2K缸體頂面氣孔缺陷的解決措施

一汽鑄造有限公司技術(shù)中心 （吉林長春 130062） 趙洪仁 邊慶月 王成剛

我公司鑄造一廠在生產(chǎn)2K缸體的過程中，其頂面常出現(xiàn)氣孔缺陷，加工后能夠看到頂面有氣孔的2K缸體最多時達到40%～50%，少的時候也有20%～30%。雖然采用表面補焊的辦法可以挽救這類缺陷，但也給生產(chǎn)帶來許多不便。2K缸體的生產(chǎn)工藝為外形由靜壓造型設(shè)備制出的粘土濕型砂型，內(nèi)腔及兩端為殼芯（覆膜砂）樹脂砂芯。缺陷情況如附圖所示。

關(guān)于2K缸體頂面出現(xiàn)氣孔的問題，鑄造一廠進行了很多嘗試。只有氧化鐵粉型砂覆膜試驗和型砂里加氧化鐵粉試驗，能基本消除缸體頂面的氣孔。但生產(chǎn)缸體時向型砂中補加氧化鐵粉給生產(chǎn)組織帶來許多不便，使制動鼓鑄件出現(xiàn)大量結(jié)疤（起皮）廢品，同時氧化鐵粉的加入使鑄件的生產(chǎn)成本增加很多。

一、產(chǎn)生氣孔的原因分析

1.2K缸體頂面氣孔性質(zhì)的確定

經(jīng)分析認為，2K缸體頂面氣孔為氮氣孔。

根據(jù)鑄件產(chǎn)生氮氣孔的機理：當鐵液澆入到樹脂砂型中時，含氮樹脂受熱迅速分解出包括NH3在內(nèi)的多種成分氣體，其中活性NH3分解為初生的[N]和[H]，即2NH3→N2＋3H2或2N＋6H，在氧充足的情況下發(fā)生如下反應(yīng)NH3＋O2→NOx＋H2O(此反應(yīng)主要取決于存在的氧量)，當[N]富集程度達到臨界值時生成氣泡核。

另外，從2K缸體頂面氣孔表面不規(guī)則的特征來看也符合氮氣孔的特征。

因為氮氣孔是在還原氣氛中產(chǎn)生的：NH3＋Fe2O3→Fe＋NOx＋H2O，氧化鐵粉的加入，為凝固界面提供了氧化氣氛，因而可有效地防止氮氣孔的產(chǎn)生。

2.氮氣的來源

鐵液在高溫熔煉時與空氣接觸，使空氣中的氮氣溶入鐵液。據(jù)相關(guān)資料介紹，鐵液中的含氮量超過0.01%就會產(chǎn)生氮氣孔。2K缸體的砂芯由殼芯組成，殼芯樹脂的硬化劑為烏洛托品，即六甲基四胺（CH2）6N4，烏洛托品含有40%的N（質(zhì)量分數(shù)），烏洛托品加入量為殼芯樹脂量的16%，殼芯樹脂的含氮量為6.4%，殼芯砂的樹脂加入量為4%，殼芯砂的含氮量為0.256%。相關(guān)研究顯示，造型材料中的含氮量超過0.15%就會產(chǎn)生氮氣孔，含氮量超過0.25%就會產(chǎn)生嚴重的氮氣孔。因而用于2K缸體的殼芯砂的含氮量為2K缸體頂面氣孔的產(chǎn)生提供了必要的條件。

二、試驗方案和結(jié)果

1.試驗方案的確定

（1）缸體砂芯加氧化鐵粉的生產(chǎn)試驗。用芯砂加氧化鐵粉的工藝取代型砂加氧化鐵粉的工藝更合理。芯砂中加入氧化鐵粉可更直接地發(fā)揮氧化鐵粉的作用，在高溫下供氧，形成氧化氣氛，促進樹脂釋放出NH3，以NH3＋O2→NOx＋H2O的形式進行反應(yīng)，減少樹脂釋放出的NH3，以2NH3→N2＋3H2或2N＋6H的形式進行反應(yīng)，防止氮氣孔的發(fā)生。

（2）在缸體上型的氣孔部位加開溢流槽的生產(chǎn)試驗。排除缸體氣孔部位的氣體及雜物，降低此處的含氮量。

2.試驗結(jié)果

（1）在鑄造一廠缸體生產(chǎn)線進行試驗，第二批次按2K缸體圓棒芯加氧化鐵粉的工藝生產(chǎn)10件，其中有3件產(chǎn)生氣孔；型砂加氧化鐵粉的工藝生產(chǎn)10件，其中有5件產(chǎn)生氣孔；氣孔部位開設(shè)溢流槽的工藝生產(chǎn)10件（流失1件），其中有4件產(chǎn)生氣孔。從試驗結(jié)果可以看出：氧化鐵粉砂芯試驗方案較現(xiàn)行工藝好些，但未能看出氣孔部位開設(shè)引流槽試驗方案比現(xiàn)行工藝差。

（2）第二批次按2K缸體圓棒芯和前后端芯同時加氧化鐵粉工藝試生產(chǎn)16件，其中1件產(chǎn)生氣孔；型砂加氧化鐵粉工藝試生產(chǎn)15件，其中10件產(chǎn)生氣孔，占2/3左右。試驗證實，砂芯加氧化鐵粉工藝對解決2K缸體頂面氣孔具有明顯的作用。

（3）第三批次僅在2K缸體的前后端芯中加氧化鐵粉的生產(chǎn)試驗，試驗數(shù)量一個班次（320個缸體件），取消型砂中氧化鐵粉的補加。拋丸清理后，檢測到氧化鐵粉砂芯試驗件143件，有59件有氣孔，有氣孔件的比率為41% ，比現(xiàn)工藝有氣孔件的比率要低一些，試驗取得一定的效果。在2K缸體的前后端芯中加氧化鐵粉的試驗件290件中，加工后的氣孔率為9%，比現(xiàn)行工藝加工后氣孔率20%左右也有所下降。

本次試驗件的數(shù)量較大，進一步證明芯砂加氧化鐵粉比型砂加氧化鐵粉的工藝效果好，而圓棒芯和前后端芯中都加氧化鐵粉效果更好些。

三、試驗結(jié)果分析

（1）通過以上砂芯加氧化鐵粉生產(chǎn)試驗可以看到，上述關(guān)于2K缸體頂面氣孔是氮氣孔的認識是正確的，砂芯加氧化鐵粉工藝對于解決2K缸體頂面氣孔是有效的。由于2K缸體頂面氣孔的部位與型砂接觸，砂芯中的氧化鐵粉不能直接作用于氣孔部位，氧化鐵粉只是產(chǎn)生了一種氧化氣氛，這種氧化氣氛與樹脂中的氮結(jié)合，減少了鐵液中的含氮量，從而起到了解決2K缸體頂面氣孔的作用。

（2）加氧化鐵粉的砂芯距產(chǎn)生氣孔的部位越近，效果越明顯。從以上砂芯加氧化鐵粉生產(chǎn)試驗可以看到，圓棒芯和前后端芯同時加氧化鐵粉試驗效果最好。圓棒芯和前后端芯同時加氧化鐵粉的氧化鐵粉含量并不比只在圓棒芯中加氧化鐵粉的氧化鐵粉含量多很多（因前后端芯較?。?，效果卻明顯得多，主要是因為前后端芯距產(chǎn)生氣孔的部位較近，造成的氧化氣氛更容易到達氣孔部位，因而對減少氣孔的作用就更明顯一些。

（3）無論是砂型還是砂芯，只有在氧化鐵粉的加入量達到足夠的含量時才能夠?qū)?K缸體頂面的氮氣孔發(fā)揮作用。從以上砂芯加氧化鐵粉生產(chǎn)試驗可以看到，圓棒芯和前后端芯同時加氧化鐵粉的試驗效果比前后端芯單獨加氧化鐵粉的試驗效果好，主要是因為前者的氧化鐵粉比后者多很多。

型砂加氧化鐵粉也有這種情況，開始時型砂中氧化鐵粉的補加量為1.7%，2K缸體頂面氣孔很少，后來型砂的氧化鐵粉的補加量降低到0.4%，2K缸體頂面的氣孔率明顯增加，未加工前的氣孔率達到50%～70%，加工后的氣孔率也高達20%左右。

另外，還進行了在砂芯涂料和砂型涂料中加氧化鐵粉的試驗，這些試驗對于解決2K缸體頂面氣孔問題都收效甚微。

實踐證明，只有在氧化鐵粉的加入量達到足夠的含量時才能夠?qū)p少2K缸體頂面的氮氣孔發(fā)揮作用。

（4）氧化鐵粉需要量的計算。殼芯樹脂的硬化劑烏洛托品，受熱分解的初期產(chǎn)物為NH3、CN，這兩種產(chǎn)物不穩(wěn)定，分解為N2、H2、C元素，N2進入鐵液形成氮氣孔。要避免氮氣孔的產(chǎn)生，就要避免N2的形成，使之以NOx（即NO或NO2）的形態(tài)存在。由已計算出的殼芯砂的含氮量約為0.256%，要加入氧化鐵粉使這些氮量轉(zhuǎn)化成NOx（即NO或NO2）形態(tài)，在殼芯砂中需要加入的氧化鐵粉量為1.95%～3.9%。由此可見，氧化鐵粉的氧化能力是很弱的，只有在氧化鐵粉的加入量達到足夠的含量時才能夠?qū)p少氮氣孔發(fā)揮作用。

2K缸體頂面氣孔部位直接與砂型接觸，不與砂芯接觸，砂芯中加氧化鐵粉雖然能夠很好地解決2K缸體頂面氣孔問題，但是氧化鐵粉的利用率還不高。如果能夠改變一下2K缸體的零件工藝，在2K缸體頂面氣孔部位增加一個砂芯，使之將2K缸體頂面氣孔部位覆蓋住，這樣就使2K缸體頂面氣孔部位直接與砂型接觸變?yōu)橹苯优c砂芯接觸，更易解決2K缸體頂面氣孔問題。

采用在2K缸體頂面氣孔部位增加一個砂芯，其影響面小，可在不改變現(xiàn)行型砂工藝和芯砂工藝的條件下實施；針對性強，氧化鐵粉可僅在此砂芯中加入，且氧化鐵粉的加入量不受限制，氧化鐵粉可以加到3%，甚至加到4%，使氧化鐵粉消除氮氣孔的作用發(fā)揮得更充分，更具有針對性。

四、生產(chǎn)驗證

根據(jù)材料工藝與零件工藝結(jié)合的原則，按在2K缸體頂面氣孔部位增加一個砂芯，使之將2K缸體頂面氣孔部位覆蓋住，在砂芯中加入3%的氧化鐵粉的方案，先試澆5件2K缸體，表面觀察和解剖均未見到氣孔。又按此方案生產(chǎn)了31件2K缸體試驗件進行試加工，結(jié)果31件試驗件加工后，氧化鐵粉砂芯覆蓋的部位沒有發(fā)現(xiàn)氣孔，距氧化鐵粉砂芯約15mm的部位發(fā)現(xiàn)3件有一針眼大小的小孔，位置固定，氣孔程度明顯減輕，只要氧化鐵粉砂芯再延長20mm，將氣孔部位完全覆蓋就可以解決這一問題。

采用了在2K缸體頂面氣孔部位增加一個砂芯，使之將2K缸體頂面氣孔部位覆蓋住，在砂芯中加入3%的氧化鐵粉的生產(chǎn)工藝，效果非常好，取得了較大的經(jīng)濟效益?，F(xiàn)已取消了型砂中加氧化鐵粉的工藝，僅少加氧化鐵粉一項，每年就可節(jié)約資金100多萬元。