球鐵氣缸體鑄造缺陷分析及對(duì)策

畢海香 楊恒遠(yuǎn) 耿建華 李永剛 王 佳

(濰柴重機(jī)股份有限公司濱海鑄造廠，山東261108)

球鐵氣缸體鑄造缺陷分析及對(duì)策

畢海香 楊恒遠(yuǎn) 耿建華 李永剛 王 佳

(濰柴重機(jī)股份有限公司濱海鑄造廠，山東261108)

某種大型球鐵氣缸體在試生產(chǎn)過程中發(fā)現(xiàn)鐵豆、氣渣隔、嗆孔等缺陷。經(jīng)過分析，這些缺陷與充型過程中金屬液飛濺、裹氣，溫度場(chǎng)不均衡，以及鑄件頂部溫度急劇下降有很大關(guān)系。采取了改進(jìn)澆注系統(tǒng)，調(diào)整冷鐵位置，提高澆注溫度等工藝改進(jìn)措施，最終解決了氣缸體鑄件的缺陷，鑄件質(zhì)量顯著提高。

球墨鑄鐵氣缸體；缺陷；工藝改進(jìn)

某系列大功率船用柴油機(jī)是我公司從國(guó)外引進(jìn)的產(chǎn)品，所有零部件的生產(chǎn)技術(shù)條件都是按照歐洲標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行。氣缸體作為柴油機(jī)的重要部件，材質(zhì)和內(nèi)在質(zhì)量要求非常嚴(yán)格。該系列氣缸體尺寸大，噸位重，生產(chǎn)周期長(zhǎng)，成本高，一旦由于鑄造缺陷嚴(yán)重導(dǎo)致鑄件報(bào)廢，損失將會(huì)很高。

1 氣缸體技術(shù)要求

氣缸體材質(zhì)為EN-GJS-100-15U，相當(dāng)于中國(guó)QT400-15牌號(hào)。要求抗拉強(qiáng)度≥400 MPa，屈服強(qiáng)度≥250 MPa，延伸率≥15%，本體硬度135～185HBW。每個(gè)氣缸體必須檢測(cè)附鑄試樣的力學(xué)性能和金相組織。缸孔、軸承座、側(cè)拉螺栓孔、凸輪軸孔、觀察窗孔等關(guān)鍵部位必須進(jìn)行超聲檢測(cè)。觀察窗口周圍必須進(jìn)行磁粉檢測(cè)。所以氣缸體生產(chǎn)難度大，不允許有任何影響鑄件性能的鑄造缺陷，尤其是線性類缺陷。

2 原鑄造工藝及生產(chǎn)情況

為了滿足氣缸體的材質(zhì)和性能要求，采用了缸孔面朝下，底座朝上的立澆工藝。此方式使得鑄件的重要部位在澆注位置的下部，能保證鑄件主要部位的致密性。具體工藝詳見圖1。厚大部位以及主軸承座處、缸孔、凸輪軸孔等關(guān)鍵部位布置了冷鐵。頂部布置保溫冒口進(jìn)行補(bǔ)縮。

圖1 原工藝設(shè)計(jì)

氣缸體采用堿酚醛樹脂自硬砂手工造型制芯工藝。開始驗(yàn)證時(shí)澆注溫度定為1330～1340℃，澆注重量達(dá)27 t。在對(duì)清理后的鑄件毛坯或鑄件進(jìn)行粗加工后發(fā)現(xiàn)冷隔、鐵豆、嗆孔等鑄造缺陷，缺陷在內(nèi)澆口對(duì)側(cè)尤為嚴(yán)重。鑄件缺陷見圖2。

3 原因分析

借助MAGMA軟件對(duì)原工藝進(jìn)行數(shù)值模擬，分析了充型、凝固過程中鐵水溫度場(chǎng)和流場(chǎng)的變化，從而查找產(chǎn)生缺陷的根源所在。

圖2 鑄造缺陷

(a)

(b)

(1)“鐵豆”是在鑄件內(nèi)部或表面包含金屬粒的孔眼。它與鑄件本體不熔合但相連結(jié)[1]。這些金屬珠類夾雜物，形似豆，統(tǒng)稱為豆類夾雜缺陷，俗稱“鐵豆”。“鐵豆”是由于充型過程中金屬液流不平穩(wěn)造成的。金屬液最初進(jìn)入鑄型很容易飛濺，飛濺出的液滴表面氧化形成金屬珠，在澆注溫度低的情況下，這層金屬珠表面的氧化膜和后來進(jìn)入鑄型的金屬液不容易熔合，與外入氣體一塊包裹，金屬珠最終就凝固到鑄件內(nèi)。

原工藝模擬充型過程-卷氣飛濺趨勢(shì)如圖3所示。原工藝模擬充型過程-溫度場(chǎng)變化如圖4所示。

(a)

(b)

從圖3(a)可以看出，澆注初期澆注系統(tǒng)內(nèi)鐵水飛濺卷氣嚴(yán)重，尤其是內(nèi)澆道口附近金屬液呈噴射飛濺狀。并且從圖4(a)充型過程中溫度場(chǎng)變化可以看出，澆注系統(tǒng)對(duì)側(cè)下觀察窗附近鐵水溫度偏低。另外，定量澆口箱內(nèi)塞柱與塞頭座配合偏差，密封不良，從金屬液倒入定量澆口箱內(nèi)至拔塞澆注期間有少量鐵液漏入型腔內(nèi)[2]。由于漏入型腔內(nèi)的鐵液流細(xì)小，進(jìn)入型腔后分散，所以在鑄件下部(氣缸體的下觀察窗口處)會(huì)形成鐵豆[3]。

(2)氣隔缺陷一般不單獨(dú)存在，在鑄件表面主要是以“氣渣隔”的形態(tài)存在[4]。氣隔是由于鐵水飛濺、翻浪，卷入的氣體和型芯中未逃逸的氣體形成了密閉氣腔，同時(shí)由于氣泡表面有吸附作用，氧化夾渣往往被吸附。這些帶有夾渣的氣泡無法及時(shí)排出就形成了“氣渣隔”。圖3(b)表明鐵水上升到鑄件上部底座附近時(shí)裹氣現(xiàn)象嚴(yán)重，圖4(b)的溫度場(chǎng)變化顯示此處溫度急劇下降，而且此處鐵水壓力減小，鐵水內(nèi)氣體不能充分排出型腔，所以會(huì)出現(xiàn)“氣渣隔”。

(3)氣孔是金屬凝固過程中未能逸出的氣體留在金屬內(nèi)部形成的小空洞，其內(nèi)壁光滑，內(nèi)含氣體，對(duì)超聲波具有較高的反射率。

從圖3可以看出，從澆注初期一直到金屬液上升到頂部氣缸體底座部位的整個(gè)充型過程中，一直伴隨著卷氣現(xiàn)象。而且圖4顯示的溫度急劇降低也是造成排氣不良的原因之一。另外砂芯和砂型表面布置著大量冷鐵，冷鐵極易將氣體阻擋并吸附，尤其在冷鐵表面有銹蝕的條件下，所以在冷鐵與毛坯接觸部位極易產(chǎn)生氣孔缺陷。

綜上所述，氣缸體鑄件中出現(xiàn)的鐵豆、氣渣隔、嗆孔等缺陷基本都與充型過程中金屬液飛濺、裹氣，氣體無法順暢排出型腔外以及溫度場(chǎng)不均衡，頂部溫度急劇下降有很大關(guān)系。

4 改進(jìn)措施

鑒于上述原因，可以從盡量平衡溫度場(chǎng)和降低金屬液飛濺裹氣趨勢(shì)著手來改進(jìn)工藝。

(1)改進(jìn)澆注系統(tǒng)，由單側(cè)改為雙側(cè)引進(jìn)鐵水，增大橫澆道和內(nèi)澆道橫截面積，從而由封閉式改為開放式澆注系統(tǒng)，確保金屬液充型平穩(wěn)，減小飛濺傾向。雙側(cè)澆注還可以平衡氣缸體兩側(cè)的溫度場(chǎng)。

(2)澆注溫度從1330～1340℃調(diào)整到1360～1370℃。提高澆注溫度，降低金屬液粘度，有利于型腔內(nèi)氣體和夾渣的順暢排出。另外，提高澆注溫度后，即使因飛濺形成金屬珠，亦能將它重新熔合，避免形成鐵豆[3]。

(3)改進(jìn)拔塞裝置，由導(dǎo)鏈?zhǔn)礁臑閴簵U式拔塞方式(見圖5)，塞柱頭可以充分利用自重確保和塞頭座之間緊密配合，確保在金屬液的沖擊下，塞頭不會(huì)晃動(dòng)產(chǎn)生間隙，防止金屬液提前進(jìn)入型腔。

(4)完善拔塞方式，采用“先拔+后拔”方式。澆注初期先拔掉2根塞頭，澆注100 s后再拔掉第3根塞頭，從而控制流速來降低金屬液飛濺裹氣傾向。

圖5 改進(jìn)拔塞裝置

圖6 改進(jìn)冷鐵位置

(5)改進(jìn)冷鐵工藝，盡量避免冷鐵處于金屬液上方，阻擋排氣通道。改進(jìn)冷鐵位置示意圖如圖6所示。取消砂芯中的27#、18#冷鐵，造型時(shí)在下型板相應(yīng)位置放置30#、31#隨形冷鐵。保證相同激冷效果的同時(shí)，更加有利于冷鐵上部氣體的排出。

5 結(jié)論

按照改進(jìn)后工藝重新組織生產(chǎn)20臺(tái)氣缸體，鑄件表面質(zhì)量改善顯著，沒有發(fā)現(xiàn)類似鐵豆、氣隔、氣孔等缺陷，加工后通過了超聲檢測(cè)和磁粉檢測(cè)，滿足了質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)的各項(xiàng)要求。

很多鑄造缺陷都與氣體有關(guān)，所以在工藝設(shè)計(jì)階段要充分考慮排氣問題。同時(shí)嚴(yán)格管控現(xiàn)場(chǎng)操作，盡量避免形成外來氣體。

[1] 陳國(guó)楨，肖柯則，姜不居. 鑄件缺陷和對(duì)策手冊(cè)[M]. 北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1996.

[2] 楊恒遠(yuǎn)，李永剛，劉繼波，等. 大功率柴油機(jī)球鐵機(jī)體工藝優(yōu)化[J]. 中國(guó)鑄造裝備與技術(shù)，2016(5)：42-44.

[3] 荊留生，鄧曉金. 鑄鐵件冷豆缺陷的形成和防止[J]. 軌道交通裝備與技術(shù)，2003(2)：18-19.

[4] 陳小華，查明暉，封雪平，等. 樹脂砂鑄造“氣渣隔”缺陷的形成機(jī)理及防止[J]. 中國(guó)鑄造裝備與技術(shù)，2013(5)：39-41.

編輯 杜青泉

Analysis and Countermeasure of Casting Defects of Nodular Iron Cylinder Block

Bi Haixiang，Yang Hengyuan，Geng Jianhua，Li Yonggang，Wang Jia

A kind of large nodular iron cylinder block was found the casting defects such as splashings, gas dross lap and gas hole etc. in preproduction process. The defects are closely related with the liquid metal splash, the air entrapment in the filling process, uneven temperature field and the sharp drop in temperature at the upper casting. By introducing the process improvement measures such as improving the pouring system, adjusting the position of cold iron and increasing the pouring temperature, the casting defects mentioned above were ultimately eliminated and the quality of casting has been improved remarkably.

nodular cast iron cylinder block,defect, process improvement

2017—02—20

畢海香(1981—)，女，工程師，碩士，主要從事鑄鐵件鑄造工藝開發(fā)工作。

TG245

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