(石家莊金剛內燃機零部件集團有限公司)

1 概述

缸套離心鑄造是目前大型企業(yè)普遍采用的主要毛壞成型方式。這種成型方式與砂型相比，有效提高了產品基體的致密程度，基體性能得到較大幅度提高。這種成型方式比砂型成型的缺陷種類要少許多，但是也存在一些缺陷。

主要的鑄造過程缺陷有:石墨形態(tài)異常、小頭料硬和氣孔等。這些缺陷產生在鑄造過程中的不同階段。這些缺陷的存在會導致成品率低，生產成本高;如果缺陷不能發(fā)現(xiàn)，會在使用中產生惡性失效，甚至導致發(fā)動機不可修復的損壞。所以，研究這些缺陷的形成機理和控制措施具有重要的意義。

本文將針對不同的缺陷模式的產生原因以及消除措施方面進行相關的論述。

2 石墨形態(tài)異常的產生原因與控制

缸套生產所用的灰鑄鐵，其金相組織主要為片狀石墨、金屬基體和晶間共晶物。性能優(yōu)良的缸套鑄鐵材料特別強調要具備均勻無方向性分布的片狀石墨;其對金屬基體的割裂作用較小、機械強度高;就是通常所說的六種石墨形態(tài)中的A型石墨。這是我們在產品中希望得到的。實際生產過程中，由于諸多因素的影響，會形成各種其他有害的石墨形態(tài) (B、C、D、E、F型)。要求不嚴格的產品，除了D、E允許少量存在外，其它類型一般不允許在缸套中存在。

為了得到理想的A型石墨并控制其長度，需要加入適量的孕育劑。孕育劑的種類比較多，目前常用的孕育劑是硅鋇。其主要作用機理是，孕育劑中的硅、鋇等活潑的堿金屬與鐵水中的氧、硫有很強的親和力，形成氧化物和硫化物，它們的晶格類型、晶格常數(shù)與石墨相類似，可以作為石墨形核的基底，促進石墨化。

如果孕育劑加入量不足，生成的結晶核數(shù)量太少，會造成石墨在少量的結晶核反復聚集長大而形成其它石墨類型，如D、E和B型。同時，如果鐵水中的氧、硫含量過低，也同樣會造成結晶核太少。所以說，結晶核的形成，不但依賴于孕育劑的量，也依賴于鐵水中的氧、硫含量。生產中，要注意進行雙向控制。

如果孕育劑加入量過大，形成碳硅當量過高;同時，氧、硫量也充足時，形成的結晶核過于密集，有些結晶核之間會自連成片或團狀，反而會造成A型石墨的粗大和分布不均勻?？赡苄纬蒀型石墨和F型石墨。這些狀態(tài)的出現(xiàn)都會使得材料性能下降。

C型石墨也要防止原材料的遺傳性帶入。這種帶入，主要是使用的原材料本身存在C型石墨。在鐵水溫度和保溫時間不足時，C型石墨沒有完全消融;鑄造凝固過程中，沒有消融的石墨小團塊成為結晶核，從而再次形成C型石墨。所以，當發(fā)生C型石墨形態(tài)時，有必要對原材料進行金相檢驗。

過冷度對A型石墨長度和數(shù)量都是有影響的，過冷度大會造成石墨長度的減小和石墨析出不足。同時，未及時析出的石墨也容易形成白口鑄鐵。所以，對模溫的控制也不可忽視，適當提高模具的溫度可使這一狀況得到改良。

以上是主要方面。另外，孕育劑的粒度、鉛等微量元素的存在、澆鑄過程中高溫保持時間過長等也都會對石墨形態(tài)產生影響。因此，需要綜合考慮，針對缺陷表現(xiàn)對工藝過程和工裝溫度狀態(tài)進行參數(shù)控制。

3 小頭料硬的產生原因與控制

材料方面的原因。當孕育劑加入不足，鐵水中的碳硅當量過低時，冷速會明顯加快。反映到冷卻曲線上，加大了曲線的陡度。這樣一來，石墨化還沒有充分到位時，已經進入低溫區(qū)，形成FeC，從而導致料硬的產生。所以，要嚴格控制孕育劑的加入量。

孕育劑粒度的影響。粒度過大時，在鐵水中溶解的速度變慢，結晶核形成過少，石墨化進程變慢，導致石墨無法充分析出，從而在冷卻后期形成過多的FeC，產生料硬。粒度過小時，要防止與空氣的接觸;細小的孕育劑與空氣接觸面積增大，加快了孕育劑氧化速度，形成塊狀氧化物，這一方面會形成結晶核數(shù)量減少，出現(xiàn)FeC性的料硬，另一方面這些氧化物團聚后，還會形成硬質核性料硬。所以，要對孕育劑的粒度進行篩選，選定適合自己企業(yè)生產工藝過程的孕育劑粒度。

冷卻速度方面的原因。冷速過快，石墨化還不充分時，進入凝固后期，形成過多的FeC，產生料硬。這一方面要減少兩次澆鑄過程之間的時間間隔，控制冷卻放水時間來對控制模具的溫度進行控制，減少溫度梯度，避免形成大的過冷度。另一方面，要根據(jù)氣候變化對涂料的形成厚度進行適量調整。在拔模度過大的模具上，防止小頭涂料不足或厚度不足，可以車出螺旋紋或者進行滾花處理，以增強小頭的涂料厚度又不影響出模。

4 氣孔的形成與控制

氣孔主要有兩類，一類是篩狀氣孔，在產品基體中均勻分布，一般不大于0.5毫米;另一類是皮下氣孔，主要存在于零件表皮下，一般大于2毫米。氣孔形成主要來源鑄造過程中鐵液中氣體的析出和涂料中氣體的產生。離心鑄造還與順序凝固的控制有很大的關系。

鐵液中有溶解的氫、氧、氮等氣體，其中的部分氧會與鐵液中的硅發(fā)生反應，形成結晶核。其余的氧、氫和氮會在鐵液凝固過程中析出，其析出速度與鐵液溫度有很大的關系。當鐵液溫度較低時，析出的氣體不能及時排出鑄件，就會滯留在鑄件中，形成篩狀氣孔。另外，所用的涂料中的殘余水份和有機質在鑄造過程中的分解也會產生氣體，這些氣體也要通過鐵液而浮出鑄件。如果發(fā)氣過程較久，當鐵液已經粘稠時，這些氣體不能及時浮出，也會滯留鐵液中，一起凝固。從而形成篩狀氣孔。針對以上情況，以下因素要得到有效控制。首先，鐵液溫度必須足夠高，以保證氣體在鑄件凝固前能全部析出或溢出。其次，模具溫度要足夠，否則與模具接觸部分快速凝固，導致鑄件這部分氣體滯留在基體內形成氣孔。第三，涂料必須使用經過高溫燒制后的熟料，提前把有機質分解，減少或避免在鑄造過程中出現(xiàn)分解發(fā)氣。同時，在運輸和貯存過程中，要避免有機質的再次混入性污染。

皮下氣孔主要與順序凝固關系密切。離心鑄造中，凝固主要會從兩方面展開，一是外圓 (也就是模具部位)向零件內部凝固，二是內孔向零件內部凝固，最后形成的補縮帶在接近內孔的地方。外圓與模具接觸，內孔與空氣接觸，澆鑄后，外圓和內孔開始同時冷卻。外圓由于模具導熱快，冷卻速度和凝固速度也快;內孔與空氣接觸，冷卻的速度比較慢，凝固速度也比外圓慢。同時，由于氣和渣相對于鐵液密度小很多，在離心力作用下，氣和渣只能向內孔表面移動。較晚出現(xiàn)的氣和渣，由于內孔表面的凝固，氣體和渣物無法穿過凝固區(qū)到達內孔表面，從而形成內孔表面下的渣孔區(qū)。我們希望的是，補縮帶縮松、氣孔和各類渣物越接近內孔表面越好。

如果外圓凝固的速度太慢，會使補縮帶、氣孔和渣物帶向內部移動，導致機加工后表現(xiàn)為皮下氣孔。這種情況就需要采取放水來加快模具的冷卻速度，迫使補縮帶和孔渣帶向內孔表面偏移。

如果鐵液溫度過低，會降低與周圍傳導物質的溫度差，帶來的影響是改變了原來的外圓和內孔凝固速度。外圓凝固速度下降的比例要大于內孔凝固速度的下降比例，這樣，也會導致補縮帶和孔渣帶基體內部移動。同樣也會導致皮下 氣孔的產生。所以，保持足夠的澆鑄溫度，也是消除皮下氣孔的有效措施。

5 結論

鐵水的溫度、孕育劑的加入量以及顆粒度、模具溫度控制、涂料的質量和在模具上的附著情況都會對石墨形態(tài)、小頭料硬、以及氣孔產生重要的影響。不同廠家的設備、工裝都存在差異，不可照搬其它廠家的工藝參數(shù)，但是，原理性的東西還是相同的，要根據(jù)自己的實際情況實驗性地對以上各種參數(shù)進行確定，以便形成穩(wěn)定而有效的工藝操作指導方案。

〔1〕子澍《灰鑄鐵中石墨形態(tài)分級及其特點》，北京工業(yè)大學材料科學與工程學院。

〔2〕楊永錄張緒國宋巖李朝峰牟軍《灰鑄鐵組織中不良石墨形態(tài)的金相分析及質量改進》，一拖鑄造有限公司。