田普昌，許景峰，姜愛龍，楊淑欣，王 杰，張敏之

（1.濰柴動(dòng)力股份有限公司，山東 濰坊 261001；2.濰柴重機(jī)股份有限公司，山東 濰坊 261101）

隨著全球化進(jìn)程的不斷推進(jìn)，作為跨國運(yùn)輸主要方式的船運(yùn)，其運(yùn)輸時(shí)間、距離和頻次都有了大幅度的上升，由此對(duì)船體發(fā)動(dòng)機(jī)性能提出了更高的要求。蠕墨鑄鐵機(jī)體具有強(qiáng)度高、防爆性好等特點(diǎn)，且蠕鐵的應(yīng)用提高了發(fā)動(dòng)機(jī)的耐久性和使用壽命，故被廣泛應(yīng)用在商用車和工程機(jī)械等領(lǐng)域。但由于船用機(jī)體噸位大，蠕化過程極難控制，生產(chǎn)難度很大，導(dǎo)致目前船用市場(chǎng)上機(jī)體材質(zhì)基本為灰鐵和球鐵，還未推出相關(guān)大型蠕鐵系列產(chǎn)品。因此探究和改進(jìn)大型蠕鐵船用機(jī)體的工藝過程具有十分重要的現(xiàn)實(shí)意義。綜合目前蠕墨鑄鐵的生產(chǎn)，本文以公司自主研制的材質(zhì)為RuT400 的大型船用WH20 機(jī)體鑄件為例，選擇從熔煉工藝、蠕化處理、檢測(cè)優(yōu)化三個(gè)方面來闡述大型船用蠕墨鑄鐵件生產(chǎn)的工藝要點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)批量穩(wěn)定生產(chǎn)。

1 熔煉工藝

1.1 原材料控制

蠕墨鑄鐵在工業(yè)生產(chǎn)中的原材料有生鐵、廢鋼、回爐料、增碳劑等。原材料的選擇在很大程度上決定了熔煉鐵水的成分，而鐵水成分的控制一直以來是蠕墨鑄鐵生產(chǎn)的難點(diǎn)之一。因此選用材質(zhì)穩(wěn)定，成分單一的原材料（如采用低硫、低鈦、低磷、高碳低硅的生鐵及形狀規(guī)則、厚度均勻的碳素鋼板等）對(duì)推動(dòng)蠕墨鑄鐵件生產(chǎn)的持續(xù)和穩(wěn)定具有重要的積極意義。對(duì)于生產(chǎn)過程更難控制的大型船用蠕鐵件來說，原材料的控制更為重要。如材質(zhì)為RuT400 船用WH20 機(jī)體鑄件配料比可見表1.若原材料控制不當(dāng)，可能會(huì)導(dǎo)致鐵水內(nèi)S 元素含量不穩(wěn)定，某些微量元素過多而改變石墨形態(tài)等結(jié)果，影響了機(jī)體的性能，造成產(chǎn)品的報(bào)廢，進(jìn)而導(dǎo)致資源的浪費(fèi)及成本的升高。

1.2 熔煉過程控制

本公司熔煉生產(chǎn)設(shè)備采用的為德國ABP 公司生產(chǎn)的8 t 和20 t 兩種型號(hào)的中頻電磁感應(yīng)電爐，該設(shè)備具有極好的適應(yīng)性，能夠熔化多種成分、溫度的鐵水，滿足了不同型號(hào)產(chǎn)品生產(chǎn)的需求。由于感應(yīng)電爐調(diào)整成分較為簡便，通過合理控制鐵水成分及其范圍（見表2），可提高大型船用蠕墨鑄鐵件質(zhì)量的一致性。

表1 船用WH20 機(jī)體鑄件原材料配料比（質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%）

感應(yīng)電爐生產(chǎn)的鐵水具有白口傾向大及收縮傾向大等特點(diǎn)。由于過冷傾向較大，需在1 500 ℃～1 550 ℃的溫度下靜置5 min～15 min，在靜置狀態(tài)下會(huì)使?fàn)t內(nèi)沉渣上浮，起到凈化鐵水效果。其中靜置時(shí)間不宜過長，以免電爐表層鐵水過度氧化。

表2 原鐵水成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%）

1.3 出鐵量控制

精確控制蠕化處理鐵水量是控制蠕化穩(wěn)定生產(chǎn)的重要條件。蠕化處理加入的蠕化劑量是根據(jù)出鐵量計(jì)算得到的，出鐵量的變化會(huì)影響蠕化效果。另外鑄件重量是一定的，出鐵量過多（能源浪費(fèi)及增加后處理難度）或過少（鐵量較少，冷卻時(shí)造成后續(xù)鐵量供應(yīng)不足，易造成蠕鐵件的縮孔）都不利于蠕鐵件的生產(chǎn)。

1.4 鐵水包的選擇

一般來說，澆包處理鐵液的重量約為1 t～5 t，不滿足大型船用蠕鐵件的生產(chǎn)，因此本公司自行設(shè)計(jì)了幾款大噸位蠕鐵包，處理鐵液重量最大可達(dá)10 t.船用WH20 機(jī)體鑄件采用的澆包處理鐵水重量可達(dá)8 t，如圖1 所示。蠕鐵澆包與灰鐵澆包略有不同，其高徑比多為1.2～1.5，為“細(xì)長型”。目的是為了提高蠕化劑的吸收率，增加鎂蒸氣和鐵液的接觸時(shí)間。

圖1 澆包實(shí)物圖

1.5 出鐵溫度控制

大型船用蠕墨鑄鐵件生產(chǎn)過程中出鐵量大，出鐵時(shí)間長，需要嚴(yán)格控制其出鐵溫度。這是因?yàn)榇笮腿滂F件在蠕化處理及澆注等過程中用時(shí)較多，溫度下降較大，易造成鑄件出現(xiàn)縮松等缺陷，故需要適當(dāng)提高出鐵溫度，一般溫度范圍為1 480 ℃～1 520 ℃.

2 蠕化處理

2.1 包芯線成分

目前喂線法常采用含Mg 質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%～7%的包芯線，但大型船用蠕鐵件在進(jìn)行蠕化處理時(shí)由于喂線長度及喂線時(shí)間長，使鐵水中浮渣增多，易在表面形成浮渣層，不利于進(jìn)一步的蠕化處理，需要扒渣后進(jìn)行二次喂線，導(dǎo)致過程復(fù)雜，增加了蠕化處理的不穩(wěn)定性。因此本公司研發(fā)采用了高含鎂量（10%～12%）包芯線，解決了大型船用蠕鐵件分步處理的難題。具體高鎂包芯線成分如表3.

表3 高鎂包芯線化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%）

2.2 蠕化處理溫度

對(duì)于大型船用蠕鐵件生產(chǎn)來說，要根據(jù)鐵水成分、鑄件大小、壁厚情況、澆注溫度及生產(chǎn)條件等因素確定蠕化處理溫度，一般來說，8t 的船用WH20 機(jī)體鑄件的蠕化處理溫度控制范圍為1450℃～1 480 ℃.

2.3 蠕化處理時(shí)間

在蠕化處理中，只有保證蠕化反應(yīng)充分進(jìn)行，才能穩(wěn)定鎂的吸收率，進(jìn)而保證蠕化率，因此蠕化反應(yīng)速度不宜過快。對(duì)于大噸位蠕鐵生產(chǎn)來說，綜合鐵水量較大以及蠕化線Mg 含量較高的影響，其蠕化時(shí)間為1 min～2 min，蠕化處理喂線速度為30 m/s～50 m/s.經(jīng)多次測(cè)試，確定船用WH20 機(jī)體鑄件的蠕化時(shí)間約為70 s～80 s.

2.4 蠕化處理設(shè)備

2.4.1 喂線處理站

一般的蠕墨鑄鐵件生產(chǎn)采用的是叉車叉運(yùn)運(yùn)輸包的方式，而對(duì)于大型船用蠕墨鑄鐵件來說，叉車載重不夠，因此我們對(duì)喂線處理站進(jìn)行了系列改造。改造后蠕化處理采用吊車吊運(yùn)或者平板式運(yùn)輸?shù)姆绞?，具體如圖2 所示。同時(shí)蠕化站改為可以同時(shí)運(yùn)行四種不同成分的包芯線，實(shí)現(xiàn)了“一機(jī)多用”，同時(shí)滿足了普通及大型船用蠕鐵件的蠕化處理。

圖2 喂線處理站

2.4.2 OCC 熱分析儀

為了更好地控制蠕墨鑄鐵件生產(chǎn)過程，采用德國生產(chǎn)的OCC 熱分析儀，其原理是通過測(cè)量鐵水的凝固曲線，提取并分析某些特征點(diǎn)，從而推斷鐵水成分含量、石墨形態(tài)、蠕化孕育能力等特點(diǎn)。通過使用OCC 熱分析技術(shù)可以準(zhǔn)確判斷出鐵液的CE、液相線、蠕化和孕育效果，得到合格蠕化率的蠕墨鑄鐵材料。采用熱分析儀對(duì)蠕化處理后鐵水進(jìn)行實(shí)時(shí)測(cè)試，得到結(jié)果如圖3，可以發(fā)現(xiàn)液相線溫度為1 140 ℃，孕育和蠕化情況良好等信息，通過熱分析儀，更加直觀了解蠕化過程中鐵液的變化。

3 蠕墨鑄鐵的檢測(cè)分析

3.1 鐵水的檢測(cè)

將熔煉后的鐵水通過C-S 分析和光譜測(cè)試分析，確定鐵水中的各元素的含量，重點(diǎn)關(guān)注C、S、Mn等元素的含量，并對(duì)各元素含量進(jìn)行調(diào)控（如C 含量較低時(shí)加入增碳劑，C 含量較高時(shí)加入廢鋼等），確保各元素的含量在規(guī)定的范圍內(nèi)。其中由于某些元素會(huì)隨著在爐內(nèi)保溫時(shí)間的延長，損耗較為嚴(yán)重，因此需隔一定時(shí)間（2 h～3 h）測(cè)量爐內(nèi)鐵水成分，以保證爐內(nèi)鐵水成分合格。

3.2 鑄件的檢測(cè)

為了分析大型船用蠕鐵件本體的蠕化質(zhì)量情況，選擇船用WH20 機(jī)體鑄件本體不同區(qū)域進(jìn)行了蠕化率、內(nèi)部超聲波及性能檢測(cè)。

3.2.1 成分檢測(cè)

對(duì)蠕化處理后的光譜試樣進(jìn)行光譜分析后，得到試樣的化學(xué)成分，如表4 所示。對(duì)關(guān)鍵元素含量進(jìn)行檢查，看是否滿足標(biāo)準(zhǔn)。

表4 光譜試樣化學(xué)成分表（質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%）

3.2.2 蠕化率檢測(cè)

為了保證鑄件符合標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)船用WH20 機(jī)體鑄件的不同位置進(jìn)行金相測(cè)試，結(jié)果如圖4 所示，其中4a）為鑄件厚大位置，4b）為鑄件壁薄部分。從結(jié)果來看，厚達(dá)和壁薄部分蠕化率都約為80%，符合材質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)。

3.2.3 超聲波檢測(cè)

在鑄造生產(chǎn)中，由于材質(zhì)的不同，超聲波在灰鐵、蠕鐵、球鐵中具有不同速率，并由其中發(fā)現(xiàn)了超聲波直線傳播速率隨蠕化率的升高而增加的特點(diǎn)，因此通過大量生產(chǎn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，建立起符合本公司產(chǎn)品的蠕化率及超聲波傳播速率的關(guān)系圖，如圖5 所示。研究表明，樣塊上下平面的平行度、超聲波探頭與試樣表面垂直度以及珠光體的含量的增加等對(duì)聲波聲速的影響較小，因此超聲波可以大規(guī)模的應(yīng)用在復(fù)雜環(huán)境的工業(yè)生產(chǎn)中，作為檢測(cè)產(chǎn)品中是否產(chǎn)生片狀石墨的重要技術(shù)之一。由于大型船用蠕墨鑄鐵件體積較大，同一鑄件內(nèi)的不同位置同樣可能產(chǎn)生蠕化狀態(tài)差距較大的情況，檢測(cè)較為困難，因此可以通過便攜式的超聲波檢測(cè)設(shè)備對(duì)鑄鐵件的關(guān)鍵位置進(jìn)行測(cè)試。對(duì)船用WH20 機(jī)體鑄件的軸承檔、油底殼結(jié)合面等位置進(jìn)行了超聲波檢測(cè)，得到的數(shù)值在圖5 所示B 區(qū)域的不同位置。這表明在較大機(jī)體中，蠕化情況有所波動(dòng)，這與鐵水在鑄型中不同的冷卻速度有關(guān)。

圖3 熱分析儀檢測(cè)圖

圖4 不同位置船用WH20 機(jī)體金相圖片

圖5 蠕化率及超聲波傳播速率的關(guān)系

表5 船用WH20 性能指數(shù)

3.2.4 性能檢測(cè)

為了真實(shí)反映船用WH20 機(jī)體鑄件的性能，對(duì)本體進(jìn)行了切割，分別進(jìn)行了硬度、拉伸強(qiáng)度、伸縮率等性能的測(cè)試，結(jié)果如表5 所示。結(jié)果表明，鑄件本體性能符合RuT400 的標(biāo)準(zhǔn)要求。

4 結(jié)束語

對(duì)于大型蠕鐵件來說（如船用WH20 機(jī)體鑄件），通過精確控制工藝要點(diǎn)（如控制鐵水成分范圍、控制出鐵量、控制出鐵溫度、控制蠕化時(shí)間等工藝要點(diǎn)），爐前采用OCC 熱分析技術(shù)進(jìn)行蠕化及孕育效果等實(shí)時(shí)檢測(cè)控制，優(yōu)化生產(chǎn)流程、嚴(yán)格產(chǎn)品質(zhì)量檢測(cè)等生產(chǎn)工藝控制措施，可有效地提升產(chǎn)品合格率，實(shí)現(xiàn)大型船用蠕鐵件規(guī)?；€(wěn)定生產(chǎn)。