摘  要：當今重型柴油機發展的方向是大排量、大功率、高可靠性發展，低排放、輕量化、低油耗、低噪聲也是追求的目標。這些技術發展方向，迫使發動機的設計者們提高點火爆發壓力，使柴油機的熱負荷和機械負荷大幅度增加。這就對鑄件材料提出了新的更高的要求。一方面，通過柴油機一些先進產品設計手段，進行產品結構優化，選用適用的鑄鐵材料。另一方面，隨著國Ⅳ和國Ⅴ重型柴油機的研發，這些新型重型柴油機都對其關鍵鑄件如機體、氣缸蓋等的鑄件材質提出了更高的要求。目前已經進入了從HT250開始向高性能鑄鐵發展的時代。作為高性能鑄鐵，一個是以HT280（HT275）為代表的高性能灰鑄鐵，另一個就是蠕墨鑄鐵。
　　關鍵詞：重型柴油機；鑄件；灰鑄鐵；蠕墨鑄鐵
　　1 重型柴油機技術發展對鑄鐵材料產生重大推動作用
　　1.1 重型柴油機發展趨勢
　　重型柴油機在商用車、工程機械、船舶、發電等各個領域都有著廣泛的應用，其技術水平直接決定了終端產品的可靠性、動力性、經濟性和環保性能。
　　同時，近年來，重型柴油機配套量日益擴大。2010 年，中國重卡市場從2009 年的65 萬輛急增至101.74 萬輛。
　　隨著我國道路交通運輸業的發展，用戶對重卡的需求將越來越大，重型汽車也逐步向大排量、大功率、高可靠性發展，另外，低排放、輕量化、低油耗、低噪聲也是重型柴油機制造商追求的目標。
　　首先是大功率和大排量。近幾年來，伴隨著我國重卡市場的快速發展，重卡向大功率、大噸位發展的趨勢越來越明顯，重卡功率升級的步伐仍在繼續。為順應這種發展趨勢，我國重型柴油機向大功率方向發展已經成為一種趨勢。2001年，國內卡車主力車型的動力只有180馬力，2002年上升到240馬力，2003年，這一數字為280馬力，而到了2009年，這一數字已經達到了300-400馬力之間。這說明國內重型車發動機的動力性能在逐年提高，大動力水平發動機代表了國際動力發展的新趨勢。
　　在2002年以前，7升柴油機絕對是重型卡車用柴油機市場的主力，占據絕對的市場份額。但在2003年其市場份額和銷售數量同步出現下降，到如今其已經逐步失去了市場霸主的地位。取而代之是8升、9升以及11升的柴油機產品。我國重卡使用的柴油機最大排量可達到13L。11~13L發動機是大型商用汽車和工程機械的核心，也是發動機行業公認的黃金排量，近幾年，由于商用車的重型化趨勢更加明顯，各企業對大功率柴油機研發力度不斷加大。
　　其次是高可靠性。高可靠性日益成為考核發動機，特別是重型柴油機是否走向成熟的一個重要標志。目前，國內商用車發動機B10壽命平均為50萬公里，國外為120萬公里。發動機技術的關鍵技術也包括保證產品可靠性、一致性的專業化、大批生產的工藝技術。
　　越來越嚴格的排放法規要求。國際上重型柴油機排放法規的要求越來越嚴格。根據中國相關規定，在全國范圍內，重卡新車型式核準自2008年1月1日起執行國3標準，2010年1月1日起執行國4標準，2012年1月1日起執行國5標準。
　　輕量化越來越受重視。隨著近年國家及地方推行的公路養路費取消和計重收費政策的推出，對商用車特別是重型卡車的輕量化要求特別突出。
　　在過去的短短幾年中，重型柴油機技術發生了可以說是翻天覆地的變化。目前，柴油機的技術發展相當快速，新技術的應用走上快車道，主要表現在：一是，越來越多的新技術得到應用，使得行業內產品的技術含量得到顯著的提高；二是新技術的更新換代速度在加快，新技術的應用速度非常快，幾乎2-3年就會有新技術得到應用和推廣，這種速度在國外是不曾出現過的。
　　由此，我們看到，中國重型汽車發動機正在進一步降低排放，降低油耗，降低噪聲，并向大排量、大功率柴油機方向快速、良性發展。
　　1.2 重型發動機的發展對鑄鐵的材料影響
　　重型發動機大功率、低排放以及低能耗的發展方向，迫使發動機的設計者們提高點火爆發壓力，使發動機的熱負荷和機械負荷大幅度增加。這就對鑄件材料提出了新的更高的要求。為滿足日益增長的發動機鑄件需求以及對鑄件材料的新要求，重型柴油機鑄造業需要在鑄造新材料和新工藝方面提升工藝、裝備、材料的應用技術水平。
　　重型柴油機上的主要鑄件對柴油機的質量尤為重要。缸體便是發動機上最大、最復雜的鑄件，其壁厚比較薄，大多對其材料要求很高。一般用高強度灰鑄鐵鑄造，也有用蠕墨鑄件的。
　　缸蓋也是發動機上既復雜又關鍵的鑄件，發動機的燃燒室、進氣口、排氣口都位于缸蓋上。缸蓋的材質可以是高強度灰鑄鐵或蠕墨鑄鐵。
　　汽車發動機的比功率（kW/排量·升）及最大爆發壓力一直在提高，發動機氣缸體與氣缸蓋的工作溫度隨發動機的比功率的增大而越來越高。而每種材料都有承受最大爆發壓力的的極限，目前使用的常規鑄鐵已達到或超過了其使用上限。
　　2  重型柴油機鑄鐵材料應用動態
　　2.1 柴油機產品設計通過結構優化，選用適用的鑄鐵材料
　　柴油機鑄件產品通過結構優化等先進設計手段，如CAE優化、可靠性試驗優化等，選用適用的鑄鐵材料。
　　可靠性開發流程以全目標考核法為基礎，以可靠性試驗和CAE仿真為手段，在產品的虛擬設計、零部件機械開發和整機機械開發階段均充分考慮了對產品可靠性的要求，從而大幅度提高了柴油機及其零部件的可靠性。
　　這方面的案例，比如某一機型的氣缸體在產品設計初期選定牌號相當于HT320，但經過產品設計優化過程，只是局部修改了一下結構，就選用了HT280。再如某一機型的下缸體在產品設計初期選定牌號QT400-15，但經過產品設計優化過程，只是局部修改了一下結構，也選用了HT280。
　　2.2 提升鑄鐵材料
　　隨著重型柴油機爆發壓力不斷提升，需采用新工藝、新結構、新材料實現可靠性的跨越。
　　汽車發動機的比功率（kW/排量·升）及最大爆發壓力一直在提高，發動機氣缸體與氣缸蓋的工作溫度隨發動機比功率的增大而越來越高。而每種材料都有承受最大爆發壓力的的極限。目前使用的常規鑄鐵已達到或超過了其使用上限。
　　隨著國Ⅲ、國Ⅳ和國Ⅴ排放要求的不斷提高，這些新型發動機都對其關鍵鑄件如缸體、缸蓋等的鑄件材質提出了更高的要求。
　　產品設計對力學性能要求更高。現代發動機鑄件尤其是氣缸體和氣缸蓋的力學性能要求比十年前提高了1 ～2 個牌號, 鑄件本體強度要求達到230 ～300MPa, 相當于試棒強度HT280～HT350, 而過去一般只要求試棒強度HT250。鑄件本體硬度達190～230HBS, 硬度值下限提高, 范圍縮小, 而過去一般為170～240 HBS。
　　目前普遍采用的HT250牌號已經遠遠滿足不了其材質可靠性要求。以HT280為主的高性能灰鑄鐵日益成為主要材料。蠕墨鑄鐵的應用也越來越廣泛。
　　3 重型發動機鑄鐵材料技術發展趨勢
　　3.1 灰鐵技術
　　灰鑄鐵由于具有良好的鑄造工藝性能和機械性能，優越的耐磨性、減振性和導熱性，而且生產方便，價格便宜，是用作制造發動機的首選材料。盡管在現代出現了眾多代用的新材料，但它仍是廣泛用于各個工業領域的重要材料。鑄鐵鑄件一般占各類鑄件總產量的75%以上；而灰鑄鐵件產量又占鑄鐵件總產量的75%以上。灰鑄鐵的鑄造性能，尤其是它的缺口敏感性、減震性及耐磨性是其他材料不可取代的。由于市場的激烈競爭，對鑄鐵材質的要求愈來愈高，隨著現代科學技術的進步和對節能要求的提高，于是能提高性能、減輕質量、降低能耗及降低成本的高強度薄壁灰鑄鐵件就成為國內外研究者們進行研究的一項重要內容，并在汽車發動機等薄壁復雜件生產中得到廣泛的應用。
　　3.1.1對灰鐵的要求
　　灰鑄鐵由于其自身具有鑄造性能好、工藝簡單、制造成本低、加工性能良好等一系列優點，作為傳統的發動機汽車材料將仍占據絕大部分領域。但是，由于重型柴油機技術的發展，對鑄鐵材質的要求愈來愈高，能提高性能、減輕質量、降低能耗及降低成本的高強度薄壁灰鑄鐵件越來越受重視。
　　3.1.2灰鐵生產工藝情況
　　目前對于高性能灰鑄鐵，國內外所采取的生產工藝主要有幾種路線，但還處于百花齊放階段，還沒有形成一種成熟的、普遍采用的一種高性能灰鑄鐵穩定生產的技術路線。
　　發動機鑄件與一般鑄件有著不同的特點和要求。其生產工藝也具有明顯的特點。對于發動機灰鑄鐵鑄件，目前國內外所采取的生產工藝主要有以下幾種：
　　a.低碳當量工藝
　　低碳當量工藝是指通過降低灰鑄鐵的C、Si含量，從而提高鑄鐵強度的辦法。
　　b.高碳當量、高合金化工藝
　　高碳當量、高合金化工藝指維持灰鑄鐵的C、Si含量在較高水平的條件下，通過加入較多的合金元素如銅、鉻、鉬、錫等，從而提高鑄鐵強度的辦法。
　　c.微合金化工藝
　　微合金化工藝其特點就是將需要加入的不同合金，如：鉻鐵、錳鐵、稀土、鉬鐵等，制成合金復合孕育劑，采用爐外沖入的方式加入鐵水中，代替原爐前需分別加入的各種合金和爐前孕育劑。
　　d.高碳當量、低合金化工藝
　　高碳當量、低合金化工藝是指目前先進的鑄造材質生產工藝。其特點就是在較高碳當量條件下，通過細化共晶團、細化石墨、強化基體組織來達到高的強度性能，同時保持優良的鑄造性能。具體工藝就是通過改變熔煉工藝方式，獲得高溫、穩定的鐵液，添加適量的合金元素進行低合金化，選擇適當的孕育劑進行有效的孕育。
　　e．合成鑄鐵
　　采用高廢鋼比(60%～80%廢鋼＋20%～40%回爐料)，經電爐熔煉，爐內加增碳劑增C，在較高碳當量(3.90%～4.05 %CE)條件下，穩定獲得HT250灰鑄鐵。與相同條件下的普通生鐵熔煉相比，抗拉強度可提高30MPa～50MPa，石墨形態以A型為主，長度較小(200μm～300μm)且均勻，試棒硬度為194HB～237HB，鑄件斷面敏感性小，組織和硬度均勻性好，成本較低。
　　其中熔煉工藝近期發展變化較大。采用熱風沖天爐熔化鐵水，或者采用中頻爐熔煉工藝，提高增碳系數，配料以廢鋼加回爐料為主，也就是采用合成鑄鐵，保證鐵水出爐溫度在1500~1550℃。這是獲得高性能灰鑄鐵的首要條件。
　　3.2 蠕鐵技術
　　蠕墨鑄鐵作為一種材質在發動機缸體等重要鑄件上得到越來越廣泛的應用。隨著發動機性能的不斷提高，在大馬力發動機上，灰鐵材料已不能滿足發動機使用性能要求，蠕墨鑄鐵的性能優勢開始顯現。發動機缸體缸蓋是蠕墨鑄鐵應用的重要領域，采用蠕墨鑄鐵制造中、大馬力發動機缸體缸蓋，一方面可以通過設計減輕缸體缸蓋重量，另一方面也可以提高缸體缸蓋的使用性能，提高發動機的效率。目前在福特公司、奧迪等國外公司的大馬力發動機缸體材料已采用蠕墨鑄鐵制造。缸體采用蠕墨鑄鐵制造可以減薄壁厚，取消加強筋，減重可達25%左右。
　　它具有球墨鑄鐵的強度，和灰鑄鐵相比又有類似的防振、導熱能力及鑄造性能，而又比灰鑄鐵有更好的塑性和耐疲勞性能。1981年美國威斯康星大學洛泊爾教授曾對蠕墨鑄鐵的應用領域作了一個簡要概括：“蠕墨鑄鐵的未來是令人鼓舞的。它并不會取代球墨鑄鐵，也不會取代灰鑄鐵。蠕墨鑄鐵給工程界提供了一個合金范圍，它可以降低許多零件的生產成本。此外，蠕墨鑄鐵所具有的綜合力學性能和物理性能可以得到應用，而其它材料在實際上是達不到的。”“蠕墨鑄鐵當前有三個最引人注目的用途：汽車的排氣管、大型內燃機缸蓋和鋼錠模。而最有光輝前途的，看來是代替高強度灰鑄鐵。
　　近幾年，蠕墨鑄鐵的應用，特別是在歐洲，得到了長足的進展。這是人們在發現蠕墨鑄鐵后，首次作為一種材質在國外發動機缸體等重要鑄件上得到廣泛使用。應用的同時又掀起了相應的進一步深入研究的高潮。隨著發動機爆發壓力的不斷提高，對鑄件材質性能要求越來越高，應用蠕墨鑄鐵的機會也越來越多。
　　在歐洲，很多越來越多的卡車廠采用蠕鐵。目前在國外已經批量應用蠕墨鑄鐵的發動機鑄件，主要是在轎車發動機的缸體、缸蓋上。在卡車發動機方面，已經批量應用蠕墨鑄鐵的發動機鑄件，主要為達夫公司（DAF）重型發動機的缸體、缸蓋，MAN公司的D20缸體、缸蓋。
　　我國應用歷史要早于國外，應用領域也較廣，但用于發動機鑄件的例子主要有上海圣德曼、慶鈴鑄造公司和二汽的蠕墨鑄鐵排氣管、錫柴和大柴的蠕墨鑄鐵缸蓋等。
　　灰鑄鐵一般是做到HT280和HT300就很難再從疲勞強度上進行提高了，只是提高了硬度。同時，HT300的廢品率、加工難度也提高了。蠕鐵作為一種新材料、新技術，在國內發動機生產企業也得到了越來越多地重視，很多重型柴油機企業正在進行一些推廣應用中。
　　3.2.1對蠕鐵的要求
　　蠕墨鑄鐵具有優良的綜合性能，已成為發動機機體和缸蓋的理想材料。盡管蠕鐵的標準還存在著不統一性，但在發動機關鍵鑄件上的應用，蠕鐵應當是這樣的一種鑄造材質，即發動機鑄件蠕鐵標準為：蠕化率超過80%以上的蠕墨鑄鐵。如果球化率超過20％，會導致一系列不利因素，比如收縮量過大，形狀復雜的部件特別容易出現縮孔，加工性能惡化，降低工具壽命，還有導熱性也明顯下降，產生熱應力等。
　　高質量的蠕鐵，穩定區即殘余鎂量和殘余稀土量非常小，可靠的大規模蠕鐵生產必須要有可行的控制手段來消除工藝變化和人為操作錯誤。最有效的消除工藝變化的方法是在球化、孕育處理后對鐵水進行熱分析。根據熱分析結果，在澆注前進一步加入準確數量的鎂和孕育劑。這種在線測量及調整的手段保證了鑄造生產線的穩定性，消除了在大規模蠕鐵生產中所帶來的各種風險。
　　蠕墨鑄鐵的密度與灰鑄鐵相差不多，但它具有更高的剛度和強度。如果簡單地以蠕墨鑄鐵代替灰鑄鐵不會使零件質量減輕，但用蠕墨鑄鐵的同時通常進行結構優化，即通過減小鑄件壁厚減輕其質量。國外在輕型發動機氣缸體上應用蠕墨鑄鐵較多，并通常采用脹斷主軸承蓋的方法以簡化加工工藝。現在采用蠕墨鑄鐵材料及脹斷主軸承蓋工藝方法的氣缸體在重型發動機上已經有了應用。如MAN公司推出的D20發動機就采用了這樣的材料和工藝。國內應用蠕墨鑄鐵材料的氣缸體還剛剛開始。
　　3.2.2蠕鐵生產工藝情況
　　蠕鐵存在著較大的鑄造生產工藝難點，為能生產出符合這一標準的蠕鐵，必須采用具備有效過程控制手段的先進的蠕鐵生產工藝，來穩定地、高標準地生產出符合要求的鑄件。
　　蠕墨鑄鐵的蠕化處理范圍本身就很窄，國外又要求更高的蠕化率，所以必須要采用合適的生產技術與相應的蠕化劑。
　　國外蠕鐵的應用主要以發動機鑄件為代表。由于國外對蠕鐵的蠕化率要求較高，因此形成了一些爐前控制技術，采取嚴格的蠕鐵生產工藝來生產蠕鐵材料鑄件。這些蠕鐵生產工藝主要有：SinterCast工藝、OxyCast 工藝、NovaCast工藝、Backerud工藝等，其中SinterCast工藝是最為典型的蠕鐵生產工藝。
　　國內蠕鐵生產工藝除在蠕化劑方面做了大量工作，使用了很多種類的蠕化劑外，處理控制工藝比較簡單，個別采用三角試塊以及爐前快速金相分析，基本上沒有良好的質量控制手段。由于缺乏有效地過程控制手段，這些應用還在較低的水平上。存在的問題主要是蠕化成功率較低、鑄件的蠕化率較低、鑄件本體的珠光體含量較低。
　　4 結束語
　　重型柴油機技術發展對鑄鐵材料產生重大推動。當今重型柴油機發展的方向是大排量、大功率、高可靠性發展，輕量化、低排放、低油耗、低噪聲也是追求的目標。這些技術發展方向，迫使發動機的設計者們提高點火爆發壓力，使柴油機的熱負荷和機械負荷大幅度增加。這就對鑄件材料提出了新的更高的要求。一方面，通過柴油機一些先進產品設計手段，進行產品結構優化，選用適用的鑄鐵材料。另一方面，隨著國Ⅳ和國Ⅴ重型柴油機的研發，這些新型重型柴油機都對其關鍵鑄件如機體、氣缸蓋等的鑄件材質提出了更高的要求。目前普遍采用的HT250牌號已經遠遠滿足不了其材質可靠性要求。發動機鑄件材質國內外在二十世紀八、九十年代走過了從HT200到普遍使用HT250的時代，本文認為目前已經進入了從HT250開始向高性能鑄鐵發展的時代。作為高性能鑄鐵，一個是以HT280（HT275）為代表的高性能灰鑄鐵，另一個就是蠕墨鑄鐵。