蠕铁排气管生产技术 五大问题专家解

1．汽车发动机排气管为什么采用蠕铁材质

　　汽车发动机排气（岐）管是个较典型的经受冷—热交变负荷冲击的零件。发动机启动时，汽缸做功排出的废气温度通常超过800℃，甚至在1000℃以上。这些高温废气先经排气歧管，再经排气管和消音器排到大气中。汽车行驶过程中（尤其是在山区行驶时），时而高速、时而急速。如在连续上坡时，加大油门，发动机持续排出高温废气，以致排气岐管本身温度都能达600—700℃以上；而若连续下坡，发动机怠速做功，废气排出甚少，经迎面冷风吹拂，排气岐管本身温度急速降低。因此，排气岐管经受着冷—热负荷的交变冲击。

　　上世纪40—50年代，排气岐管材质采用灰铸铁和高铬钼灰铸铁，常因开裂而失效，寿命很短；60年代以后，逐步改用铁素体基体球铁（经退火处理），要求铁素体量＜10％，甚至＜5％；70年代以后，随着蠕墨铸铁件在工程上得到应用，其良好的耐热疲劳性引起了设计师的注意。80年代初，德国大众率先在部分轿车上采用蠕铁排气岐管，国内则是东风汽车公司在1985年正式将EQ140（141）载重车排气岐管改用蠕铁材质，开创了国内蠕铁大量流水生产和应用的先河。东风汽车公司曾在1981年对EQ140载重车排气管使用寿命进行过专题调查，在鄂南山区，灰铁排气管行驶0.8—2万公里，即因开裂而报废，球铁（珠光体量10—30％）排气管行驶3万公里以上不开裂，但变形严重（达6—13㎜），导致漏气而失效；蠕铁排气管行驶10万公里不开裂，变形不到球铁的一半，使用寿命显著提高。

　　随着发动机功率的增大，排气的温度也越来越高，对排气岐管的耐热疲劳性要求也越来越高，因此中硅钼球铁和中硅钼蠕铁（含量通常为W（Si）＝4.0—4.5％，W（Mo）=0.5—1.0％）排气岐管应用越来越多（在排气温度超过900℃时，采用高镍奥氏体球铁或不锈钢制作排气岐管）。德国坎泼公司生产的硅钼蠕铁排气管的性能指标是：常温ób＞550Mpa，ó0.2＞470Mpa，780℃时ób＞70Mpa，ó0.2＞60Mpa。由于蠕铁有比球铁更优良的综合耐热疲劳性能和机加工性能，又无需进行铁素体化退火，因此，蠕铁排气管的应用前景将会越来越好。

　　2．蠕铁排气管的生产特点是什么

　　（1）蠕化率更难控制。排气管从零件结构上看，属薄壁管形零件，其主要壁厚（管壁）为4—6㎜，但又是一种形状复杂、铸件厚度变化较大的零件，其岐管口法兰厚度一般为15—20㎜，总管口法兰局部有的甚至达到30—40㎜厚。虽然总的说来，蠕铁对断面的敏感性比灰铁小得多，但当壁厚在15㎜以下，壁厚对蠕化率的影响却是十分明显（见附图）。这正是蠕铁排气管的生产难点之一，也是薄壁蠕铁件生产难于厚壁蠕铁生产的原因。

　　附图 壁厚对蠕化率的影响

　　（2）铸件尺寸精度较高，有致密性要求。排气管是发动机做功后高温气体排出的通道，要求管道形状和尺寸准确，管道内壁光滑，无凸瘤，无粘砂，同时有一定的致密性要求，通常要经过2—3个气压下的气密性检验。

　　（3）大量流水生产。排气管是汽车零件，其生产特点当然有汽车生产的固有特点，包括要求大量流水生产质量稳定的铸件，必须实施用户所要求的质量保证体系，减少生产过程中变差，重视过程控制和在线检测等。

蠕铁排气管的这些特点决定了只有具有较先进的工艺水平、装备水平和管理水平的企业才有可能较稳定地进行生产。

　　3．如何生产蠕铁排气管

　　当前蠕铁排气管的材质多半为两大类，一类是普通蠕铁，相当于JB/T4403—1999标准中的RuT300牌号，另一类是中硅钼蠕铁，其Si、Mo含量及力学性能各企业又有所不同，如德国大众要求W（Si）为3.9—4.3%、W（Mo）为0.4—0.7％、W（Ni）≤0.6％、ób≥400Mpa、δ为3—8％，而德国坎泼公司则要求W（Si）为4.0—4.5％、W（Mo）为0.4—0.8％、W（Ni）≤1.0％、ób≥550Mpa，δ≥2％。

　　蠕铁生产的关键点在于稳定：铁水化学成分稳定，铁水温度稳定，每次处理的铁水量稳定，蠕化剂成分稳定。

　　化学成分中硫对蠕化率的影响最大，虽然高硫铁水（如W（S）＝0.07—0.09％）也能生产出合格的蠕铁，甚至还有扩大RE蠕化剂加入范围的优点，但原铁水含硫量越高，消耗于脱硫的稀土越多，形成的硫化物夹渣也越多，并降低铁水流动性，既不经济，也影响材质性能和增加夹渣、冷隔等铸件缺陷。过低的硫量（如W（S）＜0.01％）对蠕铁生产并无有利影响，反而容易使蠕化率偏低（偏球），且使厚壁和薄壁处金相组织差异变大。适宜的硫量W（S）为0.015—0.030％。

　　其它成分则应根据保证力学性能和减少铸件废品进行合理选择，此处不多述。

　　铁水温度影响蠕化剂的吸收率，涉及到蠕化合金的加入量。应根据不同的蠕化方法、不同蠕化剂进行摸索后确定下来。一般为1480—1520℃。

　　铁水重量的波动实际上导致了蠕化剂加入量的波动，对蠕化率的影响显然很大。为此，最好采用电子秤以保证定量出铁水，若无电子秤则应确保处理包的修包质量，保证修到所要求尺寸并改进包衬材料，尽可能减少包壁侵蚀，另外还应定期更换处理包。

　　目前国内的蠕化处理方法与球化处理方法别无二致，常用的仍是冲入法和喂丝法，只是以蠕化剂替代了球化剂。瑞典开发的“Sinter Cast工艺”是单用镁作蠕化元素对铁水分两步处理，并通过对变质、孕育过程的直接调控制取蠕铁，这套工艺完全依靠电子仪器进行自动控制和调整，可获得令人满意的蠕墨组织。但由于全套装置价格昂贵，目前国内还没有厂家使用。

　　冲入法目前仍是蠕化处理的主要方法，其选用的蠕化剂基于两种思路，一是“干扰法”，二是“弱球化法”。“干扰法”是以一种RE－Mg－Ti-Ca复合合金（简称Mg－Ti合金）作为蠕化剂，该蠕化剂以Mg作为球化元素，再配以适量的Ti来干扰球化，使石墨球化不良呈蠕虫状，另加以Re、Ca来进行抑制和平衡。典型的Mg－Ti合金成分有两种，一种是美英等国常用的专利合金，其主要成分为（质量分数）：Mg4.0—5.0％，Ti8.5—10.5％，Ce0.25—0.35％，Ca4.0—5.5％；另一种是根据我国生铁含Ti量达0.05—0.08％的实际情况，自行开发的Mg—Ti合金，其主要成分为（质量分数）：Mg4—6％，Ti3—5％，RE1—3％，Ca3—5％。Mg—Ti合金制取蠕铁的优点是白口倾向小，加入量范围也较稀土系合金宽，但由于钛化合物硬质点的存在，使铸件切削性能有所恶化。它较适用于象排气管这样壁薄且加工面不多的铸件。

　　近几年有的厂采用的“二步成蠕法”实际上也是源于“干扰法”的思路。所谓“二步成蠕”就是先将原铁水处理成球铁水，再以加孕育剂的方式，将球化干扰剂加入球铁水中使其衰退成蠕铁。

　　“弱球化法”是以RE、Ca等弱球化元素作为蠕化剂，这类蠕化剂又分为稀土系、稀土钙系、稀土钙镁系、稀土镁系等系列。以稀土为主处理的蠕铁得到的蠕虫状石墨长厚比较理想（属Ⅱ型蠕虫状石墨），蠕铁的综合性能较高。但稀土无沸腾能力，处理时需加以搅拌。为此在稀土系或稀土钙系中加以适量的Mg,变成稀土（钙）镁系列，蠕化处理时有自沸腾能力。这一点对大量流水生产是十分必要的。

　　喂丝法已在球化处理中得到应用，将其移植到蠕化处理中应该是顺理成章的。但是不宜采用高Mg芯线，以高RE(21-23%)配以2－3％的Mg作为芯线较为适宜。由于排气管为中小铸件，4—6缸排气管重量为6—14㎏.而为了防止蠕铁衰退，蠕化处理后应在6—8分钟内将铁水浇完。因此，蠕化处理每次都只能处理300—500㎏铁水。在小包中进行处理，正是喂丝法应用的难点之一，所以完全以喂丝法处理蠕铁排气管，目前尚不完全成熟。上海圣德曼铸造有限公司采用以包内蠕化法为主、气压浇注炉出铁槽内喂丝法为辅的蠕化工艺，取得了很好的效果。

　　孕育在排气管生产中是需要小心做好的事。良好的孕育反而会促使蠕化率降低，石墨球增多，这不是蠕铁排气管所希望的。因此，在保证不出碳化物的前提下，孕育量尽量小些，随流孕育量更应控制在0.1％以下。

　　4．蠕铁排气管的蠕化率如何检测

　　蠕铁生产需要更稳定的过程控制和更严格的质量管理，蠕铁排气管由于壁薄，蠕化率更难控制，尤其需要严密的控制，就这个意义上来说，大量流水生产反倒比小批量单件生产容易做到。因为一般大量流水生产工厂都有较好的装备、较先进的工艺和较规范的管理制度。只有保证了原材料稳定、铁水成分稳定、温度稳定、出铁量稳定，蠕化率才有可能不出现大的波动。

　　在蠕化率检测方面，目前除了Sinter Cast工艺可事先判断蠕化率外（约需4分钟），还没有其它更好的快速方法在浇注前检测蠕化率。现在常用于蠕铁排气管的炉前检测方法有两种：

　　（1）炉前快速金相。从经蠕化及孕育处理后铁水中取样浇一Φ10×30—50小圆棒，冷却到900℃以下淬水、敲断，打磨断口、抛光，再用金相显微镜观察其石墨组织，直接判断蠕化率。这一过程约需3—4分钟，在流水生产条件下，铁水实际上已经开始浇注，做不到事先判断，仅能作为下一包处理的参考。因此，也可取浇注第一箱时的溢铁（厚度约为6—8mm，大小以方便敲断为宜）敲断进行快速金相分析。溢铁比炉前小圆棒试样更接近铸件实际情况。

　　（2）炉前试样断口检查。蠕化与孕育处理后，从包内取样浇注一个梯形小试块，空冷至暗红色后水冷，然后敲断观察断口颜色与麻点，如断口呈银灰色并带有麻口，则为蠕化良好。

　　

　　对铸件本体蠕化率的无损检测目前主要是靠目测附铸试块的断口颜色。通常在排气管模型上做出两个Φ10×20的附体小试块，落砂后每包取首箱和末箱铸件的附体小试块各一件作金相检查，判断其蠕化率，作为该包铁水蠕化是否合格的依据。其余附体试块则要经抛丸后交检时由检查员敲落目测其断口的蠕化情况。

　　超声波测球化率在生产中已得应用，但超声波测蠕化率很不准确，难以实用。音频法测蠕化率倒是比较准确，如东风汽车公司铸造一厂曾用音频法检测EQ140排气管和上海大众排气管的蠕化率，结果为当蠕化率在50％—95％时，共振频率分别为510—580周/秒和1200—1400周/秒。由于不同形状的排气管有不同的固有频率，因此对每种排气管都要事先摸索出其临界值，工作量很大，所以生产中未能坚持使用下来。

　　5．蠕铁排气管的蠕化率规定多少为宜

　　这涉及到蠕铁的标准问题。美、德、瑞士、罗马尼亚等国以及国际铸造技术协会7.6委员会都曾规定蠕铁的蠕化率应不低于80％，而我国标准JB/T4403规定蠕化率≥50％即可。现在普遍认为我国标准偏低，与国际水平有差距。

　　笔者认为，蠕化率应根据零件的具体情况而规定。如前所述，当壁厚小于15㎜时，壁厚对蠕化率的影响很大；资料[5]也表明，同一件排气管上，厚度为16㎜歧管法兰蠕化率为80—90％，而厚度为5㎜的管壁蠕化率只有60％。即使是德国，他们生产的4缸轿车蠕铁缸体，虽然缸顶面蠕化率大于80％，但曲轴箱面（厚度仅4㎜）蠕化率甚至不到50％，他们认为这并不影响使用，反而有利于提高缸体的强度和刚性。若过分追求薄壁处的高蠕化率，那么厚壁处可能就要出现片状石墨了，反而降低了零件的性能。长期为上海大众提供蠕铁排气管的圣德曼铸造公司坦言：“由于不同铸件的使用条件和要求各不相同，因此不能认为我国的蠕铁标准中规定的蠕化率≥50％的要求偏低了，也不能把蠕化率的高低作为衡量工艺水平的依据”。

　　在这点上，德国大众的标准显得更为科学和合理。在TL—VW046（GGV30）和TL—047（GGV40）标准（均用于排气管及材料厚度相近的受热件）中都规定蠕化率＞50％，而且在图纸上标明：蠕化率的取样部位在管壁（最薄处）、硬度的取样部位在岐管法兰、拉伸强度取样部位在总管口法兰（最厚处）。这样，既保证了能满足最低的蠕化率，又保证能满足最低的力学性能要求。

作者：万仁芳