CN101225497A - 球墨铸铁排气歧管的制备方法 - Google Patents

Abstract

一种球墨铸铁排气歧管的制备方法，其球墨铸铁材质，主要包括铁、磷、硫、镁、锑、锡、硼、铝、铬、镍、铅、钛、钒、锰、铜、钼、碳及硅合金元素；其中锰的重量含量为0.10％～0.20％、铜的重量含量为＜0.20％、钼的重量含量为0.80％±0.03％、碳的重量含量为3.35％以下、硅为3.65％以下；还包括重量百分比为0.15％±0.05％的随流孕育剂；使用包括设有直浇道、入水口、横浇道及冒口的浇注装置浇铸成型排气歧管，该浇注装置的入水口为管柱体，入水口靠近与铸件连接位置的管壁上设有凹槽，凹槽管壁向外倾斜，入水口尾部与横浇道之间具有夹角，并增加入水口与铸件本体连接处的厚度，提高铸件与入水口处的连接强度，有效降低流路去除时对铸件本体的损伤程度。

Description

球墨铸铁排气歧管的制备方法

一、技术领域

本发明涉及发动机用排气歧管，尤其涉及一种发动机用Si Mo球墨铸铁排气歧管的材质及其制备，以及采用这种材质制备排气歧管的球墨铸铁排气歧管的制备方法。

二、背景技术

随着汽车行业技术的发展，对汽车零部件的技术要求也越来越高。针对发动机所用的排气管也由不锈钢产品向耐热铸铁方向发展。这种转换的结果是降低了材料成本但同时提高了对生产制备工艺的技术要求。生产制备工艺的主要技术要求包括：耐热温度在870℃，在冷热交替的使用条件下不变形(变形量＜0.5mm)，抗热疲劳。

Si Mo球墨铸铁的金相组织中的基体组织主要是铁素体及晶界间的珠光体和钼富集相(见图1)。当铸件的温度升高到650℃以上时，珠光体便开始分解，分解产物是铁素体和石墨。珠光体的分解会造成铸件基体线性及体积膨胀。相同温度下的膨胀量与珠光体含量之间呈线性关系。比例系数(800℃)为每1％的珠光体产生0.036％的变形量(例如：基体珠光体含量为25％在800℃的状况下由于珠光体分解会造成约0.9％的线性膨胀)。如果铸件在±0.45％的变形量范围内重复循环将导致铸件的疲劳失效(产生断裂，出现裂纹)。这种热疲劳失效在实际应用过程中是不能被接受的。由以上数据可以计算出导致热疲劳失效的珠光体含量临界值为12.5％，而在实际生产制备工艺中要求控制珠光体含量＜10％。

由于Si Mo球墨铸铁性能与普通铸铁性能之间的区别，使其生产制备排气歧管的设备工艺等都存在有很大差异，两者存在的明显差异有：Si Mo球墨铸铁具有冷隔倾向大、缩松倾向大、脆性大，因此铸件易损伤。若采用改善前的排气管浇注装置，对于冷隔缺陷，可以采取增加入水口面积的方法提高铁水冲型速度来消除冷隔缺陷；而缩孔倾向大，增大入水口面积就后会在入水口部位形成缩松，同时因脆性大且铸件壁厚仅为4mm，增大入水面积，即入水口与铸件连接的总体长度或厚度就会相应增加，所以在流路去除时就会产生铸件损伤的问题。

三、发明内容

本发明的主要目的在于克服现有产品存在的上述缺点，而提供一种球墨铸铁排气歧管的制备方法，

首先，通过降低球墨铸铁金相组织中的珠光体含量，即控制珠光体含量小于10％的方法，改善球墨铸铁排气歧管材质的性能，使球墨铸铁排气歧管抗疲劳性能良好，在冷热交替的使用条件下，具有不变形的效果；其次，改进适合该材质注浇装置的结构，克服此种球墨铸铁浇铸过程中出现的缩松、损伤缺陷，提高排气歧管的质量，并能满足量产要求。

本发明的目的是由以下技术方案实现的。

本发明球墨铸铁材质，主要包括铁(Fe)、磷(P)、硫(S)、镁(Mg)、锑(Sb)、锡(Sn)、硼(B)、铝(Al)、铬(Cr)、镍(Ni)、铅(Pb)、钛(Ti)、钒(V)、锰(Mn)、铜(Cu)、钼(Mo)、碳(C)及硅(Si)合金元素；其特征在于，所述锰(Mn)的重量含量为0.10％～0.20％、铜(Cu)的重量含量为＜0.20％、钼(Mo)的重量含量为0.80％±0.03％、碳(C)的重量含量为3.35％以下、硅(Si)为3.65％以下；还包括随流孕育剂，该随流孕育剂添加的重量百分比为0.15％±0.05％。

前述的球墨铸铁材质，其特征在于，所述随流孕育剂是主要包括铁(Fe)、硅(Si)、钡(Ba)、钙(Ca)及铝(Al)元素的化合物，该组合物的重量百分比是：硅(Si)为70～75％、钡(Ba)为0.5～1.5％、钙(Ca)为1.0～3.0％、铝(Al)为2.5％以下，其余为铁(Fe)；该随流孕育剂的粒度为0.1～0.2mm。

本发明球墨铸铁排气歧管的制备方法，其特征在于，将重量百分比为80％至90％的返材及5％至10％的生铁加入冲天炉中，经过底焦燃烧、热量交换和冶金反应完成熔化，熔化后的铁水倒入感应电炉中，当铁水温度升至1380℃～1400℃时，对电炉中的铁水成分进行检测，将检测得到的各合金成分的数值，与各成分目标值进行比较，计算出差值，根据计算差值向感应电炉中添加石墨粉、硅铁、钼铁，使感应电炉中铁水合金元素含量达到需要的标准，感应电炉中的铁水成分符合标准后，将铁水的温度升高至1480℃～1520℃，加入球化剂，经过球化处理后的铁水运至浇注机内，铁水的温度控制在1370℃～1420℃时开时浇注，浇注时加入重量百分比为0.15％±0.05％的随流孕育剂。

本发明球墨铸铁材质排气歧管制备方法使用的装置，包括设有直浇道(1)、入水口(2)、横浇道(3)及冒口(4)的浇注装置，该入水口(2)为管柱体；其特征在于，所述入水口(2)靠近与铸件连接位置的管壁上设有向内凹的凹槽(8)，设有凹槽(8)的管壁(11)向外倾斜，入水口(2)的尾部(12)与横浇道(3)之间具有夹角，该为10至15度；入水口(2)与铸件本体(5)的连接处的厚度为3.5mm到5mm。(以提高铸件(5)与入水口(2)处的连接强度，降低流路去除时对铸件本体的损伤程度。)

前述的球墨铸铁材质排气歧管制备方法使用的装置，其特征在于，所述凹槽(8)的半径为3.5至4.0mm，凹槽(8)的壁厚(10)为3至3.5mm。

前述的球墨铸铁材质排气歧管制备方法使用的装置，其特征在于，所述管壁(11)向外倾斜的角度为24至28度。

前述的球墨铸铁材质排气歧管制备方法使用的装置，其特征在于，所述入水口尾部(12)与横浇道(3)之间的夹角为10至15度。

本发明球墨铸铁排气歧管的制备方法的有益效果是：首先，通过降低球墨铸铁金相组织中的珠光体含量的方法，控制排气歧管材料中珠光体的含量小于10％，使排气歧管在冷热交替的使用条件下不变形；另外，改进浇注装置入水口的结构，使入水口尾部较厚大，这样，在铁水凝固过程中入水口尾部较厚大的部位即可形成新的热结，热结部位的铁水就可以补缩于入水口与铸件的结合部位，从而克服入水口处缩松问题导致产品质量不理想的问题。

四、附图说明

图1为现有Si Mo球墨铸铁材料金相组织图。

图2为现有球墨铸铁材料中C Si含量控制在上限试验时石墨爆炸图。

图3为现有球墨铸铁材料中C Si含量控制在下限试验时的金相图。

图4为现有球墨铸铁材料中C Si含量调整后的金相图。

图5为本发明球墨铸铁材料增加随流孕育剂后的金相图。

图6为现有球墨铸铁排气歧管浇铸装置结构示意图。

图7为现有球墨铸铁排气歧管浇铸装置入水口结构示意图。

图8为现有入水口改善前的浇铸装置入水口处缩松状态图。

图9为本发明排气管浇注装置入水口结构示意图。

图中主要标号说明：1直浇道、2入水口、3横浇道、4冒口、5铸件、6铸件壁厚、7入水口与铸件连接处、8凹槽、9热结、10凹槽槽壁、11入水口管壁、12入水口尾部、13入水口与横浇道夹角。

五、具体实施方式

本发明球墨铸铁材质，主要包括铁(Fe)、磷(P)、硫(S)、镁(Mg)、锑(Sb)、锡(Sn)、硼(B)、铝(Al)、铬(Cr)、镍(Ni)、铅(Pb)、钛(Ti)、钒(V)、锰(Mn)、铜(Cu)、钼(Mo)、碳(C)及硅(Si)合金元素；其改进之处在于，将锰(Mn)的重量含量调整为0.10％～0.20％、铜(Cu)的重量含量调整为＜0.20％、钼(Mo)的重量含量调整为0.80％±0.03％、碳(C)的重量含量调整为3.35％以下、硅(Si)为调整3.65％以下；而且包括随流孕育剂，该随流孕育剂添加的重量百分比为0.15％±0.05％。

本发明球墨铸铁材质，其添加的随流孕育剂是主要包括铁(Fe)、硅(Si)、钡(Ba)、钙(Ca)及铝(Al)元素的化合物，该组合物的重量百分比是：硅(Si)为70～75％、钡(Ba)为0.5～1.5％、钙(Ca)为1.0～3.0％、铝(Al)为2.5％以下，其余为铁(Fe)；该随流孕育剂的粒度为0.1～0.2mm。

本发明球墨铸铁材质的制备方法，是将重量百分比为80％至90％的返材及5％至10％的生铁加入冲天炉中熔化，熔化后的铁水倒入感应电炉中，当感应电炉中的铁水温度升至1380℃～1400℃时，检测此时感应电炉中铁水的成分，根据检测得到的各合金成分的数值，与各成分目标值进行比较，计算出差值，根据计算的差值向感应电炉中添加石墨粉、硅铁、钼铁，使感应电炉中铁水合金元素含量达倒需要的标准，即锰(Mn)的重量含量为0.10％～0.20％、铜(Cu)的重量含量为＜0.20％、钼(Mo)的重量含量为0.80％±0.03％、碳(C)的重量含量为3.50％±0.05％、硅(Si)为3.20±0.05％；然后添加重量百分比为0.15％±0.05％的随流孕育剂。

本发明球墨铸铁排气歧管制备方法的实施例：

1、球墨铸铁材质的制备，将4500kg返材和300kg生铁加入冲天炉中，经过底焦燃烧、热量交换和冶金反应过程熔化为铁水。底焦燃烧即冲天炉中的底焦在风压气流的作用下受热开始着火燃烧，空气在穿越焦炭的过程中，氧与碳发生燃烧反应，生成二氧化碳和一氧化碳。随着燃烧反应的进行，炉气中的氧逐渐消失，二氧化碳浓度随之增加，炉温也随之上升。热量交换即冲天炉中的气体以对流传热为主，进行炉料与冲天炉中的气体之间热交换，冲天炉中的铁料是从紧贴底焦顶面那一批开始熔化，在熔化过程中，底焦因燃烧消耗而下降，金属料也随之下移，逐层熔化。冶金反应即冲天炉的炉气对于铁而言，无论在冲天炉中任何区域都是氧化性的，对于与氧亲和力比铁大的硅(Si)、锰(Mn)和其它合金元素将更是如此，所以冲天炉中的铁水化学成分发生相应的增减变化。经过以上过程后，冲天炉中的返材、生铁熔化为铁水，将冲天炉熔化的铁水倒入感应电炉中，再将180kg的废钢加入感应电炉中升温熔化，由于生铁和返材的含碳(C)量(3.3％以上)高于形成铸件铁水标准的碳量，所以加入含碳(C)量低的废钢进行成分的配制，从而得到合格的铁水成分，经过感应电炉40分钟的升温熔化，感应电炉中的铁水温度升至1380℃后，从感应电炉中提取分光试片，通过光谱分析仪检测此时炉中铁水的成分为：锰(Mn)的重量百分含量为0.18％，铜(Cu)的重量百分含量为0.14％，钼(Mo)的重量百分含量为0.65％，碳(C)的重量百分含量为3.42％，硅(Si)重量百分含量为3.75％，硫(S)的重量百分含量为0.011％，磷(P)的重量百分含量为0.044％，据检测得到的各合金成分的数值，与各成分目标值进行比较，计算出差值为：钼(Mo)的重量百分含量差值为目标值0.80％减实测值0.65％等于0.15％，碳(C)的重量百分含量差值为目标值3.50％减实测值3.42％等于0.08％，硅(Si)的重量百分含量差值为目标值3.85％减实测值3.75％等于0.10％，根据计算的差值向容量为5000kg感应电炉中添加碳(C)4kg、硅铁5kg、钼铁7.5kg，使感应电炉中铁水合金元素含量达倒需要的标准，即锰(Mn)的重量百分含量为0.1％、铜(Cu)的重量百分含量为14％、钼(Mo)的重量百分含量0.79％、碳(C)的重量百分含量为3.50％、硅(Si)为3.19％，使感应电炉中的铁水成分已符合标准。

2、将符合标准成分的铁水升温至1500℃后进行铁水球化处理，根据硫(S)的重量百分含量及出铁水重量在铁水包中加入球化剂，本实施例中使用的球化剂为市售产品，其型号为5.5球化剂、4.5球化剂(是两种型号同时使用)；添加球化剂的同时还需要添加孕育剂和覆盖剂，硫(S)的重量含量0.11％及出铁水重量为900kg，球化剂的加入量为9.9kg，其型号为5.5球化剂的加入重量为1kg，其型号为4.5球化剂的加入量为8.9kg，铁水球化反应50秒后，将铁水倒入浇注机内进行浇注(浇注温度为1410℃)，铁水浇注的同时加入铁水重量0.15％±0.05％的随流孕育剂，浇铸使用具有如图9所示入水口的排气歧管浇注装置，浇注出合格的铸件。

本实施例中涉及的底焦燃烧、热量交换和冶金反应过程熔化工艺，铁水球化处理工艺以及浇注工艺均为现有技术，故，不再进行详细赘述；另，铁水球化处理工艺中使用的球化剂、孕育剂和覆盖剂均为市售产品，也不再进行赘述。

本发明球墨铸铁排气歧管的制备方法，其技术方案的特点及优点是：

第一，为消除入水口缩松及损伤，本发明对排气歧管浇铸装置进行改进。

本发明采用的是DISA(射垂直分型无箱造型)造型设备，排气歧管的浇注装置结构，如图6所示，现有排气歧管的浇注装置，其入水口2结构如图7所示。浇铸过程中因在入水口2处形成热节，凝固收缩时会形成缩松(见图8所示)，因而造成铸件报废；另外，因铸件壁6的厚度很薄，去除入水口2时铸件本体5会发生断裂造成报废。针对此种状况，本发明将图6所示的现有排气歧管浇注装置中入水口结构改进为图9所示的入水口，可以消除铸件入水口2与铸件5连接处缩松(图8所示)及铸件损伤的缺陷，因为改进后的入水口2，其尾部12比现有浇注装置中入水口尾部厚大，这样，在铁水形成铸件的凝固过程中，本发明改进的入水口2尾部12形成新的热节9，在凝固过程中可以利用热节9中的铁水为入水口2与铸件5的结合部位7缩松的部位进行充分补缩，从而消除了入水口处的缩松(图8所示)；另外，入水口2与铸件5连接处7的厚度10由现有的3mm增加到5mm，从而提高了入水口2与铸件5连接处7的连接强度；再者，在入水口2的管壁上开设出向内凹陷的凹槽8，该凹槽8的半径(R)为3.0mm，凹槽8槽壁10的最小厚度为3mm，使所有的应力都可以集中在入水口2开出半径为3.0mm的凹槽8上，当流路去除时，由于所有应力都集中在凹槽8槽壁10处；加之入水口2与铸件5连接处7的厚度增加，连接强度提高，所以有效避免了流路去除时，从入水口2与铸件5的结合部位7断裂的问题，克服铸件5损伤的缺陷。

第二，由于排气歧管在温度到达800℃时，其材料中每1％的珠光体会产生0.036％的变形量，导致热疲劳失效的珠光体含量临界值为12.5％，重复循环将导致铸件的疲劳失效(产生断裂，出现裂纹)，为此本发明在实际生产制备工艺中将球墨铸铁材料中珠光体含量控制为小于10％，能够改善球墨铸铁排气歧管材质的性能，使球墨铸铁排气歧管抗疲劳性能良好，在冷热交替的使用条件下，具有不变形的效果。

一、保证珠光体含量措施的确定。

1、Mn Cu Mo的含量确定。

一般Si Mo球墨铸铁的国际材质规范各元素的含量范围都比较宽松，见表1所示。满足国际材质规范并不能保证“珠光体低含量小于10％”的要求。针对确定珠光体合金元素Mn Cu Mo合理含量，通过以下方法进行设定，MnCu降至实际生产所能保证的最低值，Mn 0.10％-0.20％Cu＜0.20％，对于Mo也尽量取较低含量但与规范下限之间预留了安全余量，最终取值为0.80±0.03％。

合金元素	C	Si	Mn	P	S	Mo
							含量范围(％)	3.30-3.80	3.50-4.50	0.10-0.50	0.05Max	0.035Max	0.75-1.00

2、C Si的含量的确定。

C Si的含量会直接影响到铁水的流动性和收缩倾向，也就是说会明显的影响到废品率。所以我们针对C Si含量做了CE值上下限试验(试验方法：熔解两种成份的铁水，一种C、Si均在国际规范的上限，一种C、Si均在国际规范的下限。两种铁水分别浇注后对铸件的性能、不良状况进行比较，从而得出成份选取的方向)。

(1)对C Si的上限值进行验证，验证时的铁水成分见表2所示。试验结果：在1435℃时铁水呈粥状，铁水流动性很差；铸件表面缺陷报废率高，渣眼、渣气孔比例高达80％；球化率不合格有“石墨爆炸”现象，金相照片参阅图2所示。

合金元素	C	Si	Mn	P	S	Mo
							含量范围(％)	3.78	4.46	0.19	0.044	0.014	0.80

(2)对C Si的下限值进行验证，验证的具体成分见表3所示。试验结果铁水流动性得到明显改善；铸件外观缺陷的报废率也降至5％以下；球化率达到了90％以上。珠光体含量在15％左右(使用“SISC-IAS8金相分析软件”测定珠光体含量)，金相照片参阅图3所示。以上状况显示C Si在下线时不良状况，球化率等方面均符合要求但珠光体含量仍旧不符合＜10％的要求。为降低珠光体含量，将C Si含量由下线值向上调整，调整后试验的成分见表3所示，对调整后的金相进行检测珠光体含量已经在10％左右，参阅图4所示。

合金元素	C	Si	Mn	P	S	Mo
							含量范围(％)	3.35	3.65	0.18	0.035	0.011	0.83

(3)工艺工程中增加随流孕育剂。

经上述方法调整的球墨铸铁材质中，珠光体含量依然在标准的上限附近，此种状况在大批量生产中很难保证能100％符合要求。所以仍需进一步降低珠光体的含量。因已经没有调整铸件成分的空间，最终确定使用添加随流孕育剂(随流孕育剂的成分：Si：70％-75％，Ba0.5％-1.5％，Ca：1.0％-3.0％，Al：2.5％以下)的方法来均匀组织，减少晶间偏析从而减少珠光体的含量。随流孕育剂的加入比例是铁水重量的0.15％±0.05％。增加随流孕育后试验结果珠光体含量满足10％以下的要求。增加随流孕育后的铁水试验成分见表4所示，试验结果金相照片参阅图5所示。

合金元素	C	Si	Mn	P	S	Mo
							含量范围(％)	3.50	3.85	0.19	0.038	0.016	0.82

(4)为保证珠光体含量最终确定的成份如表5所示，且生产时要添加0.15±0.05％，粒度0.1～0.2mm的随流孕育剂。

合金元素	C	Si	Mn	P	S	Mo
							含量范围(％)	3.50±0.10	3.85±0.10	＜0.20	＜0.05	0.020	0.80±0.03

本发明中涉及的有关技术术语说明：

1、流路：在形成铸件的浇注系统中，铁水形成铸件时所经过的路线。

2、返材：铸造原材料经过熔炼浇注以后没有形成合格铸件的所有材料。

3、缩松：在形成铸件的过程中，由于合金的液态收缩和凝固收缩大于固态收缩，出现的细小空洞得不到外部合金液体的补充而形成分散性的细小缩孔。

4、现有的铸件浇注装置，主要包括浇口杯、横浇道、直浇道、入水口和冒口。合格的铁水首先通过浇口杯进行浇注，铁水通过浇口杯流入直浇道，然后流入横浇道，通过横浇道与铸件相连接的入水口进行浇注出所需的铸件以及铸件顶部的冒口。冒口的主要作用是为了铁水在铸件形成过程中，由于铸件铁水的凝固会造成铁水体积的收缩，而利用冒口中的铁水来补充铸件由于铁水凝固所造成的体积收缩。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围。

Claims (7)

1.一种球墨铸铁材质，主要包括铁(Fe)、磷(P)、硫(S)、镁(Mg)、锑(Sb)、锡(Sn)、硼(B)、铝(Al)、铬(Cr)、镍(Ni)、铅(Pb)、钛(Ti)、钒(V)、锰(Mn)、铜(Cu)、钼(Mo)、碳(C)及硅(Si)合金元素；其特征在于，所述锰(Mn)的重量含量为0.10％～0.20％、铜(Cu)的重量含量为＜0.20％、钼(Mo)的重量含量为0.80％±0.03％、碳(C)的重量含量为3.35％以下、硅(Si)为3.65％以下；还包括随流孕育剂，该随流孕育剂添加的重量百分比为0.15％±0.05％。

2.根据权利要求1所述的球墨铸铁材质，其特征在于，所述随流孕育剂是主要包括铁(Fe)、硅(Si)、钡(Ba)、钙(Ca)及铝(Al)元素的化合物，该组合物的重量百分比是：硅(Si)为70～75％、钡(Ba)为0.5～1.5％、钙(Ca)为1.0～3.0％、铝(Al)为2.5％以下，其余为铁(Fe)；该随流孕育剂的粒度为0.1～0.2mm。

3.一种如权利要求1所述的球墨铸铁排气歧管的制备方法，其特征在于，将重量百分比为80％至90％的返材及5％至10％的生铁加入冲天炉中，经过底焦燃烧、热量交换和冶金反应完成熔化，熔化后的铁水倒入感应电炉中，当铁水温度升至1380℃～1400℃时，对电炉中的铁水成分进行检测，将检测得到的各合金成分的数值，与各成分目标值进行比较，计算出差值，根据计算差值向感应电炉中添加石墨粉、硅铁、钼铁，使感应电炉中铁水合金元素含量达到需要的标准，感应电炉中的铁水成分符合标准后，将铁水的温度升高至1480℃～1520℃，加入球化剂，经过球化处理后的铁水运至浇注机内，铁水的温度控制在1370℃～1420℃时开时浇注，浇注时加入重量百分比为0.15％±0.05％的随流孕育剂。

4.一种如权利要求3所述的球墨铸铁材质排气歧管制备方法使用的装置，包括设有直浇道(1)、入水口(2)、横浇道(3)及冒口(4)的浇注装置，该入水口(2)为管柱体；其特征在于，所述入水口(2)靠近与铸件连接位置的管壁上设有向内凹的凹槽(8)，设有凹槽(8)的管壁(11)向外倾斜，入水口(2)的尾部(12)与横浇道(3)之间具有夹角，该为10至15度；入水口(2)与铸件本体(5)的连接处的厚度为3.5mm到5mm。

5.根据权利要求3所述的球墨铸铁材质排气歧管制备方法使用的装置，其特征在于，所述凹槽(8)的半径为3.5至4.0mm，凹槽(8)的壁厚(10)为3至3.5mm。

6.根据权利要求3所述的球墨铸铁材质排气歧管制备方法使用的装置，其特征在于，所述管壁(11)向外倾斜的角度为24至28度。

7.根据权利要求3所述的球墨铸铁材质排气歧管制备方法使用的装置，其特征在于，所述入水口尾部(12)与横浇道(3)之间的夹角为10至15度。

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