韋年勇，李 軍

（柳州五菱柳機動力有限公司，廣西柳州545005）

1 概述

廣西柳州五菱柳機鑄造有限公司是汽油發(fā)動機灰鑄鐵缸體毛坯專業(yè)生產(chǎn)基地，年產(chǎn)灰鑄鐵缸體毛坯90萬件，達(dá)3.7萬噸/年。主要客戶為上汽通用五菱、柳州五菱柳機動力有限公司等。柳州五菱柳機鑄造公司擁有4臺6噸應(yīng)達(dá)雙聯(lián)中頻熔煉爐，1臺8噸應(yīng)達(dá)自動保溫澆注爐，1條意大利Savelli造型線（砂箱尺寸為1 100 mm*900 mm*640 mm），3條熱芯盒砂芯生產(chǎn)線，同時配備有多功能工業(yè)機器人、雙盤冷卻器、砂芯表干爐、鑄件噴粉防銹處理線等國內(nèi)外先進設(shè)備。

汽車發(fā)動機缸體屬于薄壁、復(fù)雜、高強度的箱體類鑄件，要求其具有良好的力學(xué)性能和尺寸精度，以及良好的致密性和氣密性，不得有縮孔、氣孔、砂孔等鑄造缺陷，是發(fā)動機零部件中結(jié)構(gòu)復(fù)雜、鑄造難度大的鑄件。其中缸體經(jīng)加工后氣密性檢查時出現(xiàn)的試漏不合缺陷，是缸體鑄造中最常見的缺陷之一。由于試漏不合缺陷需經(jīng)過完成機加工方能識別，帶來批量缸體成品報廢的風(fēng)險，由此不僅會造成較大的經(jīng)濟損失，而且會受到客戶的極大抱怨。

發(fā)動機缸體出現(xiàn)滲漏的原因是多方面的，如渣孔、砂孔等異物帶來的穿透性缺陷造成的滲漏，還有因縮松缺陷使組織不致密導(dǎo)致的滲漏等等。本文針對公司批量生產(chǎn)的一款4缸發(fā)動機缸體在鑄造生產(chǎn)中出現(xiàn)的縮松導(dǎo)致的缸體滲漏問題，進行了詳細(xì)的原因分析并提出了改進措施，收效明顯。

2 問題描述

我公司生產(chǎn)的一款缸體，外形最大輪廓尺寸為358 mm×361 mm×251 mm，重 42 kg。材質(zhì)為HT250。鑄件、砂芯結(jié)構(gòu)復(fù)雜，采用1型4件鑄造工藝，其型腔由24個砂芯組成；壁厚相差懸殊，鑄件最薄處為4 mm，砂芯最薄處為6 mm。缸體在機加工完工后需進行氣密性試驗。該缸體曾一度因氣密性試漏不合異常突增，當(dāng)月因試壓滲漏報廢率高達(dá)4.9%，給公司造成了較大經(jīng)濟損失，也在客戶端造成了不良影響。

3 缺陷件調(diào)查

3.1 缺陷位置調(diào)查

通過對缺陷件作沉水加壓試驗查找漏點：發(fā)現(xiàn)有從微小氣泡從缸孔內(nèi)表面滲出（見圖1）。

圖1 滲漏點

通過對缸體進行沉水加壓，對26件滲漏點進行了統(tǒng)計，發(fā)現(xiàn)缺陷位置集中在缸體的缸壁上。缺陷件四個缸體模號呈分散無規(guī)律分布，未發(fā)現(xiàn)集中性。

3.2 缺陷特征

為進一步對缺陷的特征進行分析，采用銑床對沉水加壓初步找到的滲漏點位置，從缸孔背面開始逐層往里銑，每次僅銑0.5 mm，并逐層確認(rèn)。最終準(zhǔn)確找到了缺陷位置，見圖2；利用電鏡對缺陷進行了觀察分析，確認(rèn)在缸孔與水套形成的缸壁上存在不同程度的顯微縮松，見圖3；對12件層銑確認(rèn)的缸體縮松特征進行觀察統(tǒng)計，縮松缺陷均為從水套壁向缸孔方向延伸，深度約（2～2.5）mm，如圖4。由此可知，缸孔壁因縮松缺陷使組織不致密導(dǎo)致試壓檢測時不合，這是水道滲漏的主要原因。

圖2 缺陷宏觀特征

圖3 缺陷電鏡特征

圖4 缺陷深度

4 縮松缺陷原因分析

4.1 孕育劑種類和孕育量的影響

4.1.1 孕育劑種類

為保證鑄件的性能，在灰鑄鐵缸體毛坯的生產(chǎn)過程中，會加入孕育劑。對比各類孕育劑的優(yōu)缺點，硅鍶孕育劑在灰鑄鐵缸體的生產(chǎn)中，在保證孕育效果提高鑄件性能，明顯降低白口傾向的同時，并不會過分增加共晶團數(shù)量，降低了孕育后鑄件產(chǎn)生縮松的傾向。因此，硅鍶孕育劑特別適用于發(fā)動機缸體缸蓋類薄壁鑄件。我公司是發(fā)動機缸體的專業(yè)生產(chǎn)廠家，經(jīng)過多年生產(chǎn)實踐，一直選用硅鍶孕育劑，孕育效果穩(wěn)定，且因孕育劑種類帶來的滲漏風(fēng)險低。因此可以排除因選用孕育劑種類不適宜導(dǎo)致缸體產(chǎn)生縮松的原因。

4.1.2 孕育過量

參考相關(guān)文獻(xiàn)資料，孕育劑加入量過多，會增加組織共晶團數(shù)量，造成微晶間隙難以補縮，容易形成縮松缺陷。為了確認(rèn)縮松缺陷是否因孕育過量引起，將試漏不合的缺陷試樣和合格件試樣拋光后用試劑浸蝕，在光學(xué)顯微鏡下觀察對比分析，結(jié)果顯示兩者的共晶團數(shù)量并無明顯差異，均屬于缸體材質(zhì)為HT250的正常范圍，這排除了因“孕育過度”導(dǎo)致鑄件產(chǎn)生縮松的原因。

4.2 鑄件熱節(jié)的影響

通過鑄造模流軟件對鑄件溫度場進行分析，發(fā)現(xiàn)集中出現(xiàn)的滲漏區(qū)域溫度場相比其他區(qū)域偏高，如圖5所示。

圖5 鑄件模流分析

從缸體結(jié)構(gòu)和澆注系統(tǒng)模流分析來看，滲漏缺陷集中區(qū)域溫度場相比其他區(qū)域偏高，屬于冷卻條件差凝固較慢的熱節(jié)區(qū)域。我公司缸體毛坯鑄造生產(chǎn)的砂芯均采用覆膜砂熱芯盒制芯、1型4件潮模砂造型、底注臥澆的鑄造工藝模式。鐵液澆注后的凝固過程中，會釋放出大量熱量。鐵液與型腔和砂芯接觸過程中，鐵液的熱量首先傳遞到型腔周圍和內(nèi)腔的砂芯。由于型腔、砂芯主要原材料均為硅砂，其散熱慢，有一定保溫性，這樣鐵液的大部分熱量難以快速得到釋放。同時，由于1型4件總的鐵液量大，總熱量高，且每型共使用6種24個砂芯，導(dǎo)致澆注后鑄件的整個凝固時間較長。另外，由于該產(chǎn)品的水套砂芯最小壁厚只有8 mm，澆注后很快呈熔融狀態(tài)，將缸壁和外模的壁厚連成一體，形成一個超大的“熱節(jié)”，使得缸孔壁的冷卻條件更差，這也與模流分析結(jié)果吻合。鑄件在緩慢冷卻的條件下，凝固時從鐵液體中析出的奧氏體枝晶以樹枝狀快速生長并連成骨架，由于熱節(jié)的存在，難以得到充分補縮，最終在缸壁熱節(jié)位置形成了縮松缺陷。

由此分析得出，鑄件熱節(jié)是產(chǎn)生縮松缺陷的要因。

4.3 鐵液成分的影響

參考相關(guān)文獻(xiàn)資料表明，如果鐵液化學(xué)成分不恰當(dāng)，Si/C過高，灰鑄鐵凝固結(jié)晶范圍變寬，初生奧氏體枝晶析出量多且粗大。石墨析出量減少，鑄件收縮傾向增大。特別是在低碳當(dāng)量的情況下，鑄件收縮更為嚴(yán)重。Si/C過高，碳當(dāng)量低均會引起缸體普遍疏松，導(dǎo)致缸體滲漏。

Pb對石墨形態(tài)的影響十分顯著。一般說來，微量Pb便可引起石墨形態(tài)惡化，變成蜘蛛狀、爪狀。有資料表明，當(dāng)含Pb量高于0.0008%時，缸體的滲漏率會異常升高。

合金化能有效提高鑄鐵的機械性能，我們公司常用的合金元素是鉻、銅、錫、錳。其中Cr在能強化珠光體的同時，與C又有較強的親和力，是一種強碳化物元素，這會增加鐵液的白口化傾向，也就增大了灰鑄鐵的縮松傾向。當(dāng)高于一定含量時，形成縮松缺陷的風(fēng)險增大。

于是，對“縮松”缸體和合格缸體鐵液的化學(xué)成分進行了統(tǒng)計對比分析：

從統(tǒng)計對比分析結(jié)果看，“縮松”缸體和合格缸體的Si/C、CE、W（P）量等無太大差異，屬正常波動控制范圍。但“縮松”缸體的W（Cr）比合格缸體高。因此，可以判斷，隨著W（Cr）的增加，鑄件產(chǎn)生縮松的風(fēng)險大大增加。

4.4 澆注溫度的影響

溫度高鐵液收縮傾向大。參考相關(guān)文獻(xiàn)資料表明，澆注溫度如果高于工藝規(guī)定的合理的溫度（20～30）℃，收縮傾向就會大幅增加。因此穩(wěn)定控制澆注溫度在合理的范圍內(nèi)，對缸體鑄造來說是非常重要的。公司采用保溫自動澆注爐，澆注溫度嚴(yán)格按工藝要求（1 420℃～1 435℃）進行控制。經(jīng)排查，實際生產(chǎn)的澆注記錄未發(fā)現(xiàn)異常。因此，澆注溫度高不是本次缸體產(chǎn)生縮松的原因。

4.5 缺陷原因總結(jié)

通過以上的分析，可以得到引起本次缸體縮松缺陷的主要原因如下：

（1）滲漏集中區(qū)域?qū)儆诰植拷Y(jié)構(gòu)熱節(jié)，溫度場比其他缸孔區(qū)域高，屬于凝固較慢熱節(jié)區(qū)域，補縮不足形成縮松。鑄件局部熱節(jié)是產(chǎn)生本次縮松缺陷的主要原因。

（2）Cr屬于阻礙石墨化的元素，不易析出形成石墨片，增加了組織的白口化傾向，Cr能促進并穩(wěn)定珠光體增加硬度的同時，也降低了鐵液的補縮能力；Cr元素的增加是導(dǎo)致本次縮松缺陷的原因。

5 改進措施

（1）針對缸體產(chǎn)生縮松的熱節(jié)位置，即局部熱節(jié)對應(yīng)的水套芯刷涂激冷涂料，如圖6所示。

圖6 激冷涂料刷涂位置

參考相關(guān)文獻(xiàn)資料表明碲的冶金效益原理：碲在與鐵液相接觸時，由于碲的升華而吸收大量的熱，從而造成鑄件表面過冷，改變鐵水的臨界冷卻率，加快鐵水的實際冷卻速度，加大結(jié)晶所需的過冷度，而產(chǎn)生致密的白口組織。鑄件刷涂碲涂料工藝在鑄造生產(chǎn)中早已有所應(yīng)用，尤其在汽車、拖拉機制造行業(yè)中，采取這種工藝已有效地解決了薄壁復(fù)雜鑄件的厚大部位（如氣缸體主油道孔）的縮松滲漏問題。

（2）嚴(yán)格控制鐵液中Cr%加入量。參考相關(guān)文獻(xiàn)資料得知，Cr是一種促進形成并穩(wěn)定珠光體的元素，且能細(xì)化珠光體，因而能顯著提高灰鑄鐵的強度；然而Cr與C又有較強的親和力，是一種強碳化物元素，這會增加鐵液的白口化傾向，也就增大了灰鑄鐵的縮松傾向。同樣，加入Cu也是促進并穩(wěn)定和細(xì)化珠光體的元素，但Cu同時又是促進石墨化的元素，因此Cu的加入可以抵消部分Cr增大白口傾向的不利影響。由此，Cr與Cu組合使用，既保證了良好的鑄造性能，又提高了鑄鐵的力學(xué)性能，能取得更好的效果。為此下調(diào)了Cr%加入量，由原來的（0.25～0.35）%下調(diào)至（0.25～0.30）%，上調(diào)了Cu%的加入量，由原來的（0.35～0.40）%上調(diào)至（0.40～0.45）%。這樣，既降低了Cr加入量過高帶來的縮松風(fēng)險，也避免了因降低Cr加入量缸體機械性能不滿足的風(fēng)險。

6 效果驗證

采取以上措施后，于2018年12月6日交付300件到客戶加工驗證，綜合鑄造廢品率1.62%，其中滲漏廢品未發(fā)生，改進效果明顯。鎖定以上工藝改進連續(xù)生產(chǎn)，表1為連續(xù)3個月的質(zhì)量情況。

表1 產(chǎn)品的質(zhì)量情況分析

對以上滲漏廢品進行隨機抽樣做沉水試驗，查找漏點，失效模式均為異物（如散砂、涂料脫落等）或冷隔、氣孔等造成的滲漏，因缸孔縮松造成的滲漏缺陷未發(fā)生。

7 結(jié)束語

由于缸孔壁存在結(jié)構(gòu)和工藝熱節(jié)，散熱條件差，同時由于鐵液中合金Cr元素含量的增加，加大了鐵液白口和縮松傾向，導(dǎo)致缸體毛坯在凝固過程產(chǎn)生了輕微的顯微縮松，導(dǎo)致缸體滲漏缺陷的產(chǎn)生。該輕微的顯微縮松是肉眼不可見的。通過采取在缸體滲漏點對應(yīng)的水套芯局部位置刷涂碲涂料，同時調(diào)整鐵液Cr和Cu的加入量，有效解決了因缸孔熱節(jié)縮松造成的滲漏缺陷，效果明顯。