蠕铁生产的过程控制-课件.docVIP

蠕铁生产的过程控制 摘要：蠕铁同灰铁相比，抗拉强度提高至少70％，弹性模量提高35％，而疲劳强度提高近一倍。同铝合金相比，蠕铁的强度和刚性要高出一倍，而疲劳强度要高出二倍。蠕铁的这些特性，为发动机改善功率／重量比，提升气缸压力提供了可能性。而提升气缸压力是下一代直喷式柴油发动机能达到最优性能的关键。为了迎接蠕铁的广泛应用，铸造工业目前正在积极准备，大量投资和改建新工艺，使蠕铁的生产达到稳定、可靠。 蠕铁发动机从样机到大规模批量生产，决定性因素是质量风险。高质量的蠕铁，稳定区非常小，仅在含镁量为0.008％的范围内。微量的，如0.001％镁的损耗，就会产生片状石墨，使机械性直线下降25％至40％。本文描述了基于热分析手段的过程控制系统。该系统通过测量镁的损耗，以及在线调整铁水状态来防止片状石墨的产生。这种测量、调整的在线控制手段使生产蠕铁过程中的波动性降低到了最低点，从根本上消除了蠕铁生产所带来的质量风险。 前 言 人们对高马力、高转矩、低废气排放以及降低燃料使用量的需求在持续增长。这迫使大功率柴油发动机的设计者们提高点火峰压，使发动机的热负荷和机械负荷大幅度增加。热负荷及机械负荷的同时升高，使目前使用的常规铸铁和合金铸铁(CrMo)发动机已达到或超过了其使用上限。发动机制造厂商们需要强度更高，耐热性更好的材料。 蠕铁很快成为人们的首选材料，它使新一代卡车发动机的缸体、缸盖及缸套的可靠性大大提高。为了达到各种性能的最佳组合(如铸造性能、机加性能、导热性能和力学性能)，这些部件必须用球化率为0％至20％(蠕化率为80％至100％)的蠕铁来制造。如果球化率超过20％，会导致一系列不利因素。比如收缩量过大，形状复杂的部件如缸盖特别容易出现缩孔。又如机加中，工具过量磨损寿命下降。还有导热性也明显下降，产生热应力等等。而在蠕铁的另一端，片状石墨的出现将导致机械性能的直线下降，使发动机不能胜任新的要求。综合而述，为满足新一代卡车发动机的需要，高强度蠕铁的球化率必须在0%至20%之间(即蠕化率在80%以上，无片状)。 是否使用生产过程控制，取决于产品的年产量，产品的复杂性和金相组织允许有多大的变化范围。如图1所示，较简单的，低产量的部件，如铸锭模一般是可以用常规铸造方法生产的。过程控制一般不需要，经济上也不合算。当部件的年产量增加时，如排气管、曲轴套和托架等，引入过程控制应该是有意义的。这类产品尽管年产件数多，但铸造的年吨位数并不高。金相组织结构的要求也不很严，允许球化率高达50%。另外由于此类部件的机加工量小，生产中可允许加入的提升而增加的钛来拓展可控范围。对于这类产品，常规的铸造手段加上严格的训练，一般也可以胜任蠕铁生产。但从质量控制角度而言，过程控制应该更加保险。同样，过程控制对大型船用发动机缸体和缸盖的生产也提供了保障。尽管超大的尺寸和较低的生产数量有利于产品的制造，但由于产品超标造成的经济损失，足以增加一套过程控制系统。 最需要过程控制的产品，当属年产量大、复杂性高和技术要求严格的汽车发动机缸体、缸盖和刹车盘等。这些产品的年产数量和年吨位量都很高。它们尺寸复杂、金相组织要求苛刻、产生缩孔趋向很高。这些产品不可以有任何质量风险，否则损失非常严重。 对发动机缸体、缸盖和缸座性能的严格要求奠定了制造产品规范的基础。为了获得铸造性，机加性和机械性能的最佳综台性能，在部件的所有关键部位，球化率都应在0％至20％范围之内。更为重要的是，片状石墨必须绝对避免，从而杜绝局部薄弱造成部件损坏。为了达到好的机加性，自由碳化物必须降低到最低。因此，绝对不可以加入钛。最后，从生产角度出发，铸造厂需要一个稳定、可靠的工艺，以保证金相组织造成的废品率最低。汽车行业的制造商们要求提供质量担保，100%的铸件必须满足金相要求。大批量的，可靠的缸体、缸盖和缸座的生产，需要对铁水进行准确的分析和在线调整，从而消除浇注前工艺过程中带来的波动。 蠕铁稳定性 蠕铁没有大批量地用于生产复杂部件(如发动机缸体)的原因是因为蠕铁的稳定区太小，无法保障生产中没有风险。一般来说这个稳定区大约只跨越0.008％镁的区域，如图2示。稳定区平台的大小和位置随产品而变。实际上可利用的镁区间比这还小。因为每5分钟，活性镁就会烧损0.001％。铁水的起始浇注点必须离蠕铁到灰铁的急转点有足够的距离，以确保最后浇铸的部件不出现片状石墨。当镁加入到铁水中后，只需约15分钟，就会出现片状石墨。 起始点也不可以太接近稳定平台的右侧(高含镁量)，否则会导致较薄部位和快速冷却部位形成大量的球状石墨。 除可利用的平台区很小外，该平台区还总是在移动的。如果活性氧和硫的含量高，它们将消耗更多的活性镁，整个平台将向右侧移动(高含镁量)。相反地，如果活性氧和硫含量较低，平台将向