(石家莊金剛內(nèi)燃機(jī)零部件集團(tuán)有限公司)
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(chǎn)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(chǎn)生在鑄造過程中的不同階段。這些缺陷的存在會(huì)導(dǎo)致成品率低,生產(chǎn)成本高;如果缺陷不能發(fā)現(xiàn),會(huì)在使用中產(chǎn)生惡性失效,甚至導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)不可修復(fù)的損壞。所以,研究這些缺陷的形成機(jī)理和控制措施具有重要的意義。
本文將針對(duì)不同的缺陷模式的產(chǎn)生原因以及消除措施方面進(jìn)行相關(guān)的論述。
缸套生產(chǎn)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(qiáng)調(diào)要具備均勻無方向性分布的片狀石墨;其對(duì)金屬基體的割裂作用較小、機(jī)械強(qiáng)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(chǎn)品中希望得到的。實(shí)際生產(chǎn)過程中,由于諸多因素的影響,會(huì)形成各種其他有害的石墨形態(tài) (B、C、D、E、F型)。要求不嚴(yán)格的產(chǎn)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(jī)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(qiáng)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(jìn)石墨化。
如果孕育劑加入量不足,生成的結(jié)晶核數(shù)量太少,會(huì)造成石墨在少量的結(jié)晶核反復(fù)聚集長大而形成其它石墨類型,如D、E和B型。同時(shí),如果鐵水中的氧、硫含量過低,也同樣會(huì)造成結(jié)晶核太少。所以說,結(jié)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(chǎn)中,要注意進(jìn)行雙向控制。
如果孕育劑加入量過大,形成碳硅當(dāng)量過高;同時(shí),氧、硫量也充足時(shí),形成的結(jié)晶核過于密集,有些結(jié)晶核之間會(huì)自連成片或團(tuán)狀,反而會(huì)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(huì)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(shí)間不足時(shí),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(tuán)塊成為結(jié)晶核,從而再次形成C型石墨。所以,當(dāng)發(fā)生C型石墨形態(tài)時(shí),有必要對(duì)原材料進(jìn)行金相檢驗(yàn)。
過冷度對(duì)A型石墨長度和數(shù)量都是有影響的,過冷度大會(huì)造成石墨長度的減小和石墨析出不足。同時(shí),未及時(shí)析出的石墨也容易形成白口鑄鐵。所以,對(duì)模溫的控制也不可忽視,適當(dāng)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(shí)間過長等也都會(huì)對(duì)石墨形態(tài)產(chǎn)生影響。因此,需要綜合考慮,針對(duì)缺陷表現(xiàn)對(duì)工藝過程和工裝溫度狀態(tài)進(jìn)行參數(shù)控制。
材料方面的原因。當(dāng)孕育劑加入不足,鐵水中的碳硅當(dāng)量過低時(shí),冷速會(huì)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(shí),已經(jīng)進(jìn)入低溫區(qū),形成FeC,從而導(dǎo)致料硬的產(chǎn)生。所以,要嚴(yán)格控制孕育劑的加入量。
孕育劑粒度的影響。粒度過大時(shí),在鐵水中溶解的速度變慢,結(jié)晶核形成過少,石墨化進(jìn)程變慢,導(dǎo)致石墨無法充分析出,從而在冷卻后期形成過多的FeC,產(chǎn)生料硬。粒度過小時(shí),要防止與空氣的接觸;細(xì)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(huì)形成結(jié)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(tuán)聚后,還會(huì)形成硬質(zhì)核性料硬。所以,要對(duì)孕育劑的粒度進(jìn)行篩選,選定適合自己企業(yè)生產(chǎn)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(shí),進(jìn)入凝固后期,形成過多的FeC,產(chǎn)生料硬。這一方面要減少兩次澆鑄過程之間的時(shí)間間隔,控制冷卻放水時(shí)間來對(duì)控制模具的溫度進(jìn)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(duì)涂料的形成厚度進(jìn)行適量調(diào)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(jìn)行滾花處理,以增強(qiáng)小頭的涂料厚度又不影響出模。
氣孔主要有兩類,一類是篩狀氣孔,在產(chǎn)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(chǎn)生。離心鑄造還與順序凝固的控制有很大的關(guān)系。
鐵液中有溶解的氫、氧、氮等氣體,其中的部分氧會(huì)與鐵液中的硅發(fā)生反應(yīng),形成結(jié)晶核。其余的氧、氫和氮會(huì)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(guān)系。當(dāng)鐵液溫度較低時(shí),析出的氣體不能及時(shí)排出鑄件,就會(huì)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(jī)質(zhì)在鑄造過程中的分解也會(huì)產(chǎn)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(dāng)鐵液已經(jīng)粘稠時(shí),這些氣體不能及時(shí)浮出,也會(huì)滯留鐵液中,一起凝固。從而形成篩狀氣孔。針對(duì)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(dǎo)致鑄件這部分氣體滯留在基體內(nèi)形成氣孔。第三,涂料必須使用經(jīng)過高溫?zé)坪蟮氖炝?,提前把有機(jī)質(zhì)分解,減少或避免在鑄造過程中出現(xiàn)分解發(fā)氣。同時(shí),在運(yùn)輸和貯存過程中,要避免有機(jī)質(zhì)的再次混入性污染。
皮下氣孔主要與順序凝固關(guān)系密切。離心鑄造中,凝固主要會(huì)從兩方面展開,一是外圓 (也就是模具部位)向零件內(nèi)部凝固,二是內(nèi)孔向零件內(nèi)部凝固,最后形成的補(bǔ)縮帶在接近內(nèi)孔的地方。外圓與模具接觸,內(nèi)孔與空氣接觸,澆鑄后,外圓和內(nèi)孔開始同時(shí)冷卻。外圓由于模具導(dǎo)熱快,冷卻速度和凝固速度也快;內(nèi)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(shí),由于氣和渣相對(duì)于鐵液密度小很多,在離心力作用下,氣和渣只能向內(nèi)孔表面移動(dòng)。較晚出現(xiàn)的氣和渣,由于內(nèi)孔表面的凝固,氣體和渣物無法穿過凝固區(qū)到達(dá)內(nèi)孔表面,從而形成內(nèi)孔表面下的渣孔區(qū)。我們希望的是,補(bǔ)縮帶縮松、氣孔和各類渣物越接近內(nèi)孔表面越好。
如果外圓凝固的速度太慢,會(huì)使補(bǔ)縮帶、氣孔和渣物帶向內(nèi)部移動(dòng),導(dǎo)致機(jī)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(bǔ)縮帶和孔渣帶向內(nèi)孔表面偏移。
如果鐵液溫度過低,會(huì)降低與周圍傳導(dǎo)物質(zhì)的溫度差,帶來的影響是改變了原來的外圓和內(nèi)孔凝固速度。外圓凝固速度下降的比例要大于內(nèi)孔凝固速度的下降比例,這樣,也會(huì)導(dǎo)致補(bǔ)縮帶和孔渣帶基體內(nèi)部移動(dòng)。同樣也會(huì)導(dǎo)致皮下 氣孔的產(chǎn)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。
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(zhì)量和在模具上的附著情況都會(huì)對(duì)石墨形態(tài)、小頭料硬、以及氣孔產(chǎn)生重要的影響。不同廠家的設(shè)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(shí)際情況實(shí)驗(yàn)性地對(duì)以上各種參數(shù)進(jìn)行確定,以便形成穩(wěn)定而有效的工藝操作指導(dǎo)方案。
〔1〕子澍《灰鑄鐵中石墨形態(tài)分級(jí)及其特點(diǎn)》,北京工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)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(zhì)量改進(jìn)》,一拖鑄造有限公司。