进气端整流管和轿车汽油机尾气净化装置的进气歧 管为例 ,两者的工作时候的温度和机械负荷不同 ,对材料性 能的要求也就不同 。图 1 是某型舰艇主机 ( 柴油机) 涡轮增压器的进气整流管的铸坯结构 , 柴油机尾气 经收集后通过该零件吹动叶轮 ; 图 2 所示为轿车汽 油机催化转化器的进气歧管 , 发动机气缸排出的尾 气通过该零件导入催化转化器 。

  将高温废气和低温空气交替通过催化转化器来 考察热冲击能否造成进气歧管以及焊缝的变形或损 坏 ,试验条件模拟该零件所匹配的发动机典型工况 , 即零件升温和降温速率最高的工况 ; 热振动试验是 将零件置于较高的温度 、 振动频率 、 振动加速度下来 考核机械强度和结构耐久性 ,试验中气体温度

  进气歧管的工作时候的温度为 710 ℃ 760 ℃, 最高 ～ 工作时候的温度为 860 ℃; 由于进气歧管上直接焊接了催 化转化器 , 承受着一定的外力载荷 , 其振动加速度 0 G RMS～15 G RMS ,频率 50 Hz～2 000 Hz ,进气 歧管的设计寿命为 10 a 或行驶 16 000 km 。进气整 流管的工作时候的温度 570 ℃ 610 ℃, 最高工作时候的温度为 ～ 690 ℃; 机械载荷仅仅为其本身的质量 , 承受的振动 加速度也较前述的零件小 , 但进气整流管要求良好 的 高温尺寸稳定性 , 在一个大修期间 ( 运行 6 a 或 25 000 M W ・ ) 内不失效 , 设计寿命为两个大修期 h 以上 。 可见催化转化器进气歧管对材料的要求比涡轮 增压器进气整流管的要求高 , 即除了承受较高的温 度外 ,还必须能承受较高的机械载荷 。 2. 1 材料的理化特性 根据上述零件的应用场合确定材料的力学性能 的目标值 ,作为零件设计计算的依据和材料验收的 标准 ; 汽油机催化转化器的工作环境较为恶劣 ,材料 的力学性能的要求相对高一些 , 两零件的材料力学 性能要求见表 1 。材料所含元素中 , Si 和 Mo 的含 量较为重要 ,由于汽油机催化转化器的进气歧管承 受的温度比较高 ,材料中 Si 的含量较柴油机涡轮增压 器的进气整流管高出 0. 5 % ,如表 2 所示 。材料以 铁素体为基 ,珠光体应小于等于 8 % ,石墨形态为球 状 ,球化率不小于 85 % , 石墨球数应不小于 100 / mm2 。

  耐热铸铁的焊接性能相对较差 , 应选择特殊的 焊丝 ,并优化焊接工艺 ,以达到与其他材料如不锈钢

  试验循环 ,目标为 30 个循环 。试验循环次数基于实 际应用中不同工况的发生频率的数理统计 、 零件的 目标寿命和可靠性要求结合经验公式确定 。通过试 验验证 ,上述的材料在规定的寿命内能保持良好 的尺寸稳定性和机械强度 , 并且在车辆耐久路试中 没有产生失效 。

  摘要 : 适当调整硅系耐高温铸铁材料的成分可以将材料应用于不同的场合 ,论述了耐高温球墨铸铁材料零件 的开发过程 ,并介绍了与材料特性相关的制造工艺 。 关键词 : 发动机零部件 ; 球墨铸铁 ; 高温材料 ; 惰气保护金属极电弧焊 ; 焊接裂纹 中图分类号 : T K406 文献标识码 : B

  之间良好的焊接性 。以催化转化器进气歧管为例 , 为了适应汽车行业高度自动化生产的需求 , 采用金 属焊丝惰性气体保护电弧自动焊的焊接方式 , 被焊 接的催化转化器壳体材料为 SU S 409L 不锈钢 。经 多次比较试验 ,确定了焊丝的化学成分按质量百分 比大致为 Fe 45 % ,Ni 44 % ,Mg 11 % 。 使用上述焊丝焊接后 , 焊缝与铸铁交接处产生 了微小的裂缝 ,导致零件失效 ,图 5 所示为失效零件 的焊缝以及熔合面处的金相结构 。能够准确的看出 , 一方 面是由于在焊缝表面出现了氧化层 , 然后在热 — 机 械应力的作用下产生了裂纹 , 氧化层继续在被裂纹 暴露出来的金属上出现 ,造成了裂纹不断延伸扩大 ; 另一种原因是材料与焊丝之间的融合面上有二次石墨 析出 ,容易在空气中被氧化 ,裂缝加剧了融合面的氧 化 ,氧化层沿着融合线逐渐深入焊缝内部 。

  设计材料时应以零件的实际应用场合为依据来 规定材料的化学特性和力学性能 , 使之符合工作环 境和目标寿命的要求 。以舰艇柴油机的涡轮增压器

  ) 作者简介 : 张 (1976 — ,男 ,上海市人 ,工程师 ,研究方向为船舶 、 、 逸 机车 汽车动力总成的匹配设计和动力系统零部件设计制造 .

  高温下工作的零件应使用以单相铁素体为基体 的材料 ,这样零件在受热时不会造成渗碳体分解 ,减 少了经经常使用后零件尺寸变化的风险 [ 122 ] 。但是 改善球墨铸铁的抗腐蚀性 。

  以铁素体为基体的球墨铸铁强度较低 , 塑性和韧性 较高 ,适当加入 Si ,Mo 元素后 , 材料的特性会有所 改善 。Si 溶入铁素体后 , 在高温下形成一层致密的 SiO2 覆盖在零件表面 ,保护内部不被氧化 。Si 还可 以提高铸铁的相变临界温度 , 使铸铁在工作温度范

  过了试验验证 ,因此 ,必须设法改进焊接工艺降低纵 向裂缝产生的概率 。

  为了使焊缝熔池实现逐层稳定凝固 , 设计了大 量的工艺试验来寻找合适的焊接参数 。经试验发 现 , 焊 枪 与 铸 铁 零 件 焊 接 平 面 的 角 度 在 4 0 ℃～ 60 ℃ 的范围内 ,角度越小 ,裂缝产生的概率越大 ,焊 枪角度在 55° 附近时裂缝产生的概率很小 。这时因 ) 为焊枪角度越接近垂直 ( 0° , 考虑到焊枪的送丝速 度 ,熔融的焊丝在初速度 、 重力和电场力的作用下冲 击熔池的能量越大 ,造成熔池内金属大量流动 ,不利 于凝固 ; 另外 ,在保证焊缝质量的情况下 , 将原来的 保护气体的供给量从 15. 1 L/ min 调整到 9. 6 L/ min ,以此来降低了气体对熔池的扰动 。试验中还发 现 ,如果焊缝非常饱满以至于快要从铸铁表面滑落 , 此时裂缝产生的概率很高 ,应予以预防 。

  为了解决以上问题 ,焊丝中加入了 6. 5 %的 Cr 和 1. 1 %的 Nb ,将 C 的质量含量控制在 0. 04 %以 下 。Cr 增加了焊缝附近金属的抗氧化性 ,降低了被 氧化的可能性 ; 还能够在一定程度上促进碳化物的形成 。Nb 可 以促进碳化物的形成 , 稳定的碳化物取代了二次石 墨 ,逐步降低了氧化物和裂缝蔓延的可能性 ,减少 焊丝中 C 的含量也能更加进一步稀释融合线附近 C 的含量 。用改进后的焊丝材料焊接的样品顺利地通 过了新的试验认证 , 焊丝改进后融合面附近的金相 结构见图 6 。 焊丝改进后 , 焊接过程中焊缝出现纵向裂缝的 概率大幅度提升 ( 图 7 中圈出处) , 这是由于焊丝中加 入了其他金属元素后使焊丝材料的热膨胀系数增 大 。从微观的角度上讲 , 焊丝和基体铸铁材料的热 膨胀系数不同 ,焊接熔池内的金属凝固产生的应力 是造成裂缝的根源 。由于改进焊丝后制出的样品通

  耐高温铸铁材料大体能分为 Cr 系耐热铸铁 , Si 系耐热铸铁和 Al 系耐热铸铁 。本文介绍有良好 焊接性能的含 Mo 元素的铁素体基 Si 系耐高温铸 铁材料和零件的开发过程 , 由于此类材料的基本化 学组分已经公开 ,故从零件设计的角度来讲 ,设定此 类材料的各种化学元素的含量范围 、 寻找良好的焊 接工艺并佐以材料的耐久性验证试验是主要研究的 工作 。

  围内不会发生固态相变 ,减少变形和开裂的倾向 ,稳 定零件尺寸 。Mo 可以细化晶粒 ,增加石墨球数量 , 提高基体的再结晶温度和球墨铸铁的高温强度 。溶 入铁素体的 Mo ,形成稳定的特殊碳化物 Fe3 Mo 3 C , 强化了铁素体基体 ,提高了其抗蠕变的能力 ,并可以

  浇铸此类高硅钼球墨铸铁零件易产生石墨化 不充分和零件内部缩松 , 零件冷却过程中易产生 裂纹 。进气整流管浇铸方案简图见图 3 , 工艺过程 如下 : a) 先加废钢 ,再加机铁 , 最后加生铁 , 熔化最高 温度 1 445 ℃; 球化剂和孕育剂提前埋好包 ,放置好 浇包和孕育槽 ; b) 在 1 445 ℃ 1 475 ℃ ～ 之间取样 , 测试三角 试片 ; 脱 S ; 此 2 序一般不超过 10 min ; c) 根据炉前成分和白口状况调料 , 迅速升温至 1 500 ℃,除熔渣 ; d) 在 1 480 ℃ 出炉球化 ,所有铁水和随流孕育 剂在球化结束前出完 ; e) 除去熔渣 ,表面覆盖聚渣剂 ; f ) 浇铸 ; g) 完全铁素体化退火 ,415 ℃ 进炉 , 加热速率 最 高 1 0 0 ℃/ h , 9 5 5 ℃保 温 2 h , 冷 却 速 率 最 高 80 ℃ h ,320 ℃出炉 。图 4 为进气歧管的金相结 / 构。

  设计零件时 , 不仅要根据应用场合合理地确定 材料的化学成分和理化特性 , 而且还要考虑到制造 工艺的可行性 ,这需要设计单位和生产单位共同参 与开发 。本文论述的催化转化器进气歧管的焊接工 艺对设备的精度要求比较高 ,工艺稳定性略差 ,应该继 续改进焊丝的配方以满足生产的需求 。