缸體渣眼缺陷分析與解決

孫志瑞，王光見，李景峰

（上海通用東岳動力總成有限公司，山東煙臺 264006）

T 200缸體是汽車發(fā)動機的主要部件，如圖1。外形尺寸389 mm×243.5 mm×204 mm，材質牌號為H T 250.該缸體壁厚一般為5mm.進入夏季后的一段時間內，鑄件上表面主油道附近位置出現較多的缺陷，見圖2。缺陷呈散落狀分布，大小和深度不一，內腔表面不規(guī)則；嚴重時使缸體報廢，最多時達到0.5%左右。

圖1 缸體圖

圖2 缺陷圖

1 鑄造工藝

1）造型方式為氣沖式，采用濕砂型，水套芯為熱芯，其余圓棒芯曲軸箱芯端面芯均為冷芯。

2）澆注工藝：每套砂箱生產兩件缸體，曲軸箱面相對布置，水平澆注。橫澆道在兩缸體之間，由端面芯和曲軸箱芯形成。端面芯橫澆道始端安放過濾網；內澆道開在曲軸箱芯盒端面芯中間軸承座上，為中間注入式，見圖3橫澆道和內澆道。

圖3 部分澆注系統(tǒng)圖（深色區(qū)域）

3）熔煉工藝及化學成分

采用中頻爐熔煉鐵水，每爐8 t，出爐溫度1500℃±10℃.出爐時，將鐵水倒入澆包，再轉運到自動澆注機中。自動澆注機容量為10t.澆注溫度為1415℃～1430℃.

鐵水采用包內孕育.隨流孕育和型內孕育。化學成分要求如表1.

表1 化學成分要求 （質量分數，%）

2 缺陷檢測

1）制作缺陷樣品，具體見表2.

將缺陷樣品和澆注機爐壁爐渣、型砂砂眼、芯砂砂眼樣品分別放在X T L-3400型體視顯微鏡和Q U AN T E R-600掃描電鏡上觀察，其外觀形貌和微觀形貌見表2.

表2 樣品形貌

2）檢測

在掃描電鏡上分別對缸體缺陷、爐壁爐渣、型砂砂眼、芯砂砂眼四種樣品的元素含量做定性分析。

3 結果分析

3.1 檢測結果

將缺陷樣品形貌和能譜分析結果分別與其他三種樣品進行比較。

表2 是缺陷和爐壁爐渣、型砂砂眼、芯砂砂眼三種樣品在體視顯微鏡和掃描電鏡下的形貌圖片，從中可以看到缺陷表面有釉狀物質，沒有砂粒，與爐壁爐渣極為相似；型砂和芯砂砂眼缺陷則能明顯看到砂粒。

另一方面，表3～表6分別列出了缺陷和爐壁爐渣、型砂砂眼、芯砂砂眼的能譜分析結果。

從中可以看出，缸體缺陷和爐渣的元素組成基本一致，均含有C、O、Si、Mn、Al、Fe等 7種元素，說明缺陷中含有氧化物夾雜。缸體缺陷和爐渣的其他幾種元素的具體比例有些差別，是因為爐渣樣品中所含Fe元素的比例偏高，使其他幾種元素比例相應降低。

型砂缺陷的能譜顯示砂粒表面含有Na、Mg、Ca等元素，說明砂粒表面有殘余的膨潤土成分；而芯砂缺陷的能譜顯示，所含元素較少，除砂粒SiO2以外，表面還有澆注后樹脂燃燒殘余的C元素。

通過以上對比分析，可以確認，缸體的缺陷即為渣眼。

表3 缸體缺陷能譜分析結果 （質量分數，%）

表4 爐渣能譜分析結果 （質量分數，%）

表5 型砂砂眼能譜分析結果 （質量分數，%）

表6 芯砂砂眼能譜分析結果 （質量分數，%）

3.2 渣眼缺陷成因分析

渣眼屬于夾雜類缺陷。夾雜來源可分為內生夾雜物和外來夾雜物[1]。

3.2.1 回爐料、澆冒口

熔化使用的回爐料表面銹跡較多，銹中的主要成分為Fe2O3，在熔化過程中會生成FeO.

同時鐵液中的Mn和Si還會發(fā)生下列反應[2]：

由于Mn、Si的氧化燒損，使鐵液中除了存在FeO外，同時含有較多的MnO和SiO2內生夾雜物。當鐵液表面發(fā)生二次氧化時極易形成液態(tài)渣，鐵水凝固后在頂面產生渣眼廢品。

澆冒口系統(tǒng)若拋丸質量差，殘砂等物質也會使鐵水中增加夾雜物。

3.2.2 澆注設備

澆注鐵水使用自動澆注機。在長期使用過程中，因爐壁周圍所掛的爐渣較多，容易被剛入澆注機的高溫鐵液重新熔化沖進鐵水中，進入砂型。

3.2.3 澆注系統(tǒng)

該缸體實際的澆注系統(tǒng)，其澆口接近1∶1∶1.由于自動澆注機使用的柱塞直徑小于直澆口直徑，所以相當于開放式澆注系統(tǒng)。這樣的系統(tǒng)具有金屬液流速小，充型平穩(wěn)，沖刷力小的特點[3]；但在澆注過程中，澆口杯始終處于沖不滿狀態(tài)，一方面阻渣效果差，另一方面容易裹挾氣體進入鐵水，使鐵液發(fā)生二次氧化；同時，當橫澆道處于未充滿狀態(tài)時，其中的鐵液流動速度較高，紊流程度增大，使得渣上浮的阻力增大[4]，加之鐵液含渣量多時，就會有更多的液態(tài)渣或渣滓隨鐵液流入型腔，沿途不斷聚集并上浮，停留在鑄件上頂面，導致渣眼廢品。

3.2.4 泡沫陶瓷過濾網

橫澆道始端放置了SiC材質的泡沫陶瓷過濾網。這種過濾網可以有效攔截液態(tài)金屬中的夾雜物。其內部有彎彎曲曲的通道，可以機械擋渣。同時夾雜物與固態(tài)的陶瓷過濾網更具有相近的“共格對應”關系，從而易于潤滑而產生吸附[5]。但是若網孔過大，其濾渣效果就會變差。

4 改進措施

針對渣眼缺陷，加大柱塞直徑，使?jié)沧⑾到y(tǒng)呈充滿狀態(tài)，提高澆注系統(tǒng)的阻渣能力是較好的途徑，但在實際生產中會有別的問題無法避免。

因此，采取了以下措施：

1）對缸體回爐料及澆冒口進行拋丸處理，除凈表面的銹蝕和殘砂；并納入工藝進行控制，防止使用拋丸質量差的回爐料。

2）澆注機重新打結，清除干凈爐壁周圍附著的爐渣。

3）過濾片網孔變小，規(guī)格由10PPI改為20 PPI；并嚴格控制外形尺寸，減小與砂型之間的間隙，防止渣滓流進型腔。改變規(guī)格后，對過濾網入口端進行了橫向解剖，發(fā)現過濾網網架吸附的物質除了砂粒之外，渣滓等釉狀物質明顯增多。

5 總 結

采取以上措施后，缸體渣眼廢品率由0.5%降低到0.1%以下。

因此，要防止缸體渣眼廢品的產生，除了可以對澆注系統(tǒng)等工藝進行必要改進之外，提高鐵液的潔凈度，對回爐料等原材料進行拋丸，加強對澆注機壁和澆包壁附著的渣滓的清理，合理使用過濾網等措施，同樣能夠減少氧化物夾雜和渣滓，取得明顯的降廢效果。特別是夏季高溫高濕階段，回爐料等原材料銹蝕更為嚴重，更需要采取拋丸等措施。

［1］陳國楨.鑄件缺陷與對策手冊［M］.北京：機械工業(yè)出版社，2003：285.

［2］李湛偉，范洪遠，唐正華，等.氣缸套渣氣孔缺陷成因分析［J］.鑄造技術，2010（6）：742.

［3］李魁盛.鑄造工藝及原理［M］.北京：機械工業(yè)出版社，1987：483.

［4］曹文龍.鑄造工藝學［M］.北京：機械工業(yè)出版社.1989：234.

［5］曹大力，周敬一，尹國利，等.鑄造用泡沫陶瓷過濾器［J］.鑄造,2005（3）：292-295.