李明 刘庆义
（潍柴动力股份有限公司，山东潍坊261001）
摘 要：当今重型柴油机发展的方向是大排量、大功率、高可靠性发展，低排放、轻量化、低油耗、低噪声也是追求的目标。这些技术发展方向，迫使发动机的设计者们提高点火爆发压力，使柴油机的热负荷和机械负荷大幅度增加。这就对铸件材料提出了新的更高的要求。一方面，通过柴油机一些先进产品设计手段，进行产品结构优化，选用适用的铸铁材料。另一方面，随着国Ⅳ和国Ⅴ重型柴油机的研发，这些新型重型柴油机都对其关键铸件如机体、气缸盖等的铸件材质提出了更高的要求。目前已经进入了从HT250开始向高性能铸铁发展的时代。作为高性能铸铁，一个是以HT280（HT275）为代表的高性能灰铸铁，另一个就是蠕墨铸铁。
关键词：重型柴油机；铸件；灰铸铁；蠕墨铸铁
1 重型柴油机技术发展对铸铁材料产生重大推动作用
1.1 重型柴油机发展趋势
重型柴油机在商用车、工程机械、船舶、发电等各个领域都有着广泛的应用，其技术水平直接决定了终端产品的可靠性、动力性、经济性和环保性能。
同时，近年来，重型柴油机配套量日益扩大。2010 年，中国重卡市场从2009 年的65 万辆急增至101.74 万辆。
随着我国道路交通运输业的发展，用户对重卡的需求将越来越大，重型汽车也逐步向大排量、大功率、高可靠性发展，另外，低排放、轻量化、低油耗、低噪声也是重型柴油机制造商追求的目标。
首先是大功率和大排量。近几年来，伴随着我国重卡市场的快速发展，重卡向大功率、大吨位发展的趋势越来越明显，重卡功率升级的步伐仍在继续。为顺应这种发展趋势，我国重型柴油机向大功率方向发展已经成为一种趋势。2001年，国内卡车主力车型的动力只有180马力，2002年上升到240马力，2003年，这一数字为280马力，而到了2009年，这一数字已经达到了300-400马力之间。这说明国内重型车发动机的动力性能在逐年提高，大动力水平发动机代表了国际动力发展的新趋势。
在2002年以前，7升柴油机绝对是重型卡车用柴油机市场的主力，占据绝对的市场份额。但在2003年其市场份额和销售数量同步出现下降，到如今其已经逐步失去了市场霸主的地位。取而代之是8升、9升以及11升的柴油机产品。我国重卡使用的柴油机最大排量可达到13L。11~13L发动机是大型商用汽车和工程机械的核心，也是发动机行业公认的黄金排量，近几年，由于商用车的重型化趋势更加明显，各企业对大功率柴油机研发力度不断加大。
其次是高可靠性。高可靠性日益成为考核发动机，特别是重型柴油机是否走向成熟的一个重要标志。目前，国内商用车发动机B10寿命平均为50万公里，国外为120万公里。发动机技术的关键技术也包括保证产品可靠性、一致性的专业化、大批生产的工艺技术。
越来越严格的排放法规要求。国际上重型柴油机排放法规的要求越来越严格。根据中国相关规定，在全国范围内，重卡新车型式核准自2008年1月1日起执行国3标准，2010年1月1日起执行国4标准，2012年1月1日起执行国5标准。
轻量化越来越受重视。随着近年国家及地方推行的公路养路费取消和计重收费政策的推出，对商用车特别是重型卡车的轻量化要求特别突出。
在过去的短短几年中，重型柴油机技术发生了可以说是翻天覆地的变化。目前，柴油机的技术发展相当快速，新技术的应用走上快车道，主要表现在：一是，越来越多的新技术得到应用，使得行业内产品的技术含量得到显著的提高；二是新技术的更新换代速度在加快，新技术的应用速度非常快，几乎2-3年就会有新技术得到应用和推广，这种速度在国外是不曾出现过的。
由此，我们看到，中国重型汽车发动机正在进一步降低排放，降低油耗，降低噪声，并向大排量、大功率柴油机方向快速、良性发展。
1.2 重型发动机的发展对铸铁的材料影响
重型发动机大功率、低排放以及低能耗的发展方向，迫使发动机的设计者们提高点火爆发压力，使发动机的热负荷和机械负荷大幅度增加。这就对铸件材料提出了新的更高的要求。为满足日益增长的发动机铸件需求以及对铸件材料的新要求，重型柴油机铸造业需要在铸造新材料和新工艺方面提升工艺、装备、材料的应用技术水平。
重型柴油机上的主要铸件对柴油机的质量尤为重要。缸体便是发动机上最大、最复杂的铸件，其壁厚比较薄，大多对其材料要求很高。一般用高强度灰铸铁铸造，也有用蠕墨铸件的。
缸盖也是发动机上既复杂又关键的铸件，发动机的燃烧室、进气口、排气口都位于缸盖上。缸盖的材质可以是高强度灰铸铁或蠕墨铸铁。
汽车发动机的比功率（kW/排量·升）及最大爆发压力一直在提高，发动机气缸体与气缸盖的工作温度随发动机的比功率的增大而越来越高。而每种材料都有承受最大爆发压力的的极限，目前使用的常规铸铁已达到或超过了其使用上限。
2 重型柴油机铸铁材料应用动态
2.1 柴油机产品设计通过结构优化 ，选用适用的铸铁材料
柴油机铸件产品通过结构优化等先进设计手段，如CAE优化、可靠性试验优化等，选用适用的铸铁材料。
可靠性开发流程以全目标考核法为基础，以可靠性试验和CAE仿真为手段，在产品的虚拟设计、零部件机械开发和整机机械开发阶段均充分考虑了对产品可靠性的要求，从而大幅度提高了柴油机及其零部件的可靠性。
这方面的案例，比如某一机型的气缸体在产品设计初期选定牌号相当于HT320，但经过产品设计优化过程，只是局部修改了一下结构，就选用了HT280。再如某一机型的下缸体在产品设计初期选定牌号QT400-15，但经过产品设计优化过程，只是局部修改了一下结构，也选用了HT280。
2.2 提升铸铁材料
随着重型柴油机爆发压力不断提升，需采用新工艺、新结构、新材料实现可靠性的跨越。
汽车发动机的比功率（kW/排量·升）及最大爆发压力一直在提高，发动机气缸体与气缸盖的工作温度随发动机比功率的增大而越来越高。而每种材料都有承受最大爆发压力的的极限。目前使用的常规铸铁已达到或超过了其使用上限。
随着国Ⅲ、国Ⅳ和国Ⅴ排放要求的不断提高，这些新型发动机都对其关键铸件如缸体、缸盖等的铸件材质提出了更高的要求。
产品设计对力学性能要求更高。现代发动机铸件尤其是气缸体和气缸盖的力学性能要求比十年前提高了1 ～2 个牌号, 铸件本体强度要求达到230 ～300MPa, 相当于试棒强度HT280～HT350, 而过去一般只要求试棒强度HT250。铸件本体硬度达190～230HBS, 硬度值下限提高, 范围缩小, 而过去一般为170～240 HBS。
目前普遍采用的HT250牌号已经远远满足不了其材质可靠性要求。以HT280为主的高性能灰铸铁日益成为主要材料。蠕墨铸铁的应用也越来越广泛。
3 重型发动机铸铁材料技术发展趋势3.1 灰铁技术
灰铸铁由于具有良好的铸造工艺性能和机械性能，优越的耐磨性、减振性和导热性，而且生产方便，价格便宜，是用作制造发动机的首选材料。尽管在现代出现了众多代用的新材料，但它仍是广泛用于各个工业领域的重要材料。铸铁铸件一般占各类铸件总产量的75%以上；而灰铸铁件产量又占铸铁件总产量的75%以上。灰铸铁的铸造性能，尤其是它的缺口敏感性、减震性及耐磨性是其他材料不可取代的。由于市场的激烈竞争，对铸铁材质的要求愈来愈高，随着现代科学技术的进步和对节能要求的提高，于是能提高性能、减轻质量、降低能耗及降低成本的高强度薄壁灰铸铁件就成为国内外研究者们进行研究的一项重要内容，并在汽车发动机等薄壁复杂件生产中得到广泛的应用。
3.1.1 对灰铁的要求
灰铸铁由于其自身具有铸造性能好、工艺简单、制造成本低、加工性能良好等一系列优点，作为传统的发动机汽车材料将仍占据绝大部分领域。但是，由于重型柴油机技术的发展，对铸铁材质的要求愈来愈高，能提高性能、减轻质量、降低能耗及降低成本的高强度薄壁灰铸铁件越来越受重视。
3.1.2灰铁生产工艺情况
目前对于高性能灰铸铁，国内外所采取的生产工艺主要有几种路线，但还处于百花齐放阶段，还没有形成一种成熟的、普遍采用的一种高性能灰铸铁稳定生产的技术路线。
发动机铸件与一般铸件有着不同的特点和要求。其生产工艺也具有明显的特点。对于发动机灰铸铁铸件，目前国内外所采取的生产工艺主要有以下几种：
a.低碳当量工艺
低碳当量工艺是指通过降低灰铸铁的C、Si含量，从而提高铸铁强度的办法。
b.高碳当量、高合金化工艺
高碳当量、高合金化工艺指维持灰铸铁的C、Si含量在较高水平的条件下，通过加入较多的合金元素如铜、铬、钼、锡等，从而提高铸铁强度的办法。
c.微合金化工艺
微合金化工艺其特点就是将需要加入的不同合金，如：铬铁、锰铁、稀土、钼铁等，制成合金复合孕育剂，采用炉外冲入的方式加入铁水中，代替原炉前需分别加入的各种合金和炉前孕育剂。
d.高碳当量、低合金化工艺
高碳当量、低合金化工艺是指目前先进的铸造材质生产工艺。其特点就是在较高碳当量条件下，通过细化共晶团、细化石墨、强化基体组织来达到高的强度性能，同时保持优良的铸造性能。具体工艺就是通过改变熔炼工艺方式，获得高温、稳定的铁液，添加适量的合金元素进行低合金化，选择适当的孕育剂进行有效的孕育。
e．合成铸铁
采用高废钢比(60%～80%废钢＋20%～40%回炉料)，经电炉熔炼，炉内加增碳剂增C，在较高碳当量(3.90%～4.05 %CE)条件下，稳定获得HT250灰铸铁。与相同条件下的普通生铁熔炼相比，抗拉强度可提高30MPa～50MPa，石墨形态以A型为主，长度较小(200μm～300μm)且均匀，试棒硬度为194HB～237HB，铸件断面敏感性小，组织和硬度均匀性好，成本较低。
其中熔炼工艺近期发展变化较大。采用热风冲天炉熔化铁水，或者采用中频炉熔炼工艺，提高增碳系数，配料以废钢加回炉料为主，也就是采用合成铸铁，保证铁水出炉温度在1500~1550℃。这是获得高性能灰铸铁的首要条件。
3.2 蠕铁技术
蠕墨铸铁作为一种材质在发动机缸体等重要铸件上得到越来越广泛的应用。随着发动机性能的不断提高，在大马力发动机上，灰铁材料已不能满足发动机使用性能要求，蠕墨铸铁的性能优势开始显现。发动机缸体缸盖是蠕墨铸铁应用的重要领域，采用蠕墨铸铁制造中、大马力发动机缸体缸盖，一方面可以通过设计减轻缸体缸盖重量，另一方面也可以提高缸体缸盖的使用性能，提高发动机的效率。目前在福特公司、奥迪等国外公司的大马力发动机缸体材料已采用蠕墨铸铁制造。缸体采用蠕墨铸铁制造可以减薄壁厚，取消加强筋，减重可达25%左右。
它具有球墨铸铁的强度，和灰铸铁相比又有类似的防振、导热能力及铸造性能，而又比灰铸铁有更好的塑性和耐疲劳性能。1981年美国威斯康星大学洛泊尔教授曾对蠕墨铸铁的应用领域作了一个简要概括：“蠕墨铸铁的未来是令人鼓舞的。它并不会取代球墨铸铁，也不会取代灰铸铁。蠕墨铸铁给工程界提供了一个合金范围，它可以降低许多零件的生产成本。此外，蠕墨铸铁所具有的综合力学性能和物理性能可以得到应用，而其它材料在实际上是达不到的。” “蠕墨铸铁当前有三个最引人注目的用途：汽车的排气管、大型内燃机缸盖和钢锭模。而最有光辉前途的，看来是代替高强度灰铸铁。
近几年，蠕墨铸铁的应用，特别是在欧洲，得到了长足的进展。这是人们在发现蠕墨铸铁后，首次作为一种材质在国外发动机缸体等重要铸件上得到广泛使用。应用的同时又掀起了相应的进一步深入研究的高潮。随着发动机爆发压力的不断提高，对铸件材质性能要求越来越高，应用蠕墨铸铁的机会也越来越多。
在欧洲，很多越来越多的卡车厂采用蠕铁。目前在国外已经批量应用蠕墨铸铁的发动机铸件，主要是在轿车发动机的缸体、缸盖上。在卡车发动机方面，已经批量应用蠕墨铸铁的发动机铸件，主要为达夫公司（DAF）重型发动机的缸体、缸盖，MAN公司的D20缸体、缸盖。
我国应用历史要早于国外，应用领域也较广，但用于发动机铸件的例子主要有上海圣德曼、庆铃铸造公司和二汽的蠕墨铸铁排气管、锡柴和大柴的蠕墨铸铁缸盖等。
灰铸铁一般是做到HT280和HT300就很难再从疲劳强度上进行提高了，只是提高了硬度。同时，HT300的废品率、加工难度也提高了。蠕铁作为一种新材料、新技术，在国内发动机生产企业也得到了越来越多地重视，很多重型柴油机企业正在进行一些推广应用中。
3.2.1 对蠕铁的要求
蠕墨铸铁具有优良的综合性能，已成为发动机机体和缸盖的理想材料。尽管蠕铁的标准还存在着不统一性，但在发动机关键铸件上的应用，蠕铁应当是这样的一种铸造材质，即发动机铸件蠕铁标准为：蠕化率超过80%以上的蠕墨铸铁。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，形状复杂的部件特别容易出现缩孔，加工性能恶化，降低工具寿命，还有导热性也明显下降，产生热应力等。
高质量的蠕铁，稳定区即残余镁量和残余稀土量非常小，可靠的大规模蠕铁生产必须要有可行的控制手段来消除工艺变化和人为操作错误。最有效的消除工艺变化的方法是在球化、孕育处理后对铁水进行热分析。根据热分析结果，在浇注前进一步加入准确数量的镁和孕育剂。这种在线测量及调整的手段保证了铸造生产线的稳定性，消除了在大规模蠕铁生产中所带来的各种风险。
蠕墨铸铁的密度与灰铸铁相差不多，但它具有更高的刚度和强度。如果简单地以蠕墨铸铁代替灰铸铁不会使零件质量减轻，但用蠕墨铸铁的同时通常进行结构优化，即通过减小铸件壁厚减轻其质量。国外在轻型发动机气缸体上应用蠕墨铸铁较多，并通常采用胀断主轴承盖的方法以简化加工工艺。现在采用蠕墨铸铁材料及胀断主轴承盖工艺方法的气缸体在重型发动机上已经有了应用。如MAN公司推出的D20发动机就采用了这样的材料和工艺。国内应用蠕墨铸铁材料的气缸体还刚刚开始。
3.2.2 蠕铁生产工艺情况
蠕铁存在着较大的铸造生产工艺难点，为能生产出符合这一标准的蠕铁，必须采用具备有效过程控制手段的先进的蠕铁生产工艺，来稳定地、高标准地生产出符合要求的铸件。
蠕墨铸铁的蠕化处理范围本身就很窄，国外又要求更高的蠕化率，所以必须要采用合适的生产技术与相应的蠕化剂。
国外蠕铁的应用主要以发动机铸件为代表。由于国外对蠕铁的蠕化率要求较高，因此形成了一些炉前控制技术，采取严格的蠕铁生产工艺来生产蠕铁材料铸件。这些蠕铁生产工艺主要有：SinterCast工艺、OxyCast 工艺、NovaCast工艺、Backerud工艺等，其中SinterCast工艺是最为典型的蠕铁生产工艺。
国内蠕铁生产工艺除在蠕化剂方面做了大量工作，使用了很多种类的蠕化剂外，处理控制工艺比较简单，个别采用三角试块以及炉前快速金相分析，基本上没有良好的质量控制手段。由于缺乏有效地过程控制手段，这些应用还在较低的水平上。存在的问题主要是蠕化成功率较低、铸件的蠕化率较低、铸件本体的珠光体含量较低。
4 结束语
重型柴油机技术发展对铸铁材料产生重大推动。当今重型柴油机发展的方向是大排量、大功率、高可靠性发展，轻量化、低排放、低油耗、低噪声也是追求的目标。这些技术发展方向，迫使发动机的设计者们提高点火爆发压力，使柴油机的热负荷和机械负荷大幅度增加。这就对铸件材料提出了新的更高的要求。一方面，通过柴油机一些先进产品设计手段，进行产品结构优化，选用适用的铸铁材料。另一方面，随着国Ⅳ和国Ⅴ重型柴油机的研发，这些新型重型柴油机都对其关键铸件如机体、气缸盖等的铸件材质提出了更高的要求。目前普遍采用的HT250牌号已经远远满足不了其材质可靠性要求。发动机铸件材质国内外在二十世纪八、九十年代走过了从HT200到普遍使用HT250的时代，本文认为目前已经进入了从HT250开始向高性能铸铁发展的时代。作为高性能铸铁，一个是以HT280（HT275）为代表的高性能灰铸铁，另一个就是蠕墨铸铁。
