很大，但通过对阶梯试样浇注发现其充型能力尚较好，故若进行排气管铸件浇注时应注意建立高的液压力与科学合理的补缩系统。

e.通过浇注试样的尺寸测量，本牌号高镍球铁铸件收缩率应在1.3%左右，为工艺设计提供参数。

(2) 材质的优化调整试验

试验发现，高镍球铁的球化存在明显的不良状况，改善球化是生产高镍球铁的重要环节。

由于高镍球铁的使用性能是由其合金化所保障的，所以我们在合金化上很少能开展工作，铁液的过冷是客观存在的。于是，在围绕球化和孕育技术处理方面进行了系统的试验工作。

a.球化处理方面

继续采用低稀土球化剂进行球化处理试验，加入比例为1.2%-1.8%，探讨球化稳定可行性；试验结果发现，单纯改变球化剂加入量对球化效果影响不大。

b.孕育处理方面

孕育处理主要采取了两方面工作，高效孕育剂试验与大剂量孕育试验。

高效孕育剂试验采用富士科250-900型孕育剂搭配试验，250-900含有少量的钙、铝、钡，可促进形核，抑制碳化物形成，延长孕育衰退时间；对提高球铁的球化率、减少铸件的壁厚敏感性、延缓孕育衰退有明显、稳定一致的效果，我们采用的加入量分别为0.25%和0.35%，试验结果见图2。

可见，采用高效孕育剂对于改善球化具有一定的效果，但基体的石墨球不够圆整，存在点状石墨，尤其在搭子等厚大部位处。

大剂量的孕育试验，我们主要是将孕育剂加入量提高，在1.0%-1.2%范围内进行，以促进石墨化，减小铁液过冷倾向。试验结果见图3。

可见，在采用大剂量孕育时，促进了石墨化，点状石墨和枝晶状石墨完全消失.球化级别可以达到3-4级，可以满足基体球化要求。

2 排气管的试浇注与球化优化试验

(1)排气管模具制作

主要针对高镍排气管做试验开发工作，根据掌握的合金流动性与收缩率等方面的技术参数，有针对性地进行了排气管的工艺设计，进行了三维建模，并完成了快速成型纸模模具的制作。模型与芯盒见图4。

(2)成分调整与毛坯试浇注

采用纸模具，自硬砂造型，在进行合金与孕育工艺调整的同时，进行排气管的试浇注，排气管未进行浇冒口设计，以考察高镍排气管实际浇注情况。

采用废钢+合金+增碳剂为主要原料，球化剂加入量1.5%，孕育剂(75SiFe)加入量1.2%，在铸造研究所中试车间进行了高镍排气管的浇注试验。试验浇注的排气管化学成分、力学性能、金相组织见表1、表2、图5。

浇注的发动机排气管毛坯与解剖照片见图6。

(3) 试验结果

对浇注的发动机排气管，进行了力学性能试验与本体解剖，从首批高镍排气管浇注状态可发现以下结果。

a.采用大剂量孕育处理对于石墨球化有较好的影响，可达到球化3级状态，有助于石墨析出、球化，缓解合金过冷倾向。

b.试棒力学性能均达到性能要求。

c.在适宜的浇注温度下，可浇注成型完整的发动机排气管铸件，且表面状态较好。

d.毛坯解剖发现，排气管的3个搭子处均存在缩松与缩孔.边缘处2个搭子由于冷却条件较好，收缩倾向相对较小。

3 高镍发动机排气管工艺优化试验调整

发动机排气管毛坯的浇注过程发现，在排气管法兰的3个搭子处(热节部位)存在较严重的缩孔，出现这种状况主要是由于高镍球铁的收缩倾向大所致，我们解决缩松的重点也就在这里。

针对排气管的收缩缺陷，我们进行了大量的工艺试验，主要工艺试验方案见表3。

试验结果可见，由于高镍球铁的凝固特性所决定，而且发动机排气管法兰处3个搭子相对集中，形成热节，致使搭子处的收缩倾向非常严重，尤其是中心的搭子处，限于结构，补缩非常困难。采用管口大法兰处进铁水，5个内浇口，可以有效地对大法兰平面进行补缩，使大法兰无缩松缺陷。但如在搭子法兰处开浇道，大法兰出现严重收缩倾向。采用通常冒口形式对于中心搭子处补缩，限于结构约束，非常困难，我们采用保温冒口形式，对搭子进行补缩。优化工艺后，采用一个保温冒口，可以对3个搭子同时进行补缩(压边胃口)，实现铸件的无缺陷，并可以提高工艺出品率。

各类工艺简要图片见图7。

4 结论

通过大量的试验工作，完成了高镍排气管的系统开发工作，主要得出以下结论。

(1)完成了排气管材料性能试验并达到材料性能要求。

(2)进行了球化与孕育工艺试验研究，稳定了球化效果，认为采用低稀土合金球化剂加大剂量孕育处理可以实现高镍球铁比较理想的球化结果。

(3)高镍球铁收缩倾向很大，铁液流动性差，生产中应注重工艺设计的合理性，以实现合格铸件的生产。