陳俞銘，林志斌，陳俊星

（柳州五菱柳機(jī)動力有限公司，廣西 柳州 545005）

0 引言

鑄造成型是制造復(fù)雜零件最常用的方法。中國雖然已是一個鑄造大國，但還不是鑄造強(qiáng)國，還有大量的小鑄造廠，設(shè)備落后，技術(shù)力量薄弱[1]。中國鑄造想要適應(yīng)時代發(fā)展的需求，想要有更大的發(fā)展空間，就必須由鑄造大國向鑄造強(qiáng)國轉(zhuǎn)變，不斷提高鑄造裝備技術(shù)，提高鑄件生產(chǎn)工藝水平，從而提高鑄件的產(chǎn)品質(zhì)量和附加值。降低鑄造成本和擴(kuò)大鑄件的應(yīng)用范圍，消除鑄造缺陷是極其重要的一環(huán)。根據(jù)缺陷的形貌特征，我國將鑄件缺陷分為八類：多肉類缺陷，孔洞類缺陷，裂紋、冷隔類缺陷，表面缺陷，殘缺類缺陷，形狀及重量差錯類缺陷，夾雜類缺陷，性能、成分、組織不合格[1]。鑄造缺陷中大部分缺陷都是孔洞類缺陷，而孔洞類缺陷主要有氣孔、砂孔、縮孔。而氣孔又是孔洞類缺陷中最多的，且是讓鑄造工作者頭疼的難于完全解決的問題。氣孔按形成原因，分為卷入氣孔、侵入氣孔、反應(yīng)氣孔、析出氣孔[1]。

1 汽車發(fā)動機(jī)缸體的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及制造工藝

筆者所在的公司的鑄造工藝為潮模砂靜壓造型，覆膜砂熱芯盒制芯，感應(yīng)電爐熔煉鐵水，保溫爐澆注，同時采用在熔煉爐出鐵水時進(jìn)行包內(nèi)孕育和澆注時進(jìn)行隨流孕育的孕育工藝。本方案探討的缸體材料牌號為HT 250，屬于直列4缸。缸體結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，壁厚差較大，壁厚3.5～30 mm，輪廓尺寸為335 mm×258 mm×322 mm，鑄件重量約32 kg，鑄件結(jié)構(gòu)如圖1所示。根據(jù)造型線設(shè)計(jì)一型四件，水平分型，臥澆底注加軸承進(jìn)水的澆注工藝。

圖1 缸體結(jié)構(gòu)

2 生產(chǎn)出現(xiàn)的問題

該缸體結(jié)構(gòu)上在后端面位置存在一個凸起的法蘭，采用臥式澆注時，該位置是缸體的最高點(diǎn)，是最后充型位置，同時該位置還是一個孤立的凸起點(diǎn)，是一個容易形成氣孔的風(fēng)險區(qū)域。因此在工藝設(shè)計(jì)時，在該區(qū)域增設(shè)了一個壓邊的小溢流冒口，冒口體積為12 cm3，如圖2和圖3所示。生產(chǎn)時缸體后端面法蘭高點(diǎn)處出現(xiàn)孔洞類缺陷，而且概率很大，氣孔率達(dá)到了約3.51%，嚴(yán)重影響了正常生產(chǎn)。取缺陷樣件進(jìn)行電鏡分析，孔洞內(nèi)壁光滑，無夾砂等異物（圖4、圖5）。對孔洞及本體進(jìn)行電鏡能譜分析，發(fā)現(xiàn)孔洞內(nèi)（譜圖1、譜圖2、譜圖3）較鑄件本體（譜圖4）富含O元素，（見圖3及表1），O元素是由外來氣體帶來的元素，同時孔洞內(nèi)還有少量Al元素，這是由臟鐵水帶來的渣，綜合分析最后判定該缺陷為氣孔，缺陷位置如圖6所示。該位置出現(xiàn)氣孔概率見表2。

圖2 溢流冒口三維圖示

圖4 缺陷電鏡圖示

表1 能譜分析

圖5 缺陷能譜分析區(qū)域

圖6 缺陷位置照片

表2 發(fā)生氣孔比例

3 問題解決方案

3.1 氣孔形成的原因

氣孔由氣體而生成，生成氣孔的氣體主要是CO、CO2、H2、O2、N2等。氣體主要來自3個方面，即來自金屬、造型制芯材料和大氣[1]。鐵液熔煉過程中會吸收大氣氣體，同時加入的各種添加劑也會帶入氣體進(jìn)入鐵液中；澆注前型腔中原有的部分氣體在澆注過程中或澆注后進(jìn)入鐵液內(nèi)部；被鐵液烘烤的造型材料和與鐵液直接接觸的砂型表層和砂芯發(fā)出的氣體部分會進(jìn)入鐵液，特別是一些被鐵液大部分包圍的厚大砂芯，砂芯表層與鐵液接觸產(chǎn)生的氣體進(jìn)入鐵液的阻力要比穿過厚大的砂層進(jìn)入排氣通道要小得多，而這些氣體多半是要進(jìn)入鐵液的。因此鐵液中肯定是會存在氣體的，即使數(shù)量不多，如果不能排出，就會在鑄件表層或內(nèi)部形成氣孔。根據(jù)氣孔的大小可以看出，形成氣孔并不需要很多的氣體；反之，鐵液內(nèi)部即使氣體量較多，如果能夠在鑄件凝固前排出，鑄件形成氣孔的風(fēng)險就會大大降低。氣體在金屬中溶解度，隨溫度下降而急劇減少。例如，純鐵中N2的溶解度在1100℃時為20.5 cm3/100g，在750℃時只有0.3 cm3/100g。H2的溶解在1 000℃時為5.5 cm3/100g，而在300℃時，只有0.16 cm3/100g。當(dāng)鐵液從液態(tài)變?yōu)楣虘B(tài)時，由于溶解度的原因，氣體向鑄件較高溫度區(qū)域擴(kuò)散，因此一般氣孔多存在鑄件最后凝固的厚大孤立位置。

3.2 缺陷分析

氣孔出現(xiàn)在缸體后端面最高點(diǎn)的厚大法蘭位置，該位置尺寸22.5 mm×35 mm（一般壁厚4 mm），是屬于最后凝固的厚大孤立位置。充型結(jié)束后，鐵液中的氣體析出聚集在一起形成氣泡，在鐵液內(nèi)部壓力的作用下，向高溫區(qū)域的液體表面運(yùn)動；如果液面沒有障礙，可以順利排出液面，就不會形成氣孔。如果鐵液表面開始凝固形成氧化膜，就會阻礙氣泡排出，鑄件凝固后就會形成氣孔[2]。由于缸體后端面最高點(diǎn)的厚大法蘭位置，是一個高溫區(qū)域及氣體最終的聚集點(diǎn)，而該位置表面又先于氣體排出完前開始凝固形成了氧化膜，阻礙氣體排出，最終形成了氣孔，造成鑄件報廢。

3.3 改進(jìn)對策

一般解決氣孔問題，最有效的方式就是調(diào)整澆注系統(tǒng)或提高澆注溫度，但是這兩個鑄造工藝參數(shù)是不能輕易改動的。如果改了澆注系統(tǒng)，也就是整個鑄件的鐵水流場就改變了，提高了特定區(qū)域的溫度，解決了該位置氣孔問題，但是另外區(qū)域有可能產(chǎn)生氣孔、砂孔、縮松等缺陷；如果通過提高澆注溫度的形式解決該位置氣孔問題，又有可能造成缸體產(chǎn)生縮松、石墨粗大、燒結(jié)等其他問題。因此針對該缸體后端面最高點(diǎn)的厚大法蘭位置的氣孔問題，結(jié)合本廠的鑄造裝備及鑄造工藝特點(diǎn)，我們首先考慮的是從溢流方面制定相應(yīng)的改進(jìn)措施：

（1）方案1：增加溢流塊體積，體積由原12 cm3改為50 cm3，如圖7所示；

圖7 方案1

（2）方案2：溢流塊體積不變，改變溢流方式，由側(cè)邊溢流改為頂部溢流，如圖8所示；

圖8 方案2

（3）方案3：增加溢流塊體積，體積由原12 cm3改為50 cm3，改變溢流方式，由側(cè)邊溢流改為頂部溢流，如圖9所示。

圖9 方案3

3.4 模擬分析

使用模擬軟件對制定的3個方案與原方案在相同設(shè)定參數(shù)下同時進(jìn)行模擬分析，并在缸體產(chǎn)生氣孔位置設(shè)置虛擬傳感器，監(jiān)控模擬過程中該位置的溫度變化，模擬分析工藝如圖10。設(shè)定初始澆注溫度為1420℃，模擬充型結(jié)束時間為11 s。根據(jù)圖11的不同溢流方案下傳感器的溫度曲線可知道冒口在10.5 s時開始充型，原冒口方案缸體形成氣孔位置最高溫度1333℃，缸體該位置冷卻速度較快，在18.9 s時溫度冷卻到液相線溫度1236℃；方案1缸體產(chǎn)生氣孔位置最高溫度1336℃，在19.5 s時溫度冷卻到液相線溫度；方案2缸體產(chǎn)生氣孔位置最高溫度1340℃，在20.1 s時溫度冷卻到液相線溫度；方案3缸體產(chǎn)生氣孔位置最高溫度1341℃，在20.9 s時溫度冷卻到液相線溫度；根據(jù)圖12對比原溢流冒口方案與方案3，可以看到充型15 s時，方案3發(fā)生氣孔區(qū)域的鐵水溫度要比原方案高（顏色越接近紅色溫度越高）。

圖10 模擬布局及充型15 s時的溫度場

圖11 充型15 s時原方案與方案3的溫度場對比

圖12 不同溢流冒口方案傳感器溫度曲線

對比3個方案，方案3缸體易產(chǎn)生氣孔位置充型結(jié)束后溫度最高，根據(jù)溫度變化曲線可以看到，冷卻速度最慢，鐵水需要較長時間才冷卻液相線溫度開始凝固，鑄件表面才會形成氧化膜，阻礙鐵水內(nèi)部氣體的排出。

3.5 驗(yàn)證效果

為解決該問題，我們按方案順序分別對下面3個方案進(jìn)行了驗(yàn)證，驗(yàn)證結(jié)果見表3。

表3 驗(yàn)證結(jié)果

經(jīng)驗(yàn)證，單純的增加溢流塊體積，并不能很好的解決該氣孔問題；單純的溢流口由側(cè)邊溢流改為頂部溢流方式，也不能完全解決該氣孔問題；最后疊加了兩個方案，增加了溢流塊體積并同時將溢流口由側(cè)邊溢流改為頂部溢流，基本解決了該位置氣孔問題。

4 結(jié)語

對于HT250材質(zhì)的汽車發(fā)動機(jī)缸體在生產(chǎn)過程中出現(xiàn)氣孔問題，在澆注系統(tǒng)及澆注溫度不能輕易改動的條件下，可以用以下的方式進(jìn)行解決：將溢流口從側(cè)邊改為頂部，若是還不能完全解決，可以增加溢流塊的體積。氣體在鐵水內(nèi)部的運(yùn)動是往壓力小的方向運(yùn)動，溢流口開設(shè)在本體的頂部，更有利于往上運(yùn)動的氣體進(jìn)入溢流冒口；溢流口開設(shè)在本體的頂部，可以較好的對鑄件進(jìn)行保溫，降低鐵液的冷卻速度，延緩氧化膜形成的時間，有利于鐵液中氣體的排出；加大溢流塊體積，可以聚集更多的臟冷鐵水，一般前面的臟冷鐵液中包含較多的氣體及雜質(zhì)，將這些東西都排到溢流塊中，可以讓鑄件本體的鐵液更純凈，降低本體形成氣孔及渣孔的風(fēng)險，同時大溢流冒口降溫速度慢，保溫效果更好，也更有利于對鑄件本體表面的保溫，延緩鑄件本體表面氧化膜的形成，為鐵液中的氣體排出爭取時間，從而降低產(chǎn)生氣孔的風(fēng)險。