季 托，王 超，伍啟華，劉立強(qiáng)，張其昌

（濰柴動(dòng)力（濰坊）鑄鍛有限公司，山東濰坊 261061）

我公司生產(chǎn)Y系列四缸輕型柴油機(jī)灰鑄鐵連體氣缸蓋，鐵水牌號(hào)HT280，單件毛坯重量45kg，年產(chǎn)量40000臺(tái)以上。其特點(diǎn)是壁薄、質(zhì)量輕。本產(chǎn)品采用中頻電爐熔煉工藝，澆注溫度1410～1430℃。造型采用濕型砂造型工藝，一箱四件。上蓋底盤芯采用三乙胺冷芯盒制芯工藝，氣道芯及水腔芯采用覆膜砂熱芯盒制芯工藝。澆注系統(tǒng)為底注式。自供料以來，加工后經(jīng)濕式氣密試漏檢驗(yàn)，漏水缺陷廢品占總廢品數(shù)量比例90%以上。漏水部位主要集中在噴油器孔，經(jīng)過電鏡觀察，確定漏水原因?yàn)榭s松。

1 漏水原因的分析

1.1 漏水原因的確定

漏水位置主要集中在2、3缸噴油器孔（鑄件共4缸），占漏水總數(shù)的80%以上。該孔孔徑?30mm，在鑄件上不鑄出，形成結(jié)構(gòu)熱節(jié)。經(jīng)過鉆孔加工后缺陷暴露出來，加工后在內(nèi)壁可以清晰觀察到灰色蜂窩狀孔洞。使用掃描電鏡觀察缺陷形貌（放大100倍），可以看到樹枝狀結(jié)晶組織，局部有疏松的空洞，可以確定為縮松缺陷。

圖1 統(tǒng)計(jì)漏水位置的柏拉圖

圖2 缺陷位置鑄件解剖后形貌（左側(cè)為缺陷位置，右側(cè)為放大圖）

1.2 縮松原因的分析

缸蓋鑄件為薄壁鑄件，平均壁厚5mm，而噴油器孔處直徑30mm（該孔不鑄出），形成厚實(shí)的結(jié)構(gòu)熱節(jié)，澆注后冷卻過程中冷速不均，缺陷部位最后凝固，因液相、共晶與固相收縮無法相抵，熱節(jié)部位比四周薄壁凝固晚，因此薄壁補(bǔ)縮后無液態(tài)金屬及時(shí)補(bǔ)縮，導(dǎo)致組織空洞出現(xiàn)[1]。

圖3 掃描電鏡觀察缺陷形貌（100×）

2 內(nèi)冷鐵的設(shè)計(jì)與應(yīng)用

內(nèi)冷鐵適用于薄壁有孤立熱節(jié)的中小鑄鐵件（如本文中所述的柴油機(jī)氣缸蓋），可以有效地控制鑄件的凝固順序，調(diào)整鑄件各部的冷卻速度，促成定向順序凝固或同時(shí)凝固。尤其是針對(duì)本鑄件澆注系統(tǒng)，難以用冒口直接補(bǔ)縮的情況。

2.1 內(nèi)冷鐵的材質(zhì)

內(nèi)冷鐵材質(zhì)一般選用與鑄件本體相同或相近的材料。生產(chǎn)驗(yàn)證未選用本體材質(zhì)，原因?yàn)殇摬膬r(jià)格低廉且進(jìn)料渠道較多（參考多家柴油機(jī)鑄造廠，包括錫柴、天長(zhǎng)缸蓋，鋼材冷鐵應(yīng)用最為廣泛）。驗(yàn)證選用材質(zhì)為鍍錫鋼板，是使用冷軋鋼板經(jīng)沖壓模塑性變形后電鍍錫獲得。內(nèi)冷鐵對(duì)表面質(zhì)量要求較高，表面不能氧化、銹蝕，因此電鍍錫以防止生銹。

2.2 內(nèi)冷鐵的形狀與定位

內(nèi)冷鐵形狀以簡(jiǎn)單為宜。復(fù)雜形狀，如焊接定位翅等，可能帶來熔合不良等問題，而且冷鐵制作工藝復(fù)雜，焊接易變形，電鍍困難，生產(chǎn)效率低，尺寸控制難，進(jìn)而導(dǎo)致價(jià)格昂貴。

表1 光譜儀分析內(nèi)冷鐵材質(zhì) ωB/%

圖4 內(nèi)冷鐵三維立體圖

內(nèi)冷鐵形狀設(shè)計(jì)為中空帶缺口圓筒。厚度為0.8mm，其選擇是根據(jù)熱節(jié)圓大小確定，過薄起不到冷卻效果，過厚可能造成熔合不良、裂紋等；直徑根據(jù)砂芯孔徑，即熱節(jié)圓大小確定，稍大于砂芯孔徑，使用時(shí)插入砂芯孔中，因圓筒不閉合本身具有彈性，能夠撐住砂芯內(nèi)表面，達(dá)到固定效果；長(zhǎng)度以加工后不暴露為準(zhǔn)；錐度及缺口角度起到避讓砂芯的作用。此外，缺口可以為砂芯提供排氣路徑，設(shè)計(jì)錐度也可起到方便下入的作用。

圖5 放入冷鐵后的組芯圖

圖6 實(shí)際應(yīng)用照片

圖7 光學(xué)顯微鏡觀察金相（50×）

2.3 內(nèi)冷鐵的作用機(jī)理

2.3.1 金相觀察

可以清晰觀察到鋼板輪廓，僅外表面部分熔化，與鑄鐵之間形成厚度為0.3mm過渡層(鋼板區(qū)域?qū)挾?.8mm)。熔合良好，沒有微觀裂縫或氣孔。

2.3.2 硬度檢測(cè)

鑄件本體組織為珠光體+石墨，過渡層組織為珠光體，冷鐵組織為珠光體+鐵素體。使用維氏硬度機(jī)測(cè)量得出中間冷鐵區(qū)域270～279HV，灰鐵區(qū)域 206～230HV，過渡區(qū)域 240～260HV，冷鐵區(qū)域硬度較高，鉆孔過程中如果加工到可能出現(xiàn)打刀。

由此說明，內(nèi)冷鐵的作用為加速熱節(jié)部位冷卻，使縮松缺陷的位置由熱節(jié)邊緣推向中心（甚至消除）,進(jìn)而在鉆孔后，去除縮松部位。此外，致密的冷鐵層及過渡層也可起到防止?jié)B漏的作用。

2.4 可能存在的風(fēng)險(xiǎn)

目前解剖樣件雖熔合良好，但隨著日后澆注系統(tǒng)的改進(jìn)、新工藝的應(yīng)用等，可能會(huì)造成熔合不良，因此需要持續(xù)觀察。

此外，內(nèi)冷鐵未完全熔化，如果組芯時(shí)安放位置稍偏，可能會(huì)有加工硬點(diǎn)。凝固過程中應(yīng)力不均可能造成微觀裂紋等。

3 成分控制

3.1 控制碳當(dāng)量及合金元素的加入量

鐵液成分是影響鑄件品質(zhì)的主要因素，當(dāng)澆注鐵液碳當(dāng)量下降時(shí)，鑄件縮松傾向加劇[2]。錫有穩(wěn)定珠光體，促進(jìn)石墨化的作用。本產(chǎn)品鐵水牌號(hào)為HT280，合金化工藝為Cu-Cr-Ni。適當(dāng)提高硅含量，同時(shí)去鎳加錫，驗(yàn)證一個(gè)批次（48臺(tái)），效果較好。

3.2 控制二次孕育

爐前孕育后會(huì)出現(xiàn)孕育衰退，為減少衰退現(xiàn)象，需要二次孕育。我公司使用硅鋯孕育劑，在澆注時(shí)隨流注入。有文獻(xiàn)指出，孕育效果越好，鑄件凝固時(shí)的縮松傾向越大。然而，孕育量過小，達(dá)不到孕育效果，自補(bǔ)縮能力差。經(jīng)過多批次生產(chǎn)驗(yàn)證，加入量控制在0.06%～0.08%。

4 其他工藝的探究

4.1 涂刷激冷涂料

碲是強(qiáng)烈的反石墨化元素,其熔點(diǎn)452℃，沸點(diǎn)1390℃，可使金屬液急劇冷卻，加快凝固速度，從而阻礙石墨化，細(xì)化晶粒[3]。

生產(chǎn)中涂刷碲涂料于砂芯圓孔周圍，調(diào)整涂料密度試驗(yàn)多個(gè)批次，激冷效果均不明顯。觀察金相發(fā)現(xiàn)，涂刷位置出現(xiàn)明顯的過冷D、E型石墨層，但未出現(xiàn)碳化物（白口層）。分析原因?yàn)楦材ど傲６燃?xì)（50/100），碲涂料（固含量高，粘度高，滲透性差）不易滲入，涂掛層薄，難以起到激冷作用。碲涂料在本公司另一產(chǎn)品的冷芯上應(yīng)用時(shí)，效果良好。

4.2 改進(jìn)澆冒系統(tǒng)

本產(chǎn)品采用平組立澆，因缺陷位置處于鑄件中部，難以增設(shè)頂冒口，只能增設(shè)側(cè)冒口。側(cè)冒口的補(bǔ)縮工藝在其他產(chǎn)品做過驗(yàn)證，補(bǔ)縮效果不理想，分析原因?yàn)槊翱陬i形狀不合理導(dǎo)致的難以補(bǔ)入，即補(bǔ)縮通道不暢通，以及冒口模數(shù)小或壓頭小導(dǎo)致的補(bǔ)縮不足。

此外，目前澆注系統(tǒng)為底部注入，如果在噴油器搭子處開設(shè)內(nèi)澆道，給清理澆道殘根帶來不便，而且對(duì)溫度場(chǎng)變化影響較大，可能影響鑄件冷卻條件，并進(jìn)一步影響鑄件本體性能。

5 效果

經(jīng)過內(nèi)冷鐵的應(yīng)用及鐵水成分和孕育方式的控制，該系列氣缸蓋鑄件漏水率降低80%，效果顯著。

6 總結(jié)

（1）內(nèi)冷鐵對(duì)于解決鑄鐵件熱節(jié)縮松缺陷有良好的效果，其設(shè)計(jì)的主要原則為根據(jù)鑄件本體材料選擇材質(zhì)，形狀需要綜合考慮冷卻效果、排氣、定位、熔合、成本等因素。應(yīng)用中需要注意芯組內(nèi)放置內(nèi)冷鐵后，應(yīng)盡快澆注，防止冷鐵上聚集水分導(dǎo)致鑄件產(chǎn)生氣孔[4]，而且需要定期監(jiān)控，解剖鑄件觀察內(nèi)冷鐵與鑄件間熔合情況，避免日后工藝改動(dòng)對(duì)熔合情況的影響。

（2）對(duì)于解決灰鑄鐵氣缸蓋縮松漏水缺陷，調(diào)整鐵水成分、增設(shè)冒口、優(yōu)化澆注系統(tǒng)、涂覆激冷涂料等均為可行措施，具體采取哪種手段需要根據(jù)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)、缺陷位置、澆注系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、型芯材料等鑄造工藝綜合考慮[5]。