馬永威，鄧曉金，任國(guó)波

(中車戚墅堰機(jī)車有限公司，江蘇常州213011)

長(zhǎng)期以來(lái)，由于受鑄造缺陷的生成理論和對(duì)缺陷的認(rèn)識(shí)及分析儀器等限制，對(duì)鑄造缺陷的分析會(huì)出現(xiàn)偏差，造成缺陷不能及時(shí)得到解決。

本文對(duì)氣缸蓋鑄件孔洞類缺陷進(jìn)行詳細(xì)分析，并采取了預(yù)防措施，提高產(chǎn)品質(zhì)量。

1 氣缸蓋缺陷狀況

氣缸蓋孔洞缺陷位于冒口根部與鑄件相接處，大小似黃豆，孔洞內(nèi)有綠豆大小的鐵豆，鑄造工藝及缺陷見(jiàn)圖1。

2 對(duì)缺陷的認(rèn)識(shí)

缺陷性質(zhì)為氣縮孔，是一種縮孔在前，氣孔在后的缺陷。

2． 1 生成缺陷的過(guò)程分析

（1）自澆注結(jié)束至鑄件的凝固前期，冒口內(nèi)金屬液完全處于液態(tài)，金屬液溫度下降產(chǎn)生的液態(tài)收縮和凝固產(chǎn)生的凝固收縮能夠得到來(lái)自冒口的補(bǔ)充。

（2）凝固中期，冒口中金屬液已處于凝固或半凝固狀態(tài)，而此時(shí)冒口下部由于本身壁厚較大，加上與冒口形成的接觸熱節(jié)，該部分仍處于液態(tài)或半凝固狀態(tài)，仍然產(chǎn)生著收縮，形成了鑄件縮孔并在內(nèi)部產(chǎn)生負(fù)壓，溶解于金屬液中的氣體析出進(jìn)入縮孔，形成了具有氣孔特征的孔洞。

圖1 氣缸蓋工藝及缺陷圖

（3）凝固末期，由于共晶石墨的析出產(chǎn)生膨脹，將低熔點(diǎn)鐵液擠入孔洞內(nèi)，形成內(nèi)滲豆缺陷，圖2分別是氣縮孔和氣孔中的內(nèi)滲豆。

圖2 氣縮孔和氣孔的內(nèi)滲豆

2.1.1 形成氣縮孔的原因

由于鑄件缺陷生成部位本身較厚大，設(shè)置冒口后因冒口與鑄件接觸處的熱節(jié)圓直徑增大，再考慮冒口的金屬液從鑄件厚大部分流過(guò)和冒口與鑄件接觸部位尖角砂被加熱以及冒口金屬液帶來(lái)大量熱量，大大延長(zhǎng)了鑄件厚大部分的凝固時(shí)間，因而形成接觸熱節(jié)，且由于冒口為冷冒口，冒口中的鐵液溫度低，即接觸熱節(jié)（冒口頸下部）晚于冒口凝固，成為整個(gè)鑄件-冒口系統(tǒng)的最后凝固單元。鑄件凝固過(guò)程，當(dāng)鑄件薄壁處發(fā)生收縮時(shí)，首先通過(guò)冒口頸從冒口中吸取金屬液，當(dāng)冒口凝固后，受冒口熱影響而延長(zhǎng)了凝固時(shí)間的冒口根部一方面本身收縮，另一方面還要供應(yīng)相應(yīng)部位的補(bǔ)縮，因此在冒口根部產(chǎn)生縮孔缺陷[1，2]。

2.1.2 氣體析出進(jìn)入縮孔

熱節(jié)金屬液的收縮得不到補(bǔ)充形成縮孔，由于這時(shí)冒口頂面已凝固，縮孔部位的殘余金屬液成為孤立溶池，在內(nèi)形成一定的真空。下式是氫氣泡析出條件[3，4]：PH.f＞P0+ρ.g.H+(2σ/r)

式中 PH.f——?dú)錃馀菸龀龅姆謮毫Γ?/p>

P0——型腔內(nèi)金屬液面壓力；

ρ——金屬液密度；

g——重力加速度；

H——是氣泡以上金屬液面高度；

2σ/r——?dú)馀菪枰朔慕饘僖罕砻鎵毫Α?/p>

式中的2σ/r、ρ、g為金屬本身特性，可以認(rèn)為固定不變，而由于縮孔部位殘余金屬液形成的孤立溶池，P0、H已明顯減小，氣泡析出的分壓力隨之減小，為氣體的析出創(chuàng)造了條件。使在正常壓力下不會(huì)析出的溶解于金屬液中的氣體容易析出，外來(lái)的氣體擴(kuò)大了縮孔的體積，鈍化了縮孔內(nèi)典型的樹(shù)枝狀結(jié)晶，成為既有別于純氣孔的光滑表面，又有別于典型縮孔的樹(shù)枝晶表面。該類缺陷在作者公司生產(chǎn)的大型柴油機(jī)機(jī)體冒口根部及熱節(jié)中心（主軸承螺孔和氣缸蓋螺孔）曾多次發(fā)生，其他鑄件也常有發(fā)生，圖3、圖4分別是蠕墨鑄鐵氣缸蓋氣門導(dǎo)管孔中心缺陷和球墨鑄鐵厚實(shí)鑄件熱節(jié)部位的孔洞缺陷。

圖3 氣缸蓋氣門導(dǎo)管孔中心缺陷

圖4 厚實(shí)部位氣縮孔

2.1.3 確定為氣縮孔缺陷的理由

（1）缺陷的孔洞體積決定于鐵液碳當(dāng)量，碳當(dāng)量低，孔洞擴(kuò)大。有關(guān)資料介紹，出現(xiàn)這類缺陷的鑄件，規(guī)定部位硬度檢測(cè)一般都合格；而碳當(dāng)量略高、硬度較低時(shí)，缺陷消失。說(shuō)明缺陷的生成與材料的收縮大小有關(guān)，屬于收縮類缺陷。

（2）擴(kuò)大冒口直徑放大到50mm，將冒口形狀設(shè)計(jì)為倒置酒瓶狀，冒口頸厚度為10mm，大大降低了廢品率，這是因?yàn)橐环矫嫜娱L(zhǎng)了冒口的凝固時(shí)間，提高了冒口的補(bǔ)縮能力，另一方面小冒口頸有效減小了接觸熱節(jié)，起到了減少縮孔缺陷的效果。

（3）澆注溫度提高，廢品降低，這是因?yàn)殡m然提高澆注溫度增加了液態(tài)收縮，但也提高了冒口的補(bǔ)縮能力，所以缺陷減少。

（4）使用經(jīng)過(guò)挑選的優(yōu)質(zhì)廢鋼并采用電爐高溫熔煉鐵液，大大降低了鐵液的含氣量，雖然孔洞比大量銹蝕廢鋼澆注廢品率下降，但始終不能消除缺陷，充分說(shuō)明產(chǎn)生缺陷的主要原因不是鐵液中的氣體含量。

圖5 機(jī)體減小冒口消除缺陷

（5）如取消冒口改為冷鐵工藝，消除接觸熱節(jié)，缺陷可以消除。筆者公司采用減小冒口頸尺寸或冒口頸處設(shè)置冷鐵，消除了冒口頸位置的孔洞缺陷；鑄件局部熱節(jié)，如大型柴油機(jī)機(jī)體的氣缸蓋螺栓孔在其外側(cè)設(shè)置冷鐵后，缺陷消除（圖5）。

（6）缺陷位置較固定，位于鑄件熱節(jié)位置，具有收縮虧欠類缺陷特征。而卷入性氣體產(chǎn)生的氣孔缺陷位置一般比較分散，不可能出現(xiàn)在同一位置。

3 氣縮孔缺陷的預(yù)防

預(yù)防氣縮孔缺陷必須從預(yù)防縮孔著手，具體有以下措施。

（1）為有效預(yù)防縮孔可優(yōu)先采用冒口補(bǔ)縮，利用冒口對(duì)石墨化膨脹的不足進(jìn)行補(bǔ)縮，尤其濕型鑄造更應(yīng)加強(qiáng)冒口的補(bǔ)縮。圖2左圖鑄件在設(shè)置側(cè)冒口補(bǔ)縮后，缺陷消除。

（2）在鑄件難以設(shè)置冒口的孤立熱節(jié)設(shè)置冷鐵，加快熱節(jié)部位的冷卻速度，使鑄件石墨化膨脹與收縮相抵消的均衡點(diǎn)提前，作者公司對(duì)圖3的缸蓋熱節(jié)位置采用冷鐵后消除了缺陷。

（3）內(nèi)澆道和冒口盡量設(shè)在靠近鑄件熱節(jié)而不過(guò)熱節(jié)的部位，縮短鑄件熱節(jié)的凝固時(shí)間又能對(duì)熱節(jié)進(jìn)行補(bǔ)縮。

（4）嚴(yán)格控制鐵液化學(xué)成分，在保證力學(xué)性能的前提下，盡量提高C、Si含量，并防止Cr、Mo等反石墨化元素的混入，減少金屬液的收縮。

（5）提高鑄型剛度，充分利用石墨化膨脹自補(bǔ)縮，6L280曲軸改用鐵覆砂工藝后轉(zhuǎn)角處氣縮孔缺陷得到解決。

4 結(jié)束語(yǔ)

正確判定缺陷性質(zhì)，是工藝措施制定和實(shí)施的前提。氣縮孔缺陷的預(yù)防要從預(yù)防縮孔入手，采取補(bǔ)縮和激冷等工藝措施。