V 型機體鑄件裂紋缺陷分析解決

陳國清，臧加倫，齊 建，杜紀柱，王 超，任懷喜，劉慶義1，

（1.內燃機可靠性國家重點實驗室，山東濰坊 261061；2.濰柴動力股份有限公司，山東濰坊 261061）

1 產品介紹

本公司新開發(fā)一種V 型12 缸高速柴油機機體，鑄件重量近1000kg，長約1500mm，基礎壁厚8mm，本體抗拉強度≥250MPa。鑄件結構復雜，共由10 種26 顆砂芯組成，如圖1 所示。

圖1 V 型機體鑄件三維模型

鑄造工藝采用堿酚醛樹脂自硬砂造型、冷芯盒制芯機制芯、中頻電爐熔煉，澆注溫度控制在1390～1410℃，埋箱18h 后進行去應力退火熱處理。首輪樣件試生產驗證后，出現(xiàn)7 臺機體毛坯因為裂紋缺陷報廢，造成較大的經濟損失。觀察裂紋宏觀表現(xiàn)，主要分布在兩缸之間的串水孔底部圓角位置（如圖2）。裂紋從圓角處產生，沿缸孔中心方向向下延伸，外形曲折，長度5mm 到100mm 不等，裂紋內壁呈黑的氧化色，表面不光滑（如圖3所示），屬于典型的熱裂紋[1]。

圖2 裂紋位置示意圖

圖3 裂紋形態(tài)示意圖

熱裂紋常產生在鑄件截面厚度有突變或局部凝固慢的熱節(jié)部位，產生的原因主要有：鑄件結構不合理、打箱過早冷卻不足、澆冒口系統(tǒng)不合理、型芯退讓性差、合金線收縮率大、低熔點合金元素超標等[2]。

V 型缸體結構復雜，生產周期長，裂紋缺陷直接導致機體報廢。分析裂紋成形原因，解決裂紋缺陷成為當前首要任務。本文結合生產實際情況，重點從產品結構和冷卻時間方面對機體裂紋缺陷進行分析討論。

2 缺陷分析

2.1 凝固理論分析

熱裂紋是鑄件在凝固末期或終凝后不久，鑄件尚處于強度和塑形很低的狀態(tài)時，因凝固收縮受阻而引起內應力大于結構強度導致的。熱裂紋形成機制主要有液膜理論和強度理論。

（1）液膜理論是指鑄件冷卻到固相線附近時，晶粒的周圍還有少量未凝固的液體、構成液膜。鑄件收縮受阻時，變形主要集中在液膜上，變形達到某一臨界值時，液膜開裂形成晶間裂紋。

（2）強度理論是指鑄件在凝固期間，因砂型、砂芯、澆注系統(tǒng)和冒口等阻礙而不能自由收縮時，在鑄件內產生的應力或應變超過金屬在該溫度下的斷裂強度或斷裂應變，隨即產生裂紋。

對于整個機體而言中間位置熱量散失速度較兩端慢，凝固相對滯后，熱裂傾向更大。如表1 所示，樣件試生產的機體裂紋出現(xiàn)在機體中間位置2-3 缸、3-4 缸、4-5 缸的頻次均為24.3%，約為兩端1-2 缸和5-6 缸出現(xiàn)頻次的2 倍。缺陷位置與鑄件凝固的順序一致。

2.2 產品結構分析

該V 型機體兩缸之間隔板壁厚8mm，與兩側相對厚大結構，共同形成“啞鈴狀”壁厚差，如圖4所示。

圖4 機體局部結構圖

挺桿側的厚大部位收縮產生的拉應力分散到四個方向，而水道側厚大部位收縮產生的拉應力比較單一，集中在大缸之間薄壁上，使得兩端拉應力不平衡，更傾向于水道一側。凝固過程中先在薄壁區(qū)域生成一次枝晶（特別發(fā)達的柱狀晶）。柱狀晶晶界很脆弱，受到后凝固的兩側厚大部位的拉應力，當拉應力不能得到及時釋放，表層的柱狀晶層開始斷裂，形成熱裂紋源[3]。串水孔下端的圓角為R8mm，圓角過小不利于應力分散，成為裂紋源，在兩側凝固時產生的體積收縮拉應力的作用下，裂紋進一步擴大，沿晶界迅速延伸。

2.3 鑄造工藝分析

鑄件在砂型內的冷卻時間與鑄件的材質、重量、壁厚和結構等因素有關，而冷卻時間短鑄件容易產生變形、裂紋等缺陷[4]，為驗證冷卻時間對裂紋的影響，最后兩臺鑄件延長埋箱時間至24h。試驗表明冷卻時間為18h 的鑄件裂紋很明顯，延伸長度達到50mm，如圖5a 所示；冷卻時間為24h 的鑄件裂紋很微小，如圖5b 所示?？梢钥闯?8h 時鑄件還未得到充分冷卻，開箱后鑄件冷卻速度加快，裂紋傾向加劇。冷卻24h 后鑄件緩慢平穩(wěn)冷卻，裂紋傾向減小。

圖5 不同時間下裂紋形態(tài)圖

2.4 計算機模擬分析

結合凝固原理，對產品結構和鑄造工藝進行了分析，基本可以確定產生裂紋缺陷的原因。但鑄件裂紋產生的時間和最佳的冷卻時間都沒有確定，為此進行了一次計算機模擬分析，同時驗證澆注系統(tǒng)的合理性，判定其他潛在的鑄造缺陷。

從模擬過程可以確定：（1）澆注系統(tǒng)設計合理，鑄件能夠平穩(wěn)充型。（2）鑄件冷卻到900℃左右，鑄件整體應力降至220MPa，大缸串水孔應力值仍在330 MPa，遠超過鑄件屈服強度。此時距離澆注時間為14.67h，也就是說裂紋產生在打箱之前，再次說明了熱裂紋缺陷。計算機模擬結果如圖6 所示。

圖6 計算機模擬示意圖

綜合產品結構分析、鑄造工藝分析和計算機模擬分析，可以確定該V 型氣缸體鑄件裂紋的主要形成原因是產品結構不合理，另外冷卻時間不小于24h。通過修改鑄造工藝，延長冷卻時間和熱處理時間可以減小裂紋擴展，但不能徹底解決裂紋缺陷。

3 解決措施

3.1 產品結構改進

分析產品結構，兩缸之間截面為中間薄壁區(qū)域與兩側厚大部位形成啞鈴狀結構，為避免產生裂紋以及抑制裂紋延伸方向，需要盡可能減小鑄件相鄰位置厚度差，改進措施包括：（1）將大缸之間的壁厚由8mm 增大為10mm，減小鑄件相鄰位置厚度差，以此加強該處強度。（2）將串水孔圓角有R8 加大到R15，有效地分散兩側厚大部位產生的拉應力。（3）兩側沿串水孔周邊增加寬10mm 高5mm 的加強筋，以此改變串水孔位置的凝固順序，阻礙裂紋延伸。具體修改效果如圖7 所示。

圖7 產品結構修改效果圖

3.2 工藝優(yōu)化

自硬砂退讓性差、散熱性差，澆注后鑄型冷卻緩慢，內應力釋放時間長。通過對比分析不同埋箱時間下鑄件裂紋缺陷的嚴重程度，確認目前工藝的埋箱時間太短，結合生產節(jié)拍，延長埋箱時間至36h。為充分釋放機體鑄件殘余應力，制定如圖8所示的熱處理工藝參數(shù)，進行應力退火熱處理。

圖8 熱處理工藝參數(shù)

3.3 工藝裝備改進及效果驗證

根據(jù)產品結構修改方案，對大缸芯冷芯盒進行了修改，大缸缸壁加厚1mm，修改大缸串水孔圓角，沿串水孔增加高5mm、寬10mm 的加強筋。綜合以上改進，組織一輪樣件試生產驗證，順利完成4 臺樣件試生產，4 臺樣件毛坯全部合格，徹底解決了大缸串水孔裂紋缺陷。

4 結論

（1）產品結構不合理是裂紋缺陷產生的最主要的影響因素。鑄造產品設計中應避免“啞鈴狀”的結構出現(xiàn)，將大缸之間的壁厚由8mm 增大為10mm，使得鑄件壁厚均勻過渡；串水孔圓角由R8加大到R15，可有效分散應力。

（2）根據(jù)產品大小和結構復雜程度優(yōu)化工藝參數(shù)，將埋箱時間由18h 增加到36h，制定合理的熱處理工藝，充分釋放鑄件殘余應力。徹底解決了大缸串水孔裂紋缺陷。