劉 超

（濰柴動(dòng)力（濰坊）鑄鍛有限公司，山東濰坊 261000）

濰柴動(dòng)力（濰坊）鑄鍛有限公司在原有產(chǎn)品基礎(chǔ)上通過對(duì)曲柄連桿機(jī)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)和集成化模塊化設(shè)計(jì)新開發(fā)了一款排量為6.75 L 的高性能發(fā)動(dòng)機(jī)，主要應(yīng)用于中重型載貨車、客車、城市公交以及其它動(dòng)力機(jī)械，其核心關(guān)鍵零部件氣缸體鑄件采用大批量、自動(dòng)化、流水線鑄造生產(chǎn)方式。經(jīng)過前期的工藝驗(yàn)證和批量生產(chǎn)階段，我們發(fā)現(xiàn)氣孔一直為最突出的鑄造缺陷，大約占所有廢品缺陷的60%以上，氣孔廢品率達(dá)5%以上。

1 鑄件特點(diǎn)及工藝現(xiàn)狀

此鑄件為高龍門式結(jié)構(gòu)，齒輪室與氣缸體一體化模塊式設(shè)計(jì)，鑄件尺寸為834×453×507（mm），采用濕式缸套結(jié)構(gòu)，表面為薄壁大平面結(jié)構(gòu)，主要壁厚僅為5.5 mm，鑄件總質(zhì)量195 kg，材質(zhì)為HT250。圖1 為鑄件的三維形貌圖，圖2 是鑄造該鑄件所用砂芯三維形貌圖。

該鑄件造型采用KW 靜壓造型線潮膜砂工藝生產(chǎn)，上模無工藝孔，砂芯全部采用冷芯盒制芯工藝，采用機(jī)器人自動(dòng)組芯浸涂工藝，三顆水腔通道芯依次人工下入下箱，然后利用自動(dòng)下芯機(jī)下入主體芯，最后合箱澆注。澆注系統(tǒng)采用階梯式開放式澆注系統(tǒng)，內(nèi)澆道設(shè)置在上下瓦口上（如圖10 所示）。

圖1 鑄件圖

圖2 砂芯圖

2 缺陷特征

在工藝驗(yàn)證和正常生產(chǎn)階段，氣孔缺陷成了最突出的鑄造缺陷，長(zhǎng)時(shí)間得不到有效解決。氣孔位置主要分布在大凸臺(tái)邊角、油尺臺(tái)、細(xì)長(zhǎng)筋和鑄件上表面缸孔中心位置。如圖3 所示。

3 原因分析

經(jīng)過對(duì)生產(chǎn)過程各個(gè)環(huán)節(jié)的監(jiān)控追溯和分析，認(rèn)為當(dāng)前采用的鑄造工藝包括熔煉、造型和制芯三大工部的工藝和所選材料已經(jīng)在其他產(chǎn)品系列應(yīng)用多年，屬于成熟工藝，因此確定此類鑄件產(chǎn)生的氣孔多為浸入性氣孔，很少存在反應(yīng)性氣孔和析出性氣孔。此鑄件產(chǎn)生的氣孔表現(xiàn)形式又可以分為兩類，一類是鑄件表面凸臺(tái)、油尺臺(tái)和細(xì)長(zhǎng)筋氣孔；另一類是鑄件上表面缸孔中心位置的內(nèi)氣孔。

圖3 出現(xiàn)氣孔的位置圖

眾所周知，浸入性氣孔產(chǎn)生的條件是當(dāng)界面上局部氣體的壓力P氣大于金屬液表面包括表面張力在內(nèi)的反壓力XP(XP=P靜+P阻+P腔)時(shí)，氣體就能進(jìn)入鐵液，形成氣泡，氣泡如果不能順利排出，則在鑄件內(nèi)形成氣孔。也就是說，當(dāng)P氣>XP時(shí)，就容易形成氣孔缺陷。這也是第一類氣孔產(chǎn)生的機(jī)理，各類凸臺(tái)作為最后凝固的部位，本身靜壓力P靜和阻力P阻很小，且儲(chǔ)存最早澆入的冷鐵液，氣孔極易浸入且不容易排出。通常采取在凸臺(tái)上設(shè)置氣眼針或者出氣片來解決氣孔缺陷，但是此鑄件表面凸臺(tái)尺寸大、油尺凸臺(tái)為不規(guī)則形狀無法設(shè)置氣眼結(jié)構(gòu)、細(xì)高筋無法設(shè)置出氣片等特殊情況導(dǎo)致三處位置氣孔缺陷不易解決。

而第二種氣孔產(chǎn)生的主要原因是砂芯在澆注過程中發(fā)氣，氣體還未排出上表面鐵液便已經(jīng)形成氧化膜（如圖5 中上表面顏色深的部位便是氧化膜），直接阻礙了氣孔氣體的排出，最后形成氣孔缺陷，表現(xiàn)明顯的便形成內(nèi)氣孔。內(nèi)氣孔的表現(xiàn)形式是鑄件外表正常，內(nèi)腔殘存氣孔缺陷。而此鑄件上表面為水平大平面，鐵液流動(dòng)緩慢極易氧化形成氧化膜，更加加劇了氣孔的產(chǎn)生。

為了驗(yàn)證對(duì)氣孔形成機(jī)理的判斷，利用MAGMA 5.0 模擬軟件對(duì)鑄件溫度場(chǎng)、裹氣現(xiàn)象和鑄件上表面及與其接觸的砂芯發(fā)氣進(jìn)行了分析，基本符合實(shí)際情況并驗(yàn)證了對(duì)氣孔產(chǎn)生原因的判斷，如圖4、5 所示。

圖4 澆注完成后溫度場(chǎng)的分布

圖5 鑄件表面氧化膜分布圖

通過對(duì)比圖4 和圖5，可以看出澆注完成后溫度場(chǎng)的分布，表面溫度低的部位（圖中4 中深色部位）與現(xiàn)場(chǎng)鑄件氧化膜形成的部位（圖5 中深色部位）基本一致。

圖6 鑄件充型結(jié)束后裹氣分布圖

從圖6 可以看出上表面各類凸臺(tái)和細(xì)高加強(qiáng)筋易裹氣，也就是易出現(xiàn)氣孔缺陷。

根據(jù)砂芯材料比熱知，砂芯大致在590 ℃發(fā)氣，在鑄件表皮及與其接觸的砂芯處（缺陷類型二）分別選取一點(diǎn)，如圖7 所示。從兩點(diǎn)的溫度變化曲線看出（如圖8 所示），鑄件充型結(jié)束（21 s）至凝固至45 s 左右時(shí)，砂芯溫度一直低于550 ℃，沒有發(fā)氣；鑄件凝固到45～60 s 之間時(shí)，砂芯發(fā)氣和鑄件凝固共存（圖8 中方框），此時(shí)鑄件產(chǎn)生氣孔。結(jié)合鑄件氣孔分布位置及砂芯發(fā)氣溫度曲線，可以判斷鑄件類型二的缺陷，應(yīng)該是充型結(jié)束后，芯子發(fā)氣引起的。鑄件凝固和芯子發(fā)氣共存發(fā)生的區(qū)域如圖9所示，可以看出與氧化膜形成部位基本也一致，因此可以驗(yàn)證第二類氣孔缺陷的形成原因。

圖7 鑄件表皮及與其接觸的砂芯表皮取點(diǎn)位置

圖8 取點(diǎn)位置溫度變化圖

4 改進(jìn)措施

我們針對(duì)氣孔缺陷從各個(gè)方面采取了很多措施，包括減少砂芯和砂型材料發(fā)氣量，改善浸涂烘干工藝、增加排氣通道、降低型砂含水量、增加型砂透氣性等方面，雖然取得一定效果，但是不能從根本上解決氣孔缺陷，氣孔廢品率一直持續(xù)高于3%以上。通過對(duì)氣孔機(jī)理的分析，我們改變了解決氣孔問題的思路，從想方設(shè)法減少澆注過程中的發(fā)氣轉(zhuǎn)變?yōu)樵鯓幼岃F液中的氣體更容易地排出。鑄造過程產(chǎn)生氣體總是不可避免的，因此無論怎樣減少氣體的發(fā)生并不能杜絕氣孔的產(chǎn)生。

為了讓氣體更容易地排出鐵液，我們最終的思路是通過改進(jìn)澆注系統(tǒng)，適當(dāng)提高澆注溫度，改善鑄件澆注過程溫度場(chǎng)的分布，改善鐵液的充型流動(dòng)，減緩鑄件表面氧化膜的形成等方面進(jìn)行了攻關(guān)并取得良好效果。

圖9 鑄件凝固和芯子發(fā)氣共存發(fā)生的區(qū)域

4.1 澆注系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

當(dāng)前澆注系統(tǒng)如圖10 所示，各澆道截面積比值為A直∶A橫∶A內(nèi)=1∶1.18∶1.30。此類澆注系統(tǒng)為半封閉半開放式結(jié)構(gòu)，采用階梯式澆注時(shí)由于內(nèi)澆道設(shè)置在瓦口上，內(nèi)澆道位置偏向下部，且設(shè)計(jì)澆注系統(tǒng)時(shí)并沒有考慮各層內(nèi)澆道的截面積是否也應(yīng)該存在一定比例便于合理分流鐵液，這樣使整個(gè)澆注過程中溫度場(chǎng)分布體現(xiàn)出上部溫度明顯低于下部溫度狀態(tài)，上部大平面部位易形成氧化膜（如圖5 所示），這樣導(dǎo)致砂芯發(fā)出的氣體不能及時(shí)溢出形成了第二類氣孔缺陷。且鐵液從瓦口進(jìn)入內(nèi)腔后裹氣嚴(yán)重，最終導(dǎo)致第一類氣孔的產(chǎn)生。

確定了改進(jìn)澆注系統(tǒng)思路后，為了得到理想的溫度場(chǎng)分布，并且在上表面大平面處氧化膜形成之前確保砂芯發(fā)氣完全，經(jīng)過多次澆注系統(tǒng)尺寸設(shè)計(jì)模擬計(jì)算和實(shí)際生產(chǎn)驗(yàn)證，最終確定了全新的澆注系統(tǒng)內(nèi)澆道設(shè)置位置和各澆道尤其內(nèi)澆道截面積比值。如圖11 所示，內(nèi)澆道在鑄件開檔位置設(shè)置，不再連接瓦口，且上層內(nèi)澆道靠近上表面，下層內(nèi)澆道靠近瓦口。為了緩沖鐵液充型，規(guī)定內(nèi)澆道與鑄件開檔位置的角度設(shè)計(jì)值為60°。整個(gè)澆注系統(tǒng)截面積比例為A直∶A橫∶A內(nèi)=1∶1.10∶1.80，規(guī)定內(nèi)澆道上下層截面積A內(nèi)上∶A內(nèi)下=2.20∶1，并且在直澆道上直接開設(shè)兩個(gè)內(nèi)澆道，如圖12 所示，此內(nèi)澆道靠近上平面且正沖不規(guī)則的油尺凸臺(tái)和細(xì)高加強(qiáng)筋上，充型過程會(huì)直接把凸臺(tái)上集聚的氣體排出鑄型，避免了特殊形狀凸臺(tái)的氣孔缺陷。此澆注系統(tǒng)的內(nèi)澆道設(shè)置總體靠近上平面，澆注時(shí)鐵液可以不斷沖入上平面，也就是上平面不斷進(jìn)入溫度適宜的熱鐵液，阻礙了鐵液氧化膜的形成，并提前加熱砂芯，讓砂芯有足夠的發(fā)氣時(shí)間，最終避免了表面大平面處內(nèi)氣孔的產(chǎn)生。

圖10 澆注系統(tǒng)圖

圖11 改進(jìn)后澆注系統(tǒng)

圖12 增加的內(nèi)澆道鐵液流向圖

4.2 澆注溫度的改進(jìn)

我們生產(chǎn)的缸體類鑄件因工藝相近，全部采用臥澆工藝，為防止鑄件表面和內(nèi)腔粘砂，經(jīng)過多年的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，澆注溫度設(shè)置有明確的溫度范圍。且由于熔煉和澆注設(shè)備先進(jìn)，澆注溫度波動(dòng)小，控制范圍小，一般都設(shè)置在1 390～1 400 ℃之間，并有嚴(yán)格的工藝要求保證每箱鑄件澆注溫度的適宜性，這對(duì)澆注溫度這一重要工藝參數(shù)的控制起到了很好的保證作用。但是也無形之中禁錮了缸體類鑄件澆注溫度的調(diào)整。在解決此產(chǎn)品氣孔缺陷的過程中，逐步認(rèn)識(shí)到澆注溫度調(diào)整的必要性。通過試驗(yàn)最終確定了此類鑄件合適的澆注溫度為1 410～1 420℃，比原來的范圍提升了20 ℃，結(jié)合澆注系統(tǒng)的改進(jìn)，對(duì)于氣孔缺陷的防治起到了明顯的效果，且滿足鑄件的內(nèi)腔表面質(zhì)量要求。

5 結(jié)論

本文對(duì)缸體類氣孔缺陷的形成機(jī)理做了系統(tǒng)的介紹并且通過MAGMA 5.0 模擬軟件驗(yàn)證了對(duì)氣孔機(jī)理的推斷。提出了解決氣孔缺陷的措施，尤其從澆注系統(tǒng)方面創(chuàng)新性的提出了缸體類鑄件內(nèi)澆道的新的設(shè)置方式與設(shè)置位置。通過驗(yàn)證批量生產(chǎn)突破了此類鑄件澆注溫度上限的禁錮，為澆注溫度的設(shè)置范圍提供了新的數(shù)據(jù)支持。通過工藝改進(jìn)，氣孔缺陷造成的廢品率由5%左右降為0.1%以下，基本解決了缸體類鑄件最難解決的氣孔缺陷，也為類似結(jié)構(gòu)的缸體鑄件提供了新的工藝參考，達(dá)到了國內(nèi)先進(jìn)水平。

[1]王文清,李魁盛.鑄造工藝 [M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2002.10.

[2]周亙,王峰,張全.對(duì)鑄鐵件氣孔和氣縮孔防止措施的認(rèn)識(shí)[J]無錫：現(xiàn)代鑄鐵，2011.1.

[3]陳琦.鑄鐵手冊(cè)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社,1984.

[4]宋長(zhǎng)運(yùn)，黃德東，薛祥軍，等.385氣缸體鑄件氣孔的產(chǎn)生與消除[J].中國鑄造裝備與技術(shù),2006(3).