盛舉 俞秋景

摘要：揚(yáng)州五亭橋缸套有限公司在生產(chǎn)高鉬高鎳材質(zhì)氣缸套的過程中發(fā)現(xiàn)毛坯中有嚴(yán)重的夾砂。針對此問題，該廠展開調(diào)查研究，采用金相顯微鏡、掃描電鏡、能譜分析等材料研究方法對缺陷部位進(jìn)行了觀察分析。結(jié)果表明，這些夾砂主要由Si，Al，Ba等元素形成的高熔點(diǎn)氧化物組成。結(jié)合現(xiàn)有的生產(chǎn)工藝知，夾砂的形成原因是高鉬高鎳材質(zhì)的鐵水成分偏析比較嚴(yán)重，鐵水澆注溫度偏低，鐵水澆注速度偏慢，毛坯冷卻速度偏慢。根據(jù)分析結(jié)果采取了提高鐵水澆注溫度，加快鐵水澆注速度，加快毛坯冷卻速度這些工藝調(diào)整措施。最終將夾砂造成的鑄廢率從原來的25%左右降到5%以下。

關(guān)鍵詞：高鉬高鎳氣缸套 ?夾砂 ?高熔點(diǎn)氧化物 ?成分偏析 ?澆注溫度

1 概述

在氣缸套的生產(chǎn)中，高鉬高鎳材質(zhì)氣缸套由于合金化程度較高，若工藝控制不當(dāng)，會出現(xiàn)砂孔、夾渣這樣的宏觀缺陷。揚(yáng)州五亭橋缸套有限公司在生產(chǎn)某型高鉬高鎳材質(zhì)氣缸套時(shí)，在毛坯上發(fā)現(xiàn)有夾砂。經(jīng)過長期跟蹤統(tǒng)計(jì)，因?yàn)閵A砂而造成的鑄廢率達(dá)25%左右。為了解決此問題，提升高鉬高鎳材質(zhì)氣缸套的鑄造質(zhì)量，針對該宏觀缺陷，取樣進(jìn)行了調(diào)查分析。

2 實(shí)驗(yàn)方法

隨機(jī)取兩件缺陷氣缸套樣品進(jìn)行表面除污凈化處理。然后觀察夾砂的宏觀形貌。再將其縱切，觀察縱切面上缺陷的宏觀形貌。之后在缺陷部位取樣，用掃描電鏡觀察其微觀形態(tài)，并對缺陷部位進(jìn)行能譜分析。

結(jié)合工藝記錄尋找原因。根據(jù)分析結(jié)果對工藝進(jìn)行改進(jìn)。再對改進(jìn)工藝后的毛坯進(jìn)行觀察，以確認(rèn)工藝改進(jìn)效果。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

（a）1#缸套表面缺陷宏觀形貌;（b）2#缸套表面缺陷宏觀形貌;（c）1#缸套縱向剖面缺陷宏觀形貌;（d）2#缸套縱向剖面缺陷宏觀形貌

圖1 ?缸套缺陷宏觀形貌

圖1所示為缸套缺陷的宏觀形貌。圖1（a，c）分別為1號缸套的表面和縱切面缺陷的宏觀形貌。圖1（b，d）分別為2號缸套表面和縱切面的宏觀形貌。從圖中可見，缺陷呈現(xiàn)比周圍部位顏色更深的黑色，且尺寸約在0.5-1.7mm之間。圖1（a-c）中顯示的缺陷呈圓形顆粒，而圖1 （d）中的缺陷呈條形。

（a）缺陷低倍照片 ? ? ? ? ? ? ? （b） 缺陷高倍照片

圖2 ?缸套表面缺陷微觀形貌

圖2為缸套缺陷的微觀形貌。其中圖2（a）是某處缺陷的低倍大視場照片。從中可見缺陷整體呈現(xiàn)一鑲嵌在基體中的球形。而從圖2（a）可以看出該呈球形的夾雜又由多種形貌各異的部分組成。圖2（b）是該處缺陷的局部高倍照片，從中可見夾雜中有一種呈球形的部分鑲嵌于其它部分之上。不難看出，圖2（b）左下方的凹坑是某一球形夾雜脫落后形成的凹坑，這說明了該球形夾雜易脫落。球形夾雜的尺寸跨度較大，如圖2（b）所示，右上方的小球直徑僅7μm左右，而中間的大球直徑約20μm。

表1是缸套外表面缺陷的微區(qū)化學(xué)成分。從中可見缺陷部位除個(gè)別情況外都具有很高C、O、Si、Ba含量，這些元素在缺陷中的含量遠(yuǎn)遠(yuǎn)高出在其鑄鐵基體中的含量。另外缺陷部位還有少量的P，S，K，Na，Ca，Ti，Mn等元素。

4 夾砂原因分析

圖1和圖2顯示的缺陷區(qū)域的渣狀和球狀物質(zhì)表明這些缺陷不是在加工過程中形成的，而是屬于在鑄造過程中形成的夾雜物。而從表1顯示的微區(qū)化學(xué)成分結(jié)果，再結(jié)合圖1和圖2顯示的形貌可以判斷這些缺陷屬于氧化鋇、氧化鋁和二氧化硅構(gòu)成的復(fù)合夾雜物。結(jié)合缸套從冶煉到澆鑄的整個(gè)離心鑄造過程可以推斷其外層夾砂缺陷形成的原因如下。

高鉬高鎳材質(zhì)的缸套合金化程度高，相對于普通材質(zhì)的缸套，鐵水中合金元素和雜質(zhì)元素的偏析傾向更大。由于氧化物的熔點(diǎn)普遍較高，在成分偏析嚴(yán)重的情況下，氧化物易于在溫度尚較高時(shí)就先期達(dá)到臨界狀態(tài)而析出，在鐵水中形成固體夾雜物。澆注鋼包里的鐵水傾倒時(shí)間在10-15秒之間，高熔點(diǎn)氧化物即是在這段時(shí)間里形成。鐵水傾倒完畢后，之前形成的高熔點(diǎn)氧化物來不及浮到毛坯內(nèi)壁，周圍的鐵水已凝固。從而在毛坯中形成了夾砂。

5 工藝調(diào)整

根據(jù)以上的夾砂原因分析，采取如下的工藝調(diào)整。提高鐵水的澆注溫度，加快鐵水澆注速度，加大噴水量以加快毛坯冷卻速度。

提高鐵水的澆注溫度有利于減少鐵水中的成分偏析。加快鐵水的澆注速度和加快毛坯的冷卻速度則可以減少高熔點(diǎn)氧化物時(shí)可能析出時(shí)間。將這三種措施綜合運(yùn)用可以很大地減少高熔點(diǎn)氧化物的析出傾向。

實(shí)際生產(chǎn)表明，調(diào)整工藝后因夾砂而造成的鑄廢率已降到5%以下。

6 結(jié)論

經(jīng)過本次研究可知，高鉬高鎳材質(zhì)氣缸套的夾砂由Si，Al，Ba等元素形成的高熔點(diǎn)氧化物組成。其形成原因是高鉬高鎳材質(zhì)的鐵水成分偏析比較嚴(yán)重，鐵水澆注溫度偏低，鐵水澆注速度偏慢，毛坯冷卻速度偏慢。根據(jù)分析結(jié)果采取了提高鐵水澆注溫度，加快鐵水澆注速度，加快毛坯冷卻速度這些工藝調(diào)整措施。最終將夾砂造成的鑄廢率從原來的25%左右降到5%以下。

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作者簡介：盛舉（1984-），男，江蘇揚(yáng)州人，揚(yáng)州五亭橋缸套有限公司鑄造分廠副廠長，助理工程師，研究方向：材料學(xué);俞秋景（1983-），男，江蘇揚(yáng)州人，項(xiàng)目主管，初級工程師，研究方向：材料學(xué)。