分析儀器——汽車發(fā)動機(jī)排氣管的常識及檢測方法

1、汽車發(fā)動機(jī)排氣管為什么采用蠕鐵材質(zhì)？

答：汽車發(fā)動機(jī)排氣（岐）管是個較典型的經(jīng)受冷—熱交變負(fù)荷沖擊的零件。發(fā)動機(jī)啟動時(shí)，汽缸做功排出的廢氣溫度通常超過800℃，甚至在1000℃以上。這些高溫廢氣先經(jīng)排氣歧管，再經(jīng)排氣管和消音器排到大氣中。汽車行駛過程中（尤其是在山區(qū)行駛時(shí)），時(shí)而高速、時(shí)而急速。如在連續(xù)上坡時(shí)，加大油門，發(fā)動機(jī)持續(xù)排出高溫廢氣，以致排氣岐管本身溫度都能達(dá)600—700℃以上；而若連續(xù)下坡，發(fā)動機(jī)怠速做功，廢氣排出甚少，經(jīng)迎面冷風(fēng)吹拂，排氣岐管本身溫度急速降低。因此，排氣岐管經(jīng)受著冷—熱負(fù)荷的交變沖擊。

上世紀(jì)40—50年代，排氣岐管材質(zhì)采用灰鑄鐵和高鉻鉬灰鑄鐵，常因開裂而失效，壽命很短；60年代以后，逐步改用鐵素體基體球鐵（經(jīng)退火處理），要求鐵素體量＜10％，甚至＜5％；70年代以后，隨著蠕墨鑄鐵件在工程上得到應(yīng)用，其良好的耐熱疲勞性引起了設(shè)計(jì)師的注意。80年代初，德國大眾率先在部分轎車上采用蠕鐵排氣岐管，國內(nèi)則是東風(fēng)汽車公司在1985年正式將EQ140（141）載重車排氣岐管改用蠕鐵材質(zhì)，開創(chuàng)了國內(nèi)蠕鐵大量流水生產(chǎn)和應(yīng)用的先河。東風(fēng)汽車公司曾在1981年對EQ140載重車排氣管使用壽命進(jìn)行過專題調(diào)查，在鄂南山區(qū)，灰鐵排氣管行駛0.8—2萬公里，即因開裂而報(bào)廢，球鐵（珠光體量10—30％）排氣管行駛3萬公里以上不開裂，但變形嚴(yán)重（達(dá)6——13㎜），導(dǎo)致漏氣而失效；蠕鐵排氣管行駛10萬公里不開裂，變形不到球鐵的一半，使用壽命顯著提高。^[1]

隨著發(fā)動機(jī)功率的增大，排氣的溫度也越來越高，對排氣岐管的耐熱疲勞性要求也越來越高，因此中硅鉬球鐵和中硅鉬蠕鐵（含量通常為W（Si）＝4.0—4.5％，W（Mo）=0.5—1.0％）排氣岐管應(yīng)用越來越多（在排氣溫度超過900℃時(shí)，采用高鎳奧氏體球鐵或不銹鋼制作排氣岐管）。德國坎潑公司生產(chǎn)的硅鉬蠕鐵排氣管的性能指標(biāo)是：常溫ó_b＞550Mpa，ó_0.2＞470Mpa，780℃時(shí)ó_b＞70Mpa，ó_0.2＞60Mpa。^[2]由于蠕鐵有比球鐵更優(yōu)良的綜合耐熱疲勞性能和機(jī)加工性能，又無需進(jìn)行鐵素體化退火，因此，蠕鐵排氣管的應(yīng)用前景將會越來越好。

2、蠕鐵排氣管的生產(chǎn)特點(diǎn)是什么？

答：（1）蠕化率更難控制。排氣管從零件結(jié)構(gòu)上看，屬薄壁管形零件，其主要壁厚（管壁）為4—6㎜，但又是一種形狀復(fù)雜、鑄件厚度變化較大的零件，其岐管口法蘭厚度一般為15—20㎜，總管口法蘭局部有的甚至達(dá)到30—40㎜厚。雖然總的說來，蠕鐵對斷面的敏感性比灰鐵小得多，但當(dāng)壁厚在15㎜以下，壁厚對蠕化率的影響卻是十分明顯。這正是蠕鐵排氣管的生產(chǎn)難點(diǎn)之一，也是薄壁蠕鐵件生產(chǎn)難于厚壁蠕鐵生產(chǎn)的原因。

（2）鑄件尺寸精度較高，有致密性要求。排氣管是發(fā)動機(jī)做功后高溫氣體排出的通道，要求管道形狀和尺寸準(zhǔn)確，管道內(nèi)壁光滑，無凸瘤，無粘砂，同時(shí)有一定的致密性要求，通常要經(jīng)過2—3個氣壓下的氣密性檢驗(yàn)。

（3）大量流水生產(chǎn)。排氣管是汽車零件，其生產(chǎn)特點(diǎn)當(dāng)然有汽車生產(chǎn)的固有特點(diǎn)，包括要求大量流水生產(chǎn)質(zhì)量穩(wěn)定的鑄件，必須實(shí)施用戶所要求的質(zhì)量保證體系，減少生產(chǎn)過程中變差，重視過程控制和在線檢測等。

蠕鐵排氣管的這些特點(diǎn)決定了只有具有較先進(jìn)的工藝水平、裝備水平和管理水平的企業(yè)才有可能較穩(wěn)定地進(jìn)行生產(chǎn)。

3、如何生產(chǎn)蠕鐵排氣管？

答：當(dāng)前蠕鐵排氣管的材質(zhì)多半為兩大類，一類是普通蠕鐵，相當(dāng)于JB/T4403—1999標(biāo)準(zhǔn)中的R_uT300牌號，另一類是中硅鉬蠕鐵，其Si、Mo含量及力學(xué)性能各企業(yè)又有所不同，如德國大眾要求W（Si）為3.9—4.3%、W（Mo）為0.4—0.7％、W（Ni）≤0.6％、ó_b≥400Mpa、δ為3—8％，而德國坎潑公司則要求W（Si）為4.0—4.5％、W（Mo）為0.4—0.8％、W（Ni）≤1.0％、ó_b≥550Mpa，δ≥2％。

蠕鐵生產(chǎn)的關(guān)鍵點(diǎn)在于穩(wěn)定：鐵水化學(xué)成分穩(wěn)定，鐵水溫度穩(wěn)定，每次處理的鐵水量穩(wěn)定，蠕化劑成分穩(wěn)定。

化學(xué)成分中硫?qū)θ浠实挠绊?大，雖然高硫鐵水（如W（S）＝0.07—0.09％）也能生產(chǎn)出合格的蠕鐵，甚至還有擴(kuò)大RE蠕化劑加入范圍的優(yōu)點(diǎn)，但原鐵水含硫量越高，消耗于脫硫的稀土越多，形成的硫化物夾渣也越多，并降低鐵水流動性，既不經(jīng)濟(jì)，也影響材質(zhì)性能和增加夾渣、冷隔等鑄件缺陷。過低的硫量（如W（S）＜0.01％）對蠕鐵生產(chǎn)并無有利影響，反而容易使蠕化率偏低（偏球），且使厚壁和薄壁處金相組織差異變大。適宜的硫量W（S）為0.015—0.030％。

其它成分則應(yīng)根據(jù)保證力學(xué)性能和減少鑄件廢品進(jìn)行合理選擇，此處不多述。

鐵水溫度影響蠕化劑的吸收率，涉及到蠕化合金的加入量。應(yīng)根據(jù)不同的蠕化方法、不同蠕化劑進(jìn)行摸索后確定下來。一般為1480—1520℃。

鐵水重量的波動實(shí)際上導(dǎo)致了蠕化劑加入量的波動，對蠕化率的影響顯然很大。為此，*好采用電子秤以保證定量出鐵水，若無電子秤則應(yīng)確保處理包的修包質(zhì)量，保證修到所要求尺寸并改進(jìn)包襯材料，盡可能減少包壁侵蝕，另外還應(yīng)定期更換處理包。

目前國內(nèi)的蠕化處理方法與球化處理方法別無二致，常用的仍是沖入法和喂絲法，只是以蠕化劑替代了球化劑。瑞典開發(fā)的“Sinter Cast工藝”是單用鎂作蠕化元素對鐵水分兩步處理，并通過對變質(zhì)、孕育過程的直接調(diào)控制取蠕鐵，這套工藝完全依靠電子儀器進(jìn)行自動控制和調(diào)整，可獲得令人滿意的蠕墨組織。但由于全套裝置價(jià)格昂貴，目前國內(nèi)還沒有廠家使用。

沖入法目前仍是蠕化處理的主要方法，其選用的蠕化劑基于兩種思路，一是“干擾法”，二是“弱球化法”?！案蓴_法”是以一種RE－Mg－Ti-Ca復(fù)合合金（簡稱Mg－Ti合金）作為蠕化劑，該蠕化劑以Mg作為球化元素，再配以適量的Ti來干擾球化，使石墨球化**呈蠕蟲狀，另加以Re、Ca來進(jìn)行抑制和平衡。典型的Mg－Ti合金成分有兩種，一種是美英等國常用的**合金，其主要成分為（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）：Mg4.0—5.0％，Ti8.5—10.5％，Ce0.25—0.35％，Ca4.0—5.5％；另一種是根據(jù)我國生鐵含Ti量達(dá)0.05—0.08％的實(shí)際情況，自行開發(fā)的Mg—Ti合金，其主要成分為（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）：Mg4—6％，Ti3—5％，RE1—3％，Ca3—5％。Mg—Ti合金制取蠕鐵的優(yōu)點(diǎn)是白口傾向小，加入量范圍也較稀土系合金寬，但由于鈦化合物硬質(zhì)點(diǎn)的存在，使鑄件切削性能有所惡化。它較適用于象排氣管這樣壁薄且加工面不多的鑄件。

近幾年有的廠采用的“二步成蠕法”實(shí)際上也是源于“干擾法”的思路。所謂“二步成蠕”就是先將原鐵水處理成球鐵水，再以加孕育劑的方式，將球化干擾劑加入球鐵水中使其衰退成蠕鐵。

“弱球化法”是以RE、Ca等弱球化元素作為蠕化劑，這類蠕化劑又分為稀土系、稀土鈣系、稀土鈣鎂系、稀土鎂系等系列。以稀土為主處理的蠕鐵得到的蠕蟲狀石墨長厚比較理想（屬Ⅱ型蠕蟲狀石墨），蠕鐵的綜合性能較高。但稀土無沸騰能力，處理時(shí)需加以攪拌。為此在稀土系或稀土鈣系中加以適量的Mg,變成稀土（鈣）鎂系列，蠕化處理時(shí)有自沸騰能力。這一點(diǎn)對大量流水生產(chǎn)是十分必要的。

喂絲法已在球化處理中得到應(yīng)用，將其移植到蠕化處理中應(yīng)該是順理成章的。但是不宜采用高Mg芯線，以高RE(21-23%)配以2－3％的Mg作為芯線較為適宜。由于排氣管為中小鑄件，4—6缸排氣管重量為6—14㎏.而為了防止蠕鐵衰退，蠕化處理后應(yīng)在6—8分鐘內(nèi)將鐵水澆完。因此，蠕化處理每次都只能處理300—500㎏鐵水。在小包中進(jìn)行處理，正是喂絲法應(yīng)用的難點(diǎn)之一，所以完全以喂絲法處理蠕鐵排氣管，目前尚不完全成熟。上海圣德曼鑄造有限公司采用以包內(nèi)蠕化法為主、氣壓澆注爐出鐵槽內(nèi)喂絲法為輔的蠕化工藝，取得了很好的效果。^[4]

孕育在排氣管生產(chǎn)中是需要小心做好的事。良好的孕育反而會促使蠕化率降低，石墨球增多，這不是蠕鐵排氣管所希望的。因此，在保證不出碳化物的前提下，孕育量盡量小些，隨流孕育量更應(yīng)控制在0.1％以下。

4、蠕鐵排氣管的蠕化率如何檢測？

答：蠕鐵生產(chǎn)需要更穩(wěn)定的過程控制和更嚴(yán)格的質(zhì)量管理，蠕鐵排氣管由于壁薄，蠕化率更難控制，尤其需要嚴(yán)密的控制，就這個意義上來說，大量流水生產(chǎn)反倒比小批量單件生產(chǎn)容易做到。因?yàn)橐话愦罅苛魉a(chǎn)工廠都有較好的裝備、較先進(jìn)的工藝和較規(guī)范的管理制度。只有保證了原材料穩(wěn)定、鐵水成分穩(wěn)定、溫度穩(wěn)定、出鐵量穩(wěn)定，蠕化率才有可能不出現(xiàn)大的波動。

在蠕化率檢測方面，目前除了Sinter Cast工藝可事先判斷蠕化率外（約需4分鐘），還沒有其它更好的快速方法在澆注前檢測蠕化率?，F(xiàn)在常用于蠕鐵排氣管的爐前檢測方法有兩種：（1）爐前快速金相。從經(jīng)蠕化及孕育處理后鐵水中取樣澆一Φ10×30—50小圓棒，冷卻到900℃以下淬水、敲斷，打磨斷口、拋光，再用金相顯微鏡觀察其石墨組織，直接判斷蠕化率。這一過程約需3—4分鐘，在流水生產(chǎn)條件下，鐵水實(shí)際上已經(jīng)開始澆注，做不到事先判斷，僅能作為下一包處理的參考。因此，也可取澆注**箱時(shí)的溢鐵（厚度約為6—8㎜，大小以方便敲斷為宜）敲斷進(jìn)行快速金相分析。溢鐵比爐前小圓棒試樣更接近鑄件實(shí)際情況。（2）爐前試樣斷口檢查。蠕化與孕育處理后，從包內(nèi)取樣澆注一個梯形小試塊，空冷至暗紅色后水冷，然后敲斷觀察斷口顏色與麻點(diǎn)，如斷口呈銀灰色并帶有麻口，則為蠕化良好。

對鑄件本體蠕化率的無損檢測目前主要是靠目測附鑄試塊的斷口顏色。通常在排氣管模型上做出兩個Φ10×20的附體小試塊，落砂后每包取首箱和末箱鑄件的附體小試塊各一件作金相檢查，判斷其蠕化率，作為該包鐵水蠕化是否合格的依據(jù)。其余附體試塊則要經(jīng)拋丸后交檢時(shí)由檢查員敲落目測其斷口的蠕化情況。

超聲波測球化率在生產(chǎn)中已得應(yīng)用，但超聲波測蠕化率很不準(zhǔn)確，難以實(shí)用。音頻法測蠕化率倒是比較準(zhǔn)確，如東風(fēng)汽車公司鑄造一廠曾用音頻法檢測EQ140排氣管和上海大眾排氣管的蠕化率，結(jié)果為當(dāng)蠕化率在50％—95％時(shí)，共振頻率分別為510—580周/秒和1200—1400周/秒。由于不同形狀的排氣管有不同的固有頻率，因此對每種排氣管都要事先摸索出其臨界值，工作量很大，所以生產(chǎn)中未能堅(jiān)持使用下來。

5、蠕鐵排氣管的蠕化率規(guī)定多少為宜？

答：這涉及到蠕鐵的標(biāo)準(zhǔn)問題。美、德、瑞士、羅馬尼亞等國以及國際鑄造技術(shù)協(xié)會7.6委員會都曾規(guī)定蠕鐵的蠕化率應(yīng)不低于80％，而我國標(biāo)準(zhǔn)JB/T4403規(guī)定蠕化率≥50％即可?，F(xiàn)在普遍認(rèn)為我國標(biāo)準(zhǔn)偏低，與國際水平有差距。

筆者認(rèn)為，蠕化率應(yīng)根據(jù)零件的具體情況而規(guī)定。如前所述，當(dāng)壁厚小于15㎜時(shí)，壁厚對蠕化率的影響很大；資料[5]也表明，同一件排氣管上，厚度為16㎜歧管法蘭蠕化率為80—90％，而厚度為5㎜的管壁蠕化率只有60％。即使是德國，他們生產(chǎn)的4缸轎車蠕鐵缸體，雖然缸頂面蠕化率大于80％，但曲軸箱面（厚度僅4㎜）蠕化率甚至不到50％，他們認(rèn)為這并不影響使用，反而有利于提高缸體的強(qiáng)度和剛性。若過分追求薄壁處的高蠕化率，那么厚壁處可能就要出現(xiàn)片狀石墨了，反而降低了零件的性能。長期為上海大眾提供蠕鐵排氣管的圣德曼鑄造公司坦言：“由于不同鑄件的使用條件和要求各不相同，因此不能　認(rèn)為我國的蠕鐵標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的蠕化率≥50％的要求偏低了，也不能把蠕化率的高低作為衡量工藝水平的依據(jù)”。^[4]誠哉斯言！

在這點(diǎn)上，德國大眾的標(biāo)準(zhǔn)顯得更為科學(xué)和合理。在TL—VW046（GGV30）和TL—047（GGV40）標(biāo)準(zhǔn)（均用于排氣管及材料厚度相近的受熱件）中都規(guī)定蠕化率＞50％，而且在圖紙上標(biāo)明：蠕化率的取樣部位在管壁（*薄處）、硬度的取樣部位在岐管法蘭、拉伸強(qiáng)度取樣部位在總管口法蘭（*厚處）。這樣，既保證了能滿足*低的蠕化率，又保證能滿足*低的力學(xué)。