王安家，伍啟華，喬進(jìn)國(guó)，安存國(guó)

（濰柴（濰坊）材料成型制造中心有限公司，山東 濰坊 261199）

汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)是汽車(chē)的關(guān)鍵組成部分。汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)的氣缸體、氣缸蓋鑄件的幾何形狀復(fù)雜，技術(shù)要求高，其質(zhì)量綜合反映出鑄造廠的技術(shù)水平和管理水平。本公司生產(chǎn)的WP10H 氣缸蓋由于工藝路線發(fā)生更改，為了提高生產(chǎn)效率，將以前的一箱一件工藝更改為一箱兩件，沖天爐-電爐雙聯(lián)熔煉工藝改為中頻感應(yīng)電爐熔煉工藝，生產(chǎn)中鑄造工藝發(fā)生了很大變化，導(dǎo)致在氣缸蓋排氣面位置出現(xiàn)了以前從沒(méi)出現(xiàn)過(guò)的凹陷缺陷。通過(guò)對(duì)缺陷位置的金相、化學(xué)成分、結(jié)構(gòu)等方面的分析，從熔煉工藝、造型工藝兩方面找出WP10H 氣缸蓋表面缺陷產(chǎn)生的原因并進(jìn)行改進(jìn)。

1 WP10H 氣缸蓋鑄造工藝及缺陷特征

WP10H 氣缸蓋采用的是德國(guó)進(jìn)口HWS 靜壓線濕型砂造型，三乙胺冷芯盒制芯工藝，12 t 中頻感應(yīng)熔化電爐熔煉生產(chǎn)。WP10H 氣缸蓋毛坯重量為150 kg，主要壁厚為5 mm～10 mm，材質(zhì)為HT300，采用包芯立澆工藝，一箱兩件。圖1 所示為WP10H 氣缸蓋的三維及澆注系統(tǒng)的布置模型。

圖1 WP10H 氣缸蓋三維模型

2020 年期間，生產(chǎn)的WP10H 氣缸蓋鑄件在鑄造廠內(nèi)清理過(guò)程中發(fā)現(xiàn)在氣缸蓋的排氣面上有凹陷的缺陷，缺陷的深度大小不一，鑄件排氣面處缺陷如圖2 所示。順著缺陷中心位置將鑄件切開(kāi)后缺陷處的外觀特征如圖3 所示，缺陷形貌只有一種凹陷的狀況，鑄件內(nèi)部結(jié)構(gòu)很密實(shí)，沒(méi)有任何其他缺陷特征。

圖2 WP10H 氣缸蓋排氣面缺陷

圖3 WP10H 氣缸蓋缺陷解剖照片

此缺陷在之前也曾偶有出現(xiàn)，在2020 年開(kāi)始出現(xiàn)數(shù)量較多，每天都有一定數(shù)量缺陷出現(xiàn)，通過(guò)進(jìn)行一些工藝改進(jìn)之后又零散分布出現(xiàn)，有時(shí)又集中出現(xiàn)。這種缺陷屬于直觀的缺陷，鑄件檢驗(yàn)時(shí)直接從外部就可看出，該表面為加工面，缺陷較淺的鑄件不影響使用，缺陷超過(guò)加工余量則必須報(bào)廢。

2 缺陷原因分析

對(duì)鑄件進(jìn)行觀察后發(fā)現(xiàn)，缺陷都位于澆注的上型表面，缺陷處是大小為55 mm 的熱節(jié)，缺陷部位離冒口較遠(yuǎn)，很難對(duì)該部位起到補(bǔ)縮作用，這就導(dǎo)致這個(gè)部位的熱節(jié)凝固時(shí)體積收縮得不到鐵液補(bǔ)償，使其內(nèi)部容易產(chǎn)生縮孔、縮松，使該處形成內(nèi)部壓力低于外部大氣壓的孔洞。如果鑄型和包裹砂芯剛度偏低，共晶膨脹時(shí)還會(huì)發(fā)生型壁位移使型腔和鑄件外形脹大，會(huì)使該孔洞進(jìn)一步擴(kuò)大，孔洞內(nèi)部壓力更低，更容易導(dǎo)致該部位的外殼在外部大氣壓力作用下被壓而形成縮陷缺陷[1]。要找出產(chǎn)生此缺陷的具體原因，應(yīng)該從與缺陷形成相關(guān)工藝方面進(jìn)行分析。

2.1 鑄件缺陷部位斷面成分分析

公司生產(chǎn)的其他氣缸蓋曾出現(xiàn)過(guò)類(lèi)似的缺陷，為了對(duì)鑄件的缺陷類(lèi)型進(jìn)行確認(rèn)，選取兩個(gè)鑄件缺陷位置，對(duì)鑄件缺陷斷面組織進(jìn)行理化檢測(cè)，結(jié)果如表1 所示。由表1 可見(jiàn)，鑄件金相石墨形態(tài)都是A型，珠光體含量符合鑄件工藝要求。

表1 鑄件缺陷部位組織

從缺陷外表通過(guò)肉眼判斷可能為縮陷類(lèi)缺陷，但是此缺陷存在的位置靠近外表面，不滿(mǎn)足出現(xiàn)縮松的條件。對(duì)出現(xiàn)缺陷的部位進(jìn)行成分檢測(cè)分析，檢測(cè)結(jié)果如表2 所示。從表2 可以看出化學(xué)成分中各元素含量均在工藝要求范圍內(nèi)，碳當(dāng)量在3.88%左右，和以前未出現(xiàn)此缺陷的鑄件成分幾乎一樣，并且查閱當(dāng)天熔化的所有原鐵水與生產(chǎn)鑄件化學(xué)成分也均在正常工藝要求范圍內(nèi)，沒(méi)有什么異常情況出現(xiàn)，這說(shuō)明缺陷與基礎(chǔ)成分關(guān)系不大，但是有一定的影響。

表2 鑄件缺陷部位化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%）

2.2 鑄件缺陷微觀組織分析

圖4 所示為有缺陷的缸蓋與沒(méi)有缺陷的缸蓋在同一個(gè)位置的金相照片。金相照片表明，缺陷缸蓋的石墨相對(duì)粗大；從缺陷部位的結(jié)構(gòu)可以看出，缺陷對(duì)應(yīng)鑄件部位相對(duì)厚大。無(wú)缺陷缸蓋部位的石墨形態(tài)相對(duì)正常，但是與其他部位的石墨形態(tài)相比較，還是有粗片狀與長(zhǎng)度稍長(zhǎng)的石墨存在，這是由于鑄件的厚大部位凝固冷卻速度較慢，容易產(chǎn)生粗片狀石墨。分析認(rèn)為兩種缸蓋石墨金相差異可能與冷卻速度有關(guān)，相對(duì)有縮陷的缸蓋，正常缸蓋在冷卻時(shí)，缺陷部位的冷卻速度與鑄件其他部分接近，所以不會(huì)出現(xiàn)縮陷缺陷，如果能夠改變?cè)摬课焕鋮s條件，使其凝固差異時(shí)間縮小，對(duì)該缺陷可能有一定改善。

圖4 缺陷與非缺陷斷面的金相照片

2.3 鑄件工藝分析

2.3.1 主要原輔材料影響

通過(guò)對(duì)原材料進(jìn)行排查，增碳劑的質(zhì)量可能對(duì)鑄件產(chǎn)生影響，因此對(duì)生產(chǎn)過(guò)程中增碳劑使用情況進(jìn)行分析。目前生產(chǎn)時(shí)使用不同單位的三種增碳劑，分別用A、B、C 表示，每批次都是經(jīng)過(guò)檢驗(yàn)合格才能使用，增碳劑化學(xué)成分都在公司材料要求范圍內(nèi)，對(duì)鑄件缺陷情況與增碳劑使用情況進(jìn)行對(duì)應(yīng)分析統(tǒng)計(jì)，統(tǒng)計(jì)結(jié)果如表3 所示。

表3 增碳劑使用情況表

表3 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析表明，A 單位的增碳劑使用過(guò)程中，缺陷鑄件數(shù)量偏少，B 和C 單位相對(duì)偏高。對(duì)三種增碳劑從外觀、理化結(jié)果進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)A單位的增碳劑在粒度上相對(duì)其他兩家偏細(xì)，化驗(yàn)檢測(cè)N 含量相對(duì)偏低。增碳劑的質(zhì)量對(duì)缺陷有一定的影響，增碳劑石墨化程度與N 含量是相關(guān)聯(lián)的，石墨化程度體現(xiàn)在N 含量不同，說(shuō)明缺陷可能和石墨化與氣體含量有關(guān)，材料石墨化程度高對(duì)缺陷有好處。

2.3.2 澆注溫度影響

澆注溫度的高低影響鑄件整個(gè)凝固過(guò)程，溫度偏高冷卻偏慢，對(duì)鑄件厚大部位的影響更大。溫度偏高時(shí)，鑄件各部位冷卻速度不一樣，由于液相凝固過(guò)程中產(chǎn)生體積收縮，厚大部位冷卻偏慢，液態(tài)狀態(tài)持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)，厚大部位的鐵水需要去補(bǔ)充其他部位，可能導(dǎo)致產(chǎn)生缺陷。圖5 為有缺陷缸蓋的澆注溫度分布區(qū)間。

圖5 缺陷缸蓋澆注溫度區(qū)間分布

圖5 中產(chǎn)生缺陷缸蓋的澆注溫度主要分布在1 415 ℃～1 430 ℃之間，在澆注溫度的上限，正常生產(chǎn)時(shí)缸蓋的澆注溫度分布比較均勻，缺陷缸蓋澆注溫度相對(duì)正常澆注溫度偏高。澆注溫度是鑄件充型凝固過(guò)程的一個(gè)關(guān)鍵影響因素，較高的澆注溫度提高鐵液流動(dòng)性，增強(qiáng)其充型能力，但澆注溫度直接影響液態(tài)收縮體積的大小，澆注溫度較高時(shí)，鐵液液態(tài)收縮體積大，且液態(tài)收縮在石墨化膨脹之前，存在一定的時(shí)間差，冷卻差異較大的鑄件不能利用石墨化膨脹來(lái)彌補(bǔ)液態(tài)收縮體積差[2]，因此容易產(chǎn)生縮陷缺陷。

2.3.3 碳當(dāng)量影響

灰鐵鑄件在后期凝固過(guò)程中發(fā)生共晶轉(zhuǎn)變，在共晶轉(zhuǎn)變過(guò)程中，石墨析出發(fā)生石墨化膨脹，整個(gè)過(guò)程體積膨脹可以彌補(bǔ)液態(tài)收縮時(shí)的收縮量，如果石墨析出后產(chǎn)生的膨脹不足以彌補(bǔ)前期收縮量，就會(huì)出現(xiàn)縮陷缺陷。碳當(dāng)量的大小影響鑄件的石墨析出量，表4 所示為缺陷鑄件與非缺陷鑄件的碳當(dāng)量值。

表4 缺陷與非缺陷鑄件碳當(dāng)量值

從表4 中可以看出有缺陷的碳當(dāng)量平均值為3.864%，無(wú)缺陷的鑄件碳當(dāng)量平均值為3.904%，整體上有缺陷的鑄件碳當(dāng)量低于無(wú)缺陷的鑄件，但是也有數(shù)值相近的鑄件，說(shuō)明碳當(dāng)量是影響鑄件缺陷的一方面原因。

2.3.4 砂芯與砂型剛度的影響

鑄件生產(chǎn)采用包芯工藝，整個(gè)產(chǎn)品充型過(guò)程是在砂芯內(nèi)進(jìn)行，砂型將砂芯緊緊包裹，包芯砂芯與砂型的剛度是保證產(chǎn)品質(zhì)量的重要因素。上下兩個(gè)砂芯的結(jié)合程度影響整個(gè)砂芯剛度，設(shè)計(jì)時(shí)兩個(gè)上下砂芯之間有八個(gè)螺栓進(jìn)行連接，在實(shí)際生產(chǎn)中，為了減少工作量與降低成本，應(yīng)用了六根螺栓進(jìn)行緊固，如圖6 所示。金屬液凝固時(shí)產(chǎn)生液態(tài)收縮，此時(shí)冒口內(nèi)鐵水能進(jìn)行一定的補(bǔ)充，在凝固時(shí)發(fā)生膨脹，一部分補(bǔ)縮前期的收縮，一部分對(duì)包裹的砂芯和型砂產(chǎn)生膨脹力[3]。芯與砂型剛度不夠可能會(huì)導(dǎo)致砂芯不緊密，在鑄件凝固過(guò)程中，石墨析出產(chǎn)生的膨脹力容易將兩個(gè)砂芯脹開(kāi)，鐵水有可能外溢導(dǎo)致鐵水量不足，鐵液的補(bǔ)充只能靠鑄件上部尚未凝固的熱節(jié)部位供給，熱節(jié)內(nèi)部的液態(tài)鐵液部分被抽走，當(dāng)鑄件整體已凝固成牢固的硬殼，則在鑄件內(nèi)部形成封閉式縮孔和縮松，假如頂部已結(jié)成有一定塑性的薄殼，鑄件外觀形成縮陷[4]。

圖6 缸蓋包芯組裝圖

2.3.5 結(jié)構(gòu)影響

缺陷部位相比其他部位厚大是該處結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，如圖7 所示。對(duì)該缸蓋整個(gè)排氣面結(jié)構(gòu)進(jìn)行比較，整個(gè)排氣面上平均分布有溝槽，有溝槽的位置沒(méi)有缺陷的產(chǎn)生，缺陷正好處在溝槽結(jié)構(gòu)不一致的地方。分析該處鐵水量相對(duì)其他位置偏多，在凝固時(shí)相對(duì)其他位置而言，冷卻速度相對(duì)偏慢，該處鐵水容易向別處補(bǔ)縮。

圖7 缸蓋排氣面結(jié)構(gòu)

3 應(yīng)對(duì)措施及效果

通過(guò)對(duì)可能出現(xiàn)表面縮陷缺陷的原因進(jìn)行分析，在生產(chǎn)中采取了以下幾方面措施：

1）加強(qiáng)電爐熔煉的原材料質(zhì)量控制，特別是增碳劑的質(zhì)量，消除一切可能提高鐵水收縮特性與氣體含量的潛在因素；廢鋼質(zhì)量加強(qiáng)監(jiān)控，不用銹蝕嚴(yán)重、薄壁廢鋼；增碳劑實(shí)行批次檢查，嚴(yán)控增碳劑含氮量；適當(dāng)調(diào)整廢鋼配料比例，降低原鐵水中氣體含量。

2）適當(dāng)調(diào)整澆注溫度。缸蓋結(jié)構(gòu)復(fù)雜，過(guò)高的澆注溫度會(huì)引起液態(tài)收縮增加，凝固過(guò)程偏慢，鐵液不容易補(bǔ)縮，容易產(chǎn)生缺陷。根據(jù)該產(chǎn)品特征，將澆注溫度由原來(lái)的1 410 ℃～1 430 ℃調(diào)整至1 400 ℃～1 420 ℃之間，提高冷卻速度，降低缺陷出現(xiàn)概率。

3）優(yōu)化鐵液碳當(dāng)量。利用鐵液凝固過(guò)程中石墨形成后體積膨脹來(lái)彌補(bǔ)收縮，提高碳當(dāng)量能夠盡可能多地增加共晶石墨析出量，提高提高鐵水流動(dòng)性，增強(qiáng)補(bǔ)縮能力，將鐵液碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)控制在3.30%～3.40%之間，碳當(dāng)量控制在3.90%～3.97%之間，對(duì)鑄件縮陷缺陷有所改善。

4）砂芯剛度的提升。砂芯剛度是非常重要的因素，在原來(lái)六根把緊螺栓基礎(chǔ)上增加兩根，通過(guò)八根把緊螺栓，將上下兩個(gè)砂芯剛度加強(qiáng)，再通過(guò)型砂強(qiáng)度的增強(qiáng)來(lái)保證整個(gè)鑄型剛度，減少縮陷缺陷的發(fā)生。

5）優(yōu)化缸蓋結(jié)構(gòu)。對(duì)排氣面產(chǎn)生差異的位置進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，如圖8 所示。在保證不影響產(chǎn)品性能的前提下，將容易出現(xiàn)缺陷的位置結(jié)構(gòu)進(jìn)行更改，增加溝槽，盡可能減少結(jié)構(gòu)差異，保證凝固過(guò)程的一致性，減少缺陷發(fā)生。

圖8 缸蓋結(jié)構(gòu)優(yōu)化

4 結(jié)論

WP10H 氣缸蓋排氣面出現(xiàn)的凹陷缺陷主要是由于補(bǔ)縮不足引起的縮陷。通過(guò)對(duì)WP10H 氣缸蓋生產(chǎn)過(guò)程中原材料、碳當(dāng)量、澆注溫度、結(jié)構(gòu)、砂芯強(qiáng)度等方面進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)，可有效預(yù)防WP10H 氣缸蓋排氣面凹陷缺陷的產(chǎn)生，保證鑄件質(zhì)量。