缸套離心鑄造缺陷與控制

(石家莊金剛內(nèi)燃機(jī)零部件集團(tuán)有限公司)

1 概述

缸套離心鑄造是目前大型企業(yè)普遍采用的主要毛壞成型方式。這種成型方式與砂型相比，有效提高了產(chǎn)品基體的致密程度，基體性能得到較大幅度提高。這種成型方式比砂型成型的缺陷種類(lèi)要少許多，但是也存在一些缺陷。

主要的鑄造過(guò)程缺陷有:石墨形態(tài)異常、小頭料硬和氣孔等。這些缺陷產(chǎn)生在鑄造過(guò)程中的不同階段。這些缺陷的存在會(huì)導(dǎo)致成品率低，生產(chǎn)成本高;如果缺陷不能發(fā)現(xiàn)，會(huì)在使用中產(chǎn)生惡性失效，甚至導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)不可修復(fù)的損壞。所以，研究這些缺陷的形成機(jī)理和控制措施具有重要的意義。

本文將針對(duì)不同的缺陷模式的產(chǎn)生原因以及消除措施方面進(jìn)行相關(guān)的論述。

2 石墨形態(tài)異常的產(chǎn)生原因與控制

缸套生產(chǎn)所用的灰鑄鐵，其金相組織主要為片狀石墨、金屬基體和晶間共晶物。性能優(yōu)良的缸套鑄鐵材料特別強(qiáng)調(diào)要具備均勻無(wú)方向性分布的片狀石墨;其對(duì)金屬基體的割裂作用較小、機(jī)械強(qiáng)度高;就是通常所說(shuō)的六種石墨形態(tài)中的A型石墨。這是我們?cè)诋a(chǎn)品中希望得到的。實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中，由于諸多因素的影響，會(huì)形成各種其他有害的石墨形態(tài) (B、C、D、E、F型)。要求不嚴(yán)格的產(chǎn)品，除了D、E允許少量存在外，其它類(lèi)型一般不允許在缸套中存在。

為了得到理想的A型石墨并控制其長(zhǎng)度，需要加入適量的孕育劑。孕育劑的種類(lèi)比較多，目前常用的孕育劑是硅鋇。其主要作用機(jī)理是，孕育劑中的硅、鋇等活潑的堿金屬與鐵水中的氧、硫有很強(qiáng)的親和力，形成氧化物和硫化物，它們的晶格類(lèi)型、晶格常數(shù)與石墨相類(lèi)似，可以作為石墨形核的基底，促進(jìn)石墨化。

如果孕育劑加入量不足，生成的結(jié)晶核數(shù)量太少，會(huì)造成石墨在少量的結(jié)晶核反復(fù)聚集長(zhǎng)大而形成其它石墨類(lèi)型，如D、E和B型。同時(shí)，如果鐵水中的氧、硫含量過(guò)低，也同樣會(huì)造成結(jié)晶核太少。所以說(shuō)，結(jié)晶核的形成，不但依賴于孕育劑的量，也依賴于鐵水中的氧、硫含量。生產(chǎn)中，要注意進(jìn)行雙向控制。

如果孕育劑加入量過(guò)大，形成碳硅當(dāng)量過(guò)高;同時(shí)，氧、硫量也充足時(shí)，形成的結(jié)晶核過(guò)于密集，有些結(jié)晶核之間會(huì)自連成片或團(tuán)狀，反而會(huì)造成A型石墨的粗大和分布不均勻。可能形成C型石墨和F型石墨。這些狀態(tài)的出現(xiàn)都會(huì)使得材料性能下降。

C型石墨也要防止原材料的遺傳性帶入。這種帶入，主要是使用的原材料本身存在C型石墨。在鐵水溫度和保溫時(shí)間不足時(shí)，C型石墨沒(méi)有完全消融;鑄造凝固過(guò)程中，沒(méi)有消融的石墨小團(tuán)塊成為結(jié)晶核，從而再次形成C型石墨。所以，當(dāng)發(fā)生C型石墨形態(tài)時(shí)，有必要對(duì)原材料進(jìn)行金相檢驗(yàn)。

過(guò)冷度對(duì)A型石墨長(zhǎng)度和數(shù)量都是有影響的，過(guò)冷度大會(huì)造成石墨長(zhǎng)度的減小和石墨析出不足。同時(shí)，未及時(shí)析出的石墨也容易形成白口鑄鐵。所以，對(duì)模溫的控制也不可忽視，適當(dāng)提高模具的溫度可使這一狀況得到改良。

以上是主要方面。另外，孕育劑的粒度、鉛等微量元素的存在、澆鑄過(guò)程中高溫保持時(shí)間過(guò)長(zhǎng)等也都會(huì)對(duì)石墨形態(tài)產(chǎn)生影響。因此，需要綜合考慮，針對(duì)缺陷表現(xiàn)對(duì)工藝過(guò)程和工裝溫度狀態(tài)進(jìn)行參數(shù)控制。

3 小頭料硬的產(chǎn)生原因與控制

材料方面的原因。當(dāng)孕育劑加入不足，鐵水中的碳硅當(dāng)量過(guò)低時(shí)，冷速會(huì)明顯加快。反映到冷卻曲線上，加大了曲線的陡度。這樣一來(lái)，石墨化還沒(méi)有充分到位時(shí)，已經(jīng)進(jìn)入低溫區(qū)，形成FeC，從而導(dǎo)致料硬的產(chǎn)生。所以，要嚴(yán)格控制孕育劑的加入量。

孕育劑粒度的影響。粒度過(guò)大時(shí)，在鐵水中溶解的速度變慢，結(jié)晶核形成過(guò)少，石墨化進(jìn)程變慢，導(dǎo)致石墨無(wú)法充分析出，從而在冷卻后期形成過(guò)多的FeC，產(chǎn)生料硬。粒度過(guò)小時(shí)，要防止與空氣的接觸;細(xì)小的孕育劑與空氣接觸面積增大，加快了孕育劑氧化速度，形成塊狀氧化物，這一方面會(huì)形成結(jié)晶核數(shù)量減少，出現(xiàn)FeC性的料硬，另一方面這些氧化物團(tuán)聚后，還會(huì)形成硬質(zhì)核性料硬。所以，要對(duì)孕育劑的粒度進(jìn)行篩選，選定適合自己企業(yè)生產(chǎn)工藝過(guò)程的孕育劑粒度。

冷卻速度方面的原因。冷速過(guò)快，石墨化還不充分時(shí)，進(jìn)入凝固后期，形成過(guò)多的FeC，產(chǎn)生料硬。這一方面要減少兩次澆鑄過(guò)程之間的時(shí)間間隔，控制冷卻放水時(shí)間來(lái)對(duì)控制模具的溫度進(jìn)行控制，減少溫度梯度，避免形成大的過(guò)冷度。另一方面，要根據(jù)氣候變化對(duì)涂料的形成厚度進(jìn)行適量調(diào)整。在拔模度過(guò)大的模具上，防止小頭涂料不足或厚度不足，可以車(chē)出螺旋紋或者進(jìn)行滾花處理，以增強(qiáng)小頭的涂料厚度又不影響出模。

4 氣孔的形成與控制

氣孔主要有兩類(lèi)，一類(lèi)是篩狀氣孔，在產(chǎn)品基體中均勻分布，一般不大于0.5毫米;另一類(lèi)是皮下氣孔，主要存在于零件表皮下，一般大于2毫米。氣孔形成主要來(lái)源鑄造過(guò)程中鐵液中氣體的析出和涂料中氣體的產(chǎn)生。離心鑄造還與順序凝固的控制有很大的關(guān)系。

鐵液中有溶解的氫、氧、氮等氣體，其中的部分氧會(huì)與鐵液中的硅發(fā)生反應(yīng)，形成結(jié)晶核。其余的氧、氫和氮會(huì)在鐵液凝固過(guò)程中析出，其析出速度與鐵液溫度有很大的關(guān)系。當(dāng)鐵液溫度較低時(shí)，析出的氣體不能及時(shí)排出鑄件，就會(huì)滯留在鑄件中，形成篩狀氣孔。另外，所用的涂料中的殘余水份和有機(jī)質(zhì)在鑄造過(guò)程中的分解也會(huì)產(chǎn)生氣體，這些氣體也要通過(guò)鐵液而浮出鑄件。如果發(fā)氣過(guò)程較久，當(dāng)鐵液已經(jīng)粘稠時(shí)，這些氣體不能及時(shí)浮出，也會(huì)滯留鐵液中，一起凝固。從而形成篩狀氣孔。針對(duì)以上情況，以下因素要得到有效控制。首先，鐵液溫度必須足夠高，以保證氣體在鑄件凝固前能全部析出或溢出。其次，模具溫度要足夠，否則與模具接觸部分快速凝固，導(dǎo)致鑄件這部分氣體滯留在基體內(nèi)形成氣孔。第三，涂料必須使用經(jīng)過(guò)高溫?zé)坪蟮氖炝?，提前把有機(jī)質(zhì)分解，減少或避免在鑄造過(guò)程中出現(xiàn)分解發(fā)氣。同時(shí)，在運(yùn)輸和貯存過(guò)程中，要避免有機(jī)質(zhì)的再次混入性污染。

皮下氣孔主要與順序凝固關(guān)系密切。離心鑄造中，凝固主要會(huì)從兩方面展開(kāi)，一是外圓 (也就是模具部位)向零件內(nèi)部凝固，二是內(nèi)孔向零件內(nèi)部凝固，最后形成的補(bǔ)縮帶在接近內(nèi)孔的地方。外圓與模具接觸，內(nèi)孔與空氣接觸，澆鑄后，外圓和內(nèi)孔開(kāi)始同時(shí)冷卻。外圓由于模具導(dǎo)熱快，冷卻速度和凝固速度也快;內(nèi)孔與空氣接觸，冷卻的速度比較慢，凝固速度也比外圓慢。同時(shí)，由于氣和渣相對(duì)于鐵液密度小很多，在離心力作用下，氣和渣只能向內(nèi)孔表面移動(dòng)。較晚出現(xiàn)的氣和渣，由于內(nèi)孔表面的凝固，氣體和渣物無(wú)法穿過(guò)凝固區(qū)到達(dá)內(nèi)孔表面，從而形成內(nèi)孔表面下的渣孔區(qū)。我們希望的是，補(bǔ)縮帶縮松、氣孔和各類(lèi)渣物越接近內(nèi)孔表面越好。

如果外圓凝固的速度太慢，會(huì)使補(bǔ)縮帶、氣孔和渣物帶向內(nèi)部移動(dòng)，導(dǎo)致機(jī)加工后表現(xiàn)為皮下氣孔。這種情況就需要采取放水來(lái)加快模具的冷卻速度，迫使補(bǔ)縮帶和孔渣帶向內(nèi)孔表面偏移。

如果鐵液溫度過(guò)低，會(huì)降低與周?chē)鷤鲗?dǎo)物質(zhì)的溫度差，帶來(lái)的影響是改變了原來(lái)的外圓和內(nèi)孔凝固速度。外圓凝固速度下降的比例要大于內(nèi)孔凝固速度的下降比例，這樣，也會(huì)導(dǎo)致補(bǔ)縮帶和孔渣帶基體內(nèi)部移動(dòng)。同樣也會(huì)導(dǎo)致皮下 氣孔的產(chǎn)生。所以，保持足夠的澆鑄溫度，也是消除皮下氣孔的有效措施。

5 結(jié)論

鐵水的溫度、孕育劑的加入量以及顆粒度、模具溫度控制、涂料的質(zhì)量和在模具上的附著情況都會(huì)對(duì)石墨形態(tài)、小頭料硬、以及氣孔產(chǎn)生重要的影響。不同廠家的設(shè)備、工裝都存在差異，不可照搬其它廠家的工藝參數(shù)，但是，原理性的東西還是相同的，要根據(jù)自己的實(shí)際情況實(shí)驗(yàn)性地對(duì)以上各種參數(shù)進(jìn)行確定，以便形成穩(wěn)定而有效的工藝操作指導(dǎo)方案。

〔1〕子澍《灰鑄鐵中石墨形態(tài)分級(jí)及其特點(diǎn)》，北京工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院。

〔2〕楊永錄張緒國(guó)宋巖李朝峰牟軍《灰鑄鐵組織中不良石墨形態(tài)的金相分析及質(zhì)量改進(jìn)》，一拖鑄造有限公司。