氣缸體鑄件裂隙狀氣孔產(chǎn)生原因及對策

姜建光，厲運杰，孫志揚，王傳偉，鮑俊敏，王新慧，張其昌，張 杰

（濰柴（濰坊）材料成型制造中心有限公司，山東 濰坊 261199）

氣缸體是高速柴油機中結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜、機械性能要求很高的鑄件，對鑄造工藝的要求比較高。本文對灰鑄鐵氣缸體鑄件在生產(chǎn)過程中的裂隙狀氣孔缺陷的特征及產(chǎn)生原因進行了分析，并結(jié)合實際生產(chǎn)探尋了改進措施，為后續(xù)高牌號灰鑄鐵氣缸體裂隙狀缺陷的預(yù)防與解決提供借鑒。

1 裂隙狀缺陷的特征

本文介紹的是一種灰鑄鐵氣缸體鑄件產(chǎn)生的缺陷，其鑄件尺寸為915 mm×617 mm×497 mm，造型線采用氣流預(yù)緊實加壓實造型，全部采用冷芯盒樹脂砂制芯工藝，砂芯重280 kg，砂芯表面浸涂水基涂料，熔煉采用沖天爐—感應(yīng)電爐雙聯(lián)熔煉組合工藝，澆注系統(tǒng)采用底注與中注相結(jié)合的工藝。

裂隙狀缺陷產(chǎn)生在氣缸體鑄件油道部位，位于鑄件的上箱，鑄件加工后才能發(fā)現(xiàn)，不合格率高，嚴(yán)重影響了鑄件質(zhì)量。此缺陷為孔洞類缺陷，呈裂隙狀，局部疏松，垂直于鑄件表面，且出現(xiàn)在離鑄件表面3 mm～10 mm 處，與縮松、縮孔缺陷特征極其相似，如圖1 所示。筆者起初也認為是縮松缺陷，通過采用增大氣眼針冒口提高補縮效果，但結(jié)果不理想。

圖1 裂隙狀氮氣孔缺陷

為進一步確定缺陷的類型與形成原因，對缺陷區(qū)域進行了電鏡掃描，如圖2 所示。通過掃描結(jié)果可見，無明顯的樹狀晶，缺陷表面有一層碳膜，而通?？s孔的掃描形態(tài)如圖3 所示，其電鏡掃描形態(tài)區(qū)別于縮松缺陷?；诣T鐵氮氣孔通常為裂隙狀，區(qū)別于滴水狀、橢圓狀等常見的縮松缺陷形態(tài)，常見于高牌號灰鑄鐵鑄件的邊角和厚大部位[1]。結(jié)合掃描形態(tài)及宏觀特征分析結(jié)果，認為此缺陷為裂隙狀氮氣孔。

圖2 裂隙狀氮氣孔缺陷掃描

圖3 常見縮松缺陷掃描狀態(tài)

2 缺陷產(chǎn)生機理

氮氣在灰鑄鐵的鐵液中的溶解度為150 ppm，一般不會出現(xiàn)裂隙狀氮氣孔缺陷。而氮的化合物在高溫作用下會分解出游離的氮原子，會大量溶于鐵液，溶解度會隨鐵液溫度升高而增大。當(dāng)鐵液冷卻凝固時，溫度的降低使得鐵液中氮的溶解度減小，在鐵液凝固時氮原子結(jié)合并以氮氣泡的形式析出，當(dāng)?shù)獨馕龀龅膲毫Υ笥跉馀萃鈮毫r，析出初期會向外逃逸，在凝固后期，枝晶的隔離作用導(dǎo)致氮氣無法排出從而形成裂隙狀氮氣孔。在鑄件冷卻凝固過程中只有氮氣析出的分壓力大于氣泡外壓力時，氮才會從液體中析出形成氣泡，當(dāng)來不及排出型腔時最終形成氮氣孔[2]。而在鑄件生產(chǎn)過程中，氮原子的來源比較廣泛，如砂芯中的樹脂遇高溫鐵水會分解出氮原子、以及沖天爐熔煉的原材料廢鋼也是氮的主要來源。

3 改進措施

基于裂隙狀氮氣孔產(chǎn)生的機理，氮氣孔是由于氮原子在鐵液中的含量超過溶解度，且氮氣析出的壓力大于氣泡外壓力造成，因此考慮從減少氮來源、阻止氮氣泡長大兩個方面進行改進。

3.1 熔煉工藝的影響

本鑄件在兩個不同車間生產(chǎn)，不同車間此缺陷的不合格率相差較大，A 車間采用沖天爐熔煉，B車間采用電爐熔煉，其中A 車間生產(chǎn)鑄件氮氣孔的概率明顯高于B 車間生產(chǎn)鑄件，對兩種熔煉方式鐵水的氮含量采用氮氧分析儀每天取樣進行對比，沖天爐熔煉鐵水氮含量較電爐熔煉高，如圖4 所示。因此也驗證了此缺陷與氮含量高有關(guān)，通過分析主要是兩種熔煉方式的廢鋼含氮量不同造成。而且高牌號灰鑄鐵因廢鋼加入比例要高于普通灰鐵，所以更易產(chǎn)生裂隙狀氮氣孔。

圖4 沖天爐熔煉與電爐熔煉鐵水氮含量對比（ppm）

灰鑄鐵中適量的N 可以改善石墨形態(tài)，促進基體的珠光體化，因而能提高抗拉強度。但是灰鑄鐵中N 含量過高則會引起氮氣孔缺陷。因此生產(chǎn)過程中要對鐵水氮含量進行監(jiān)控，如圖5 所示。當(dāng)?shù)砍^100 ppm 時，產(chǎn)生氮氣孔傾向增加，及時調(diào)整廢鋼加入量，將鐵水氮含量控制在100 ppm 以下。

圖5 鐵水氮含量監(jiān)控圖

孕育劑能夠促進石墨化，減少白口傾向，改善石墨形態(tài)和分布狀況，增加共晶團數(shù)量細化基體組織。理論上，使用含鋯的硅鋯孕育劑，金屬Zr 與N在1 100 ℃～1 200 ℃的溫度下進行直接氮化，形成穩(wěn)定的化合物ZrN，降低鐵液中游離N 的含量。分別在兩個車間同條件下驗證使用硅鋯孕育劑，與正常工藝對比發(fā)現(xiàn)對于裂隙狀氣孔影響不明顯，不合格率變化不大，如表1 所示。

表1 孕育劑驗證

3.2 樹脂加入量的影響

本文所述氣缸體采用潮模砂、冷芯工藝。砂芯主要用于形成氣缸體的內(nèi)孔、腔，砂芯重達235 kg.樹脂是砂芯的主要黏結(jié)劑，在砂芯中的質(zhì)量占比達1%以上，樹脂中的聚異氰酸酯等合成樹脂的基本化合物為NCO，N 原子與C 原子的結(jié)合力差，在鐵液澆注時，受高溫分解形成分子態(tài)的氮，當(dāng)在鐵液中過飽和時，會形成以N2或H2為核心的氣孔。圖6 為驗證砂芯不同樹脂加入量與缺陷的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)裂隙狀氣孔出現(xiàn)數(shù)量隨著樹脂加入量的增高有明顯的上升趨勢，如圖6 所示。

圖6 砂芯不同樹脂加入量下鑄件裂隙狀氣孔率

3.3 鑄件結(jié)構(gòu)的影響

壁厚會影響鑄件冷卻速度，薄壁鑄件凝固區(qū)域窄，易產(chǎn)生粗大枝晶，隔離液體形成孤立的液相區(qū)的傾向小，冷卻速度快。氮氣泡來不及聚積長大故不易形成裂隙狀氣孔缺陷，當(dāng)鑄件壁厚較大時鑄件表面冷速較快較易形成枝晶，內(nèi)部冷速較慢，氣泡易于擴散聚積并長大[3]，且逃逸通道被封閉最終形成皮下裂隙狀氣孔缺陷。

采用下芯工藝，減小鑄造熱節(jié)，即在上砂型主油道進油孔處下油道芯。砂芯制造使用鉻礦砂制芯工藝，中部增加冷鐵柱，促進快速冷卻、實現(xiàn)均衡凝固。試驗表明砂芯內(nèi)加冷鐵的工藝對于降低裂隙狀氣孔效果明顯。

通過此措施的實施氣缸體裂隙狀氣孔不合格率降低至0.46%，如圖7 所示。

圖7 改進效果

4 結(jié)論

裂隙狀氣孔在灰鑄鐵中是一種常見缺陷，其產(chǎn)生機理是氮氣飽和度高于溶解度并析出造成，實踐證明采取以下措施可以有效降低此缺陷的產(chǎn)生：

（1）熔煉工藝方面，控制鐵水中氮質(zhì)量分數(shù)在100 ppm 以下，可有效減少裂隙狀氣孔的產(chǎn)生；添加硅鋯孕育劑對此缺陷效果不明顯；

（2）適當(dāng)降低砂芯樹脂含量可減少裂隙狀氣孔的產(chǎn)生，當(dāng)樹脂單組分加入量為0.75%時，效果較好；

（3）通過改進鑄件結(jié)構(gòu)，盡量減少局部厚大部位，減少熱節(jié)傾向，也可以減少裂隙狀氣孔的產(chǎn)生。