內(nèi)燃機(jī)進(jìn)排氣管鑄鐵件生產(chǎn)技術(shù)典型應(yīng)用 郭全領(lǐng)

1、內(nèi)燃機(jī)進(jìn)排氣管鑄鐵件生產(chǎn)技術(shù)典型應(yīng)用郭全領(lǐng) 2014.11.25 濟(jì)南 1. 概述 排氣歧管是內(nèi)燃機(jī)發(fā)動機(jī)的重要零部件，其壁薄、復(fù)雜空間結(jié)構(gòu)，安裝所需的眾多螺栓搭子、排氣、檢測多種形狀法蘭結(jié)構(gòu)，從而形成了眾多熱節(jié)結(jié)構(gòu)，這些給鑄造生產(chǎn)帶來不少技術(shù)難度，生產(chǎn)中容易產(chǎn)生縮松、夾渣、氣孔、砂眼等缺陷，其中縮松問題成為排氣歧管需要解決的主要問題； 其次，由于各種型號的內(nèi)燃機(jī)發(fā)動機(jī)排氣溫度高低不同，因此應(yīng)用排氣歧管的耐高溫鑄鐵材料牌號不同，其收縮特性不同，因此其解決縮松的技術(shù)工藝措施也不完全不同。 第3，排氣歧管的作用不限于將缸筒內(nèi)高溫氣體排出缸蓋，隨著渦輪增壓技術(shù)逐漸應(yīng)用，排氣歧管還承擔(dān)著將高溫動能氣體

2、輸送到渦輪增壓器中，因此低壓損、順暢、輸出氣壓穩(wěn)定，是排氣歧管設(shè)計制造的重要技術(shù)指標(biāo)，以滿足渦輪增壓發(fā)動機(jī)高功率、高扭矩、低排放的性能要求，因此高性能排氣歧管設(shè)計開發(fā)，也日益受到重視； 第4，為了提高排氣歧管的質(zhì)量、降低生產(chǎn)成本，近年來開發(fā)了多鐘排氣歧管生產(chǎn)技術(shù)方法，生產(chǎn)工藝方法不同，出現(xiàn)的缺陷不盡相同，其解決技術(shù)措施不完全相同，本報告主要針對排氣歧管主要常見的縮松缺陷，需要采用解決技術(shù)措施做一介紹。 1. 概述2. 排氣歧管常用生產(chǎn)技術(shù)序號生產(chǎn)技術(shù) 應(yīng)用狀況 缺 點(diǎn) 1 潮模砂應(yīng)用廣泛，鑄件表面質(zhì)量好，生產(chǎn)效率高，生產(chǎn)成本低，適用于大小批量生產(chǎn)。鑄件容易產(chǎn)生砂眼、氣孔缺陷，生產(chǎn)環(huán)境較差。 2

3、 自硬砂使用逐漸減少，無需造型機(jī)，鑄型硬度高，適用木模、塑料模 ，生產(chǎn)靈活性高，適用于單件小批量生產(chǎn)。生產(chǎn)效率低，勞動強(qiáng)度大，鑄件表面質(zhì)量差，容易產(chǎn)生砂眼缺陷。2. 排氣歧管常用生產(chǎn)技術(shù)序號生產(chǎn)技術(shù) 應(yīng)用狀況 缺 點(diǎn) 3殼型背丸近幾年應(yīng)用，鑄型硬度高，鑄件表面質(zhì)量好，生產(chǎn)環(huán)境好。適用于大批量生產(chǎn)。立澆工藝殼型設(shè)計時，射嘴間距規(guī)范為，才能獲得表面光潔、美觀的排氣管表面外觀質(zhì)量。生產(chǎn)效率較低，覆膜砂使用量較大，不適用于小批量生產(chǎn)。 4鐵模覆砂近幾年應(yīng)用，使用逐漸增加，鑄型硬度高，鑄件表面質(zhì)量好，鑄件致密性高，鑄件尺寸精度高，工藝出品率高，可達(dá)75%，覆膜砂消耗少。適用于大批量生產(chǎn)。工裝模具投資大，

4、工藝設(shè)計要求高，不適用于小批量生產(chǎn)。2. 排氣歧管常用生產(chǎn)技術(shù)序號生產(chǎn)技術(shù) 應(yīng)用狀況 缺 點(diǎn) 5負(fù)壓殼型近幾年應(yīng)用，快速發(fā)展中，鑄型硬度高，鑄件表面質(zhì)量好，生產(chǎn)環(huán)境好，能夠生產(chǎn)結(jié)構(gòu)復(fù)雜壁厚超薄的鑄件（2.8-3.0mm），適用耐熱鑄鋼材質(zhì)排氣歧管。生產(chǎn)效率較低，覆膜砂使用量較大，需要專用工裝，不適用于小批量生產(chǎn)。3. 排氣歧管材料技術(shù)發(fā)展及應(yīng)用序號材料牌號 應(yīng)用狀況工作溫度 1HT200HT250灰鑄鐵材質(zhì)，生產(chǎn)成本低，耐熱溫度低，較少使用，屬于逐漸淘汰材料牌號。 500 2RUT300蠕墨鑄鐵材質(zhì)，應(yīng)用較廣，廣泛取代灰鑄鐵，但目前應(yīng)用逐漸減少。 600 3QT400-15QT450-10普通

5、球鐵材質(zhì)，生產(chǎn)成本較低，應(yīng)用廣泛，廣泛取代灰鑄鐵，但目前使用量逐漸減少。 6403. 排氣歧管材料技術(shù)發(fā)展及應(yīng)用序號 材料牌號 應(yīng)用狀況工作溫度 4RUTSi4Mo， QTRSi4Mo1硅鉬球墨鑄鐵材質(zhì)，應(yīng)用日漸廣泛，取代普通球鐵、蠕墨鑄鐵趨勢明顯，使用量增長迅速。 750 5QTANi35Si5Cr2高鎳球墨鑄鐵材質(zhì)，高溫性能好，鑄件成本高，但應(yīng)用日漸廣泛，取代硅鉬球鐵，應(yīng)用量增迅速。 880 6ZG40Cr25Ni20Si2ZG40Cr25Ni13Nb2Si1ZG40Cr30Ni20Nb2Si1耐熱鑄鋼材質(zhì)，生產(chǎn)成本高，耐高溫性能優(yōu)異，應(yīng)用日漸廣泛，取代高鎳球墨鑄鐵，應(yīng)用增長迅速，使用量增

6、長快。 10304. 各種牌號材質(zhì)排氣歧管鑄件材料特性 補(bǔ)縮技術(shù)特點(diǎn) 排氣歧管的結(jié)構(gòu)復(fù)雜，孤立熱節(jié)眾多，因此，補(bǔ)縮是生產(chǎn)高致密性排氣歧管必須的設(shè)計技術(shù)，然而各種牌號的鑄鐵材質(zhì)因其收縮特性不同，其補(bǔ)縮技術(shù)特點(diǎn)要求不同。 序 號 材 料 牌 號 材料凝固收縮特性 鑄造工藝設(shè)計 補(bǔ)縮技術(shù)特點(diǎn) 1 HT200灰鑄鐵材質(zhì)，碳當(dāng)量CE 3.954.15，線收縮0.80%，石墨量（表面積）9.512.5%，析出的石墨量較多，凝固方式層狀凝固，液態(tài)補(bǔ)縮通道較暢通，縮松傾向小。一般排氣歧管灰鑄鐵材質(zhì)碳當(dāng)量高，石墨析出量多，在澆注系統(tǒng)補(bǔ)縮設(shè)計時，需要充分利于石墨膨脹補(bǔ)縮作用（均衡凝固理論），能夠?qū)崿F(xiàn)無冒口、小冒口

7、鑄造，鑄件致密性好。4. 各種牌號材質(zhì)排氣歧管鑄件材料特性 補(bǔ)縮技術(shù)特點(diǎn) 序 號 材 料 牌 號 材料凝固收縮特性 鑄造工藝設(shè)計 補(bǔ)縮技術(shù)特點(diǎn) 2 RUT300蠕墨鑄鐵材質(zhì)，碳當(dāng)量CE 4.354.45，線收縮0.90%,石墨量（表面積）11.013.5%，析出的石墨量較多(圖7)，但凝固方式為層狀+糊狀凝固，縮孔縮松較小。蠕墨鑄鐵材質(zhì)收縮類似于灰鑄鐵，碳當(dāng)量較高，石墨析出量較多，在澆注系統(tǒng)補(bǔ)縮設(shè)計時，需要充分利于石墨膨脹補(bǔ)縮作用（均衡凝固理論），能夠?qū)崿F(xiàn)少冒口和小冒口鑄造，鑄件致密性好。4. 各種牌號材質(zhì)排氣歧管鑄件材料特性 補(bǔ)縮技術(shù)特點(diǎn) 序 號 材料牌號 材料凝固收縮特性 鑄造工藝設(shè)計 補(bǔ)

8、縮技術(shù)特點(diǎn) 3QT400-15QT450-10普通球墨鑄鐵材質(zhì)，碳當(dāng)量CE 4.64.8，線收縮0.90%，石墨量（表面積）1215%，析出的石墨量較多（圖9），但凝固方式為糊狀凝固，液態(tài)補(bǔ)縮通道受阻，縮孔縮松傾向大。普通球墨鑄鐵排氣歧管螺栓搭子多、結(jié)構(gòu)壁厚尺寸差異大，必須采用冒口補(bǔ)縮，同時配合采用冷鐵輔助冷卻（適宜尺寸的孤立熱節(jié)處），實(shí)現(xiàn)順序補(bǔ)縮、石墨化膨脹自補(bǔ)縮（均衡凝固理論），實(shí)現(xiàn)良好的鑄件致密性。4. 各種牌號材質(zhì)排氣歧管鑄件材料特性 補(bǔ)縮技術(shù)特點(diǎn)序號 材料 牌號 材料凝固收縮特性 鑄造工藝設(shè)計 補(bǔ)縮技術(shù)特點(diǎn) 4QTRSi4MoQTRSi4Mo1硅鉬球墨鑄鐵材質(zhì)，碳當(dāng)量CE 4.604

9、.80，線收縮0.90%，石墨量（表面積）1215%，析出的石墨量較多（圖11），但凝固方式為糊狀凝固，液態(tài)補(bǔ)縮通道受阻，縮孔縮松傾向大；硅鉬球墨鑄鐵材質(zhì)中，Mo含量為0.50.9%或者1.01.5%，由Mo能夠增加球鐵高溫強(qiáng)度，提高球鐵熱疲勞性能，因此，在排氣歧管球鐵中，常常增加Mo合金，但Mo元素在鑄鐵凝固時容易在晶界偏析（圖12），也顯著增加球鐵的晶間縮松，因此生產(chǎn)實(shí)踐中，硅鉬球鐵比普通球鐵在熱節(jié)部位縮松傾向更大。硅鉬球墨鑄鐵也屬于球墨鑄鐵，因此在排氣歧管鑄造工藝設(shè)計中，也必須采用普通球墨鑄鐵的補(bǔ)縮技術(shù)，同時隨著Mo含量的遞增，也必須相應(yīng)的強(qiáng)化普通球鐵的補(bǔ)縮技術(shù)措施小熱節(jié)處補(bǔ)縮通道，或者

10、小冒口（冷鐵），大熱節(jié)處需要增大冒口壓頭，同時改善充型溫度場，充分利于石墨化膨脹補(bǔ)縮，提高鑄件致密性。4. 各種牌號材質(zhì)排氣歧管鑄件材料特性 補(bǔ)縮技術(shù)特點(diǎn)序號 材料牌號 材料凝固收縮特性 鑄造工藝設(shè)計 補(bǔ)縮技術(shù)特點(diǎn) 5QTANi35Si5Cr2高鎳球墨鑄鐵材質(zhì)，為奧氏體球墨鑄鐵，碳當(dāng)量CE 3.94.2，線收縮1.1%，析出的石墨量（表面積）7.59.0%，析出的石墨量少（圖13），凝固方式為糊狀凝固，奧氏體枝晶發(fā)達(dá)，液態(tài)補(bǔ)縮通道嚴(yán)重受阻，合金含量高，容易在晶界形成碳化物（圖14），非常容易產(chǎn)生縮孔縮松傾向。高鎳奧氏體球墨鑄鐵材質(zhì)雖然也屬于球鐵材質(zhì)，但由于碳當(dāng)量比普通球鐵和硅鉬球鐵低14%，石

11、墨析出量少39%，因此大量的生產(chǎn)實(shí)踐中，其縮松傾向比普通球鐵和硅鉬球鐵大很多，故在解決高鎳奧氏體球墨鑄鐵縮孔縮松缺陷中，主要采用的技術(shù)為強(qiáng)化冒口補(bǔ)縮技術(shù)+冷鐵輔助冷卻工藝，石墨化自補(bǔ)縮工藝（均衡凝固理論）對解決高鎳奧氏體縮松作用比在硅鉬球鐵的作用小很多。4. 各種牌號材質(zhì)排氣歧管鑄件材料特性 補(bǔ)縮技術(shù)特點(diǎn)序號 材料牌號 材料凝固收縮特性 鑄造工藝設(shè)計 補(bǔ)縮技術(shù)特點(diǎn) 6ZG40Cr25Ni20Si2ZG40Cr25Ni13Nb2Si1ZG40Cr30Ni20Nb2Si1奧氏體耐熱鑄鋼材質(zhì)，線收縮2.25%，層狀凝固，高合金含量，容易氧化，產(chǎn)生晶界縮松。金相組織見圖15圖16。耐熱鑄鋼材質(zhì)是層狀凝

12、固、線收縮高，是高鎳球鐵的2倍，同時由于氧化傾向大，在熔化保證除氧、脫氧的良好工藝的前提條件下，強(qiáng)化冒口補(bǔ)縮是提高耐熱鑄鋼排氣歧管致密性，解決耐熱鑄鋼排氣歧管縮松的主要途徑，輔助措施是在相對孤立熱節(jié)部位輔以冷鐵冷卻工藝措施。在解決耐熱鋼排氣歧管鑄件縮松時，不能有均衡凝固理論思維，因?yàn)槟蜔徼T鋼金相組織中沒有石墨，沒有石墨化膨脹。5. 高鎳球墨鑄鐵排氣歧管鑄件 泄漏問題的分析及解決 在汽車行業(yè)內(nèi)燃機(jī)汽車節(jié)能減排的推動下，在各種鑄鐵材質(zhì)排氣歧管中，高鎳排氣歧管因其材質(zhì)為高鎳奧氏體材質(zhì)，具有較高的高溫強(qiáng)度、較高的耐高溫疲勞性能，與耐熱鑄鋼相比，具有較好的鑄造工藝性和加工性能、因而具有較低的生產(chǎn)成本，日

13、益受到發(fā)動機(jī)排氣歧管、渦輪增壓器設(shè)計者的廣泛重視，應(yīng)用日益廣泛，節(jié)能減排發(fā)動機(jī)的新機(jī)型紛紛采用高鎳鑄鐵材質(zhì)，生產(chǎn)快速增長，年銷量增長25%以上，因其是相對廣泛應(yīng)用的普通球鐵、硅鉬球鐵來說，屬于新鑄造材料，鑄造技術(shù)要求高，鑄造工藝性差，廢品率相對較高，其主要廢品為漏氣廢品，漏氣比例一度達(dá)到6090%，成為鑄造生產(chǎn)工藝的主要問題。5. 高鎳球墨鑄鐵排氣歧管鑄件 泄漏問題的分析及解決 受傳統(tǒng)蠕墨鑄鐵、普通球墨鑄鐵、硅鉬球墨鑄鐵熔煉工藝、鑄造工藝設(shè)計(包括澆注系統(tǒng))經(jīng)驗(yàn)、作業(yè)習(xí)慣的影響，受到傳統(tǒng)蠕墨鑄鐵、普通球墨鑄鐵、硅鉬球墨鑄鐵較高工藝出品率的習(xí)慣思想影響，在高鎳排氣歧管鑄造工藝設(shè)計中，習(xí)慣性的采用

14、了前者的設(shè)計習(xí)慣和方法，使得高鎳排氣歧管鑄件象蠕墨鑄鐵、普通球墨鑄鐵、硅鉬球墨鑄鐵一樣，或多或少的在熱節(jié)部位存在尺寸很小的顯微縮松（射線探傷檢測），這些尺寸很小的顯微縮松+較大的縮松缺陷，造成了高鎳排氣歧管鑄件的漏氣廢品率居高不下3090%。5. 高鎳球墨鑄鐵排氣歧管鑄件 泄漏問題的分析及解決 根據(jù)前述高鎳奧氏體球墨鑄鐵材料凝固收縮特性、排氣歧管鑄件補(bǔ)縮技術(shù)特點(diǎn)，我們知道，高鎳奧氏體球墨鑄鐵材質(zhì)凝固收縮特性與蠕墨鑄鐵、普通球墨鑄鐵、硅鉬球墨鑄鐵有很大不同，主要是其碳當(dāng)量比普通球鐵和硅鉬球鐵低14%，石墨析出量少39%，因此必須采用不同于普通球鐵、硅鉬球鐵的補(bǔ)縮方式強(qiáng)化冒口補(bǔ)縮技術(shù)+冷鐵輔助冷卻

15、工藝，采用這項技術(shù)后，通過相應(yīng)的鑄造鐵液充型、溫度場、縮松計算機(jī)數(shù)值模擬軟件計算，排氣歧管鑄件縮松缺陷消失，批量生產(chǎn)后的高鎳奧氏體球墨鑄鐵排氣歧管漏氣廢品率降低到1%（見圖15），許多高鎳高鎳排氣歧管鑄件采用這項技術(shù)后，漏氣廢品率大幅降低，漏氣率也降低到1%，多年的高鎳球鐵排氣歧管生產(chǎn)廢品率居高不下的難題得到有效解決。5. 高鎳球墨鑄鐵排氣歧管鑄件 泄漏問題的分析及解決圖15 排氣氣溫度900的高鎳球鐵排氣管6. 渦輪增壓發(fā)動機(jī)功率、扭矩不足 問題的分析及解決 在汽車行業(yè)內(nèi)燃機(jī)汽車節(jié)能減排政策的推動下，發(fā)動機(jī)設(shè)計人員在發(fā)動機(jī)的缸體、缸蓋、進(jìn)氣歧管、排氣歧管、渦輪增壓器的設(shè)計做了大量節(jié)能降耗技術(shù)

16、工作，以提高發(fā)動機(jī)的升功率，提高扭矩、降低排放，由于發(fā)動機(jī)越來越多的采用渦輪增壓技術(shù)節(jié)能技術(shù)，其中的關(guān)鍵部件渦輪增壓器對發(fā)動機(jī)功率、扭矩、排放影響十分顯著，因此前置于渦輪增壓器的排氣歧管氣道結(jié)構(gòu)尺寸精度就對渦輪增壓器工作性能的作用十分顯著，尤其是排氣歧管氣道的關(guān)鍵部位尺寸。6. 渦輪增壓發(fā)動機(jī)功率、扭矩不足 問題的分析及解決 例如，如下圖16所示的高鎳球鐵材質(zhì)排氣歧管，因其氣道尺寸的變化，導(dǎo)致2.0升、功率150kw、扭矩280NM的渦輪增壓汽油發(fā)動機(jī)的功率扭矩不足，經(jīng)過流體技術(shù)分析認(rèn)為，該排氣歧管關(guān)鍵部位氣道尺寸不足，導(dǎo)致了發(fā)動機(jī)的功率扭矩不足，增加排氣歧管關(guān)鍵部位氣道尺寸0.2mm，經(jīng)過發(fā)

17、動機(jī)臺架試驗(yàn)證明，發(fā)動機(jī)功率增加5Kw功率、扭矩增加8NM，最終使發(fā)動機(jī)的技術(shù)指標(biāo)達(dá)到設(shè)計指標(biāo)，由此可見，對于渦輪增壓發(fā)動機(jī)來說，排氣歧管的氣道尺寸精度是非常重的，必須在設(shè)計開發(fā)、制造中嚴(yán)格控制。6. 渦輪增壓發(fā)動機(jī)功率、扭矩不足 問題的分析及解決 圖16 排氣氣溫度950的高鎳球鐵排氣管7. 排氣歧管鑄件開裂漏氣失效 問題的分析及解決 排氣歧管是發(fā)動機(jī)的重要零件，客戶要求正常使用條件下，排氣歧管不允許失效，因此在西排公司設(shè)計開發(fā)生產(chǎn)的2000多各種排氣歧管中，用戶反饋排氣歧管失效的數(shù)量很少，一旦出現(xiàn)排氣歧管失效，客戶非常重視，在排氣歧管失效的模式中，開裂漏氣是其主要失效模式，這是因?yàn)榕艢馄绻?/p>

18、承受著高溫氣流能量的不斷沖擊、承受著冷熱交替的冷熱沖擊，在高溫下，排氣歧管材質(zhì)強(qiáng)度顯著降低，排氣歧管工作溫度很高，相應(yīng)的其熱應(yīng)力很大，能夠達(dá)到200Mpa以上，同時還承受著發(fā)動機(jī)震動、渦輪增壓器的載荷，根據(jù)解決眾多排氣歧管失效的成功案例，縱觀排氣歧管開裂漏氣失效根本管理原因，主要是排氣歧管產(chǎn)品開發(fā)設(shè)計不足所致（雖然也有鑄造缺陷等原因造成排氣歧管失效，更多的失效原因不是鑄造缺陷所致），7. 排氣歧管鑄件開裂漏氣失效 問題的分析及解決 產(chǎn)生原因是排氣歧管作為發(fā)動機(jī)的一個零件，與發(fā)動機(jī)缸體、缸蓋相比，它所承受的各種嚴(yán)酷熱載荷沒有受到重視，它的復(fù)雜性沒有得到重視，規(guī)定的設(shè)計開發(fā)時間短，沒有合理的設(shè)計資源，這就造成了在設(shè)計過程中，不能夠進(jìn)行詳細(xì)的氣道結(jié)構(gòu)、強(qiáng)度結(jié)構(gòu)設(shè)計計算，鑄造工藝設(shè)計計算，材質(zhì)改進(jìn)設(shè)計計算（材質(zhì)選擇不盡合理），排氣歧管的相關(guān)安裝設(shè)計計算，種種不盡合理因素為排氣歧管在高溫載荷條件下工作的可靠性埋下了隱患排氣歧管高溫結(jié)構(gòu)強(qiáng)度不能充分滿足其嚴(yán)酷的工作條件，造成了開裂漏氣失效，為了更好的解決排氣歧管開裂失效問題，CFD(計算機(jī)流體設(shè)計軟件)、ABQUES有限元分析是排氣歧管結(jié)構(gòu)設(shè)計很好設(shè)計方法，采用這些技術(shù)進(jìn)行設(shè)計、并嚴(yán)格按照設(shè)計開發(fā)程序進(jìn)行設(shè)計，設(shè)計開發(fā)出的排氣歧管能很好的提高排氣歧管的可靠性，降低排氣歧管開裂、變形、漏氣失效的風(fēng)險，提高排氣管