氣缸體鑄件裂紋產(chǎn)生原因及解決措施

杜紀(jì)柱,厲運(yùn)杰,孫志揚(yáng)

（濰柴動(dòng)力（濰坊）鑄鍛有限公司，山東濰坊 261199）

氣缸體鑄件裂紋產(chǎn)生原因及解決措施

杜紀(jì)柱,厲運(yùn)杰,孫志揚(yáng)

（濰柴動(dòng)力（濰坊）鑄鍛有限公司，山東濰坊 261199）

針對(duì)濰柴動(dòng)力生產(chǎn)的氣缸體鑄件裂紋缺陷問(wèn)題,從產(chǎn)品結(jié)構(gòu)及鑄造工藝性兩個(gè)方面分析了產(chǎn)生缺陷的原因。通過(guò)采取優(yōu)化產(chǎn)品結(jié)構(gòu)、增設(shè)熱補(bǔ)償冒口、延長(zhǎng)鑄件保溫時(shí)間等綜合措施，并借助鑄造仿真軟件Magmasoft對(duì)措施實(shí)施前后的應(yīng)力進(jìn)行了比較，通過(guò)改善有效地解決了氣缸體鑄件裂紋缺陷。

氣缸體；裂紋；熱補(bǔ)償冒口；保溫時(shí)間

氣缸體是柴油機(jī)上的關(guān)鍵件之一，濰柴動(dòng)力生產(chǎn)的某機(jī)型氣缸體鑄件整體尺寸為980 mm×400 mm×440 mm，毛坯質(zhì)量300 kg，平均壁厚6 mm，材質(zhì)為HT250，屬于典型薄壁、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、高強(qiáng)度鑄件。

該機(jī)型的氣缸體鑄件鑄造工藝由原來(lái)沖天爐熔煉、樹(shù)脂砂造型、立澆轉(zhuǎn)變成現(xiàn)在的電爐熔煉、潮膜砂造型、臥澆，鑄造工藝發(fā)生改變后鑄件裂紋是主要廢品缺陷之一，廢品率一度達(dá)到2.63%，占廢品總數(shù)的40%。

1 缸體生產(chǎn)條件與裂紋特征

該氣缸體鑄件采用HWS靜壓線濕型砂造型，冷芯盒制芯，中頻感應(yīng)熔化電爐熔煉，自動(dòng)澆注機(jī)澆注。

在鑄件加工中，發(fā)現(xiàn)該氣缸體出現(xiàn)裂紋問(wèn)題，統(tǒng)計(jì)3月份裂紋分布情況（如圖1），發(fā)現(xiàn)裂紋主要集中在氣缸體2、3、4、5缸結(jié)合面法蘭的外邊處。裂紋發(fā)生在缸孔的中心線位置且在壁厚發(fā)生變化的拐角處（如圖2），裂紋走向呈連續(xù)的曲線、從內(nèi)向外延伸，有些穿透壁厚，將鑄件沿裂紋處拋開(kāi)后，斷口呈輕微氧化色。

圖1 裂紋缺陷位置柏拉圖

圖2 裂紋缺陷外觀形狀

2 原因分析

鑄件裂紋有冷裂紋和熱裂紋。鑄件冷裂紋是在彈性變形范圍發(fā)生，常出現(xiàn)在鑄件表面，其形狀多為連續(xù)的直線或圓滑的曲線，其端口比較光潔，略帶氧化色，它是一種穿晶粒性裂紋，即裂紋是穿過(guò)晶粒內(nèi)部而延伸，其主要產(chǎn)生于鑄件上的應(yīng)力集中的部位；熱裂是在高溫凝固前形成的，鑄件表面有單條或多條裂紋，裂紋長(zhǎng)度較短，其外形多曲折且分叉，不連續(xù)，裂口具有一定的深度，而且氧化嚴(yán)重，呈暗黑色，它是一種晶界裂紋，即裂紋是沿著晶粒的晶界延伸的，屬于脆性斷裂裂紋，其最容易產(chǎn)生于鑄件熱節(jié)處[1]。

從該氣缸體鑄件裂紋的外貌看，主要是應(yīng)力集中造成的冷裂紋，根據(jù)裂紋的特征，主要從鑄件結(jié)構(gòu)及鑄造工藝[2]兩個(gè)主要方面分析產(chǎn)生裂紋的原因。

（1）產(chǎn)品結(jié)構(gòu)方面，該氣缸體結(jié)合面處的過(guò)渡圓角太小，且曲拐旋轉(zhuǎn)處壁厚太薄，兩側(cè)存在厚大結(jié)構(gòu)，尺寸變化劇烈，散熱較慢的厚壁部位與散熱較快的薄壁部位由于收縮時(shí)間不同，導(dǎo)致鑄件形成較大的內(nèi)應(yīng)力[3]，易產(chǎn)生應(yīng)力集中，增加裂紋傾向。

（2）鑄造工藝方面，裂紋位置處于上箱的最高點(diǎn)，是鐵液最后到達(dá)的地方，冷鐵液較多，裂紋產(chǎn)生時(shí)得不到鐵液的及時(shí)補(bǔ)充，而且不能達(dá)到同時(shí)凝固。同時(shí)在鑄件保溫過(guò)程中，厚實(shí)部分的塑性壓縮大，常溫下彈性拉伸的補(bǔ)償量也越大，導(dǎo)致其殘余拉應(yīng)力也越大。如果在型砂中的保溫時(shí)間較短，落砂后的鑄件在空氣中冷卻，加大厚薄溫度差，增大了殘余熱應(yīng)力，鑄件容易冷裂。

3 改進(jìn)措施

3.1 優(yōu)化產(chǎn)品結(jié)構(gòu)

優(yōu)化結(jié)合面圓角處結(jié)構(gòu)，該鑄件產(chǎn)生裂紋的端面邊緣與臨近壁的連接處圓角半徑偏小，故過(guò)渡圓角由半徑5 mm增大為半徑15 mm, 曲拐旋轉(zhuǎn)處壁厚由5 mm增大到10 mm（如圖3、4），通過(guò)結(jié)構(gòu)優(yōu)化既可以減少兩壁連接處的應(yīng)力集中，又增加了該裂紋斷面處的強(qiáng)度，使其抗裂紋能力增強(qiáng)。

借助Magmasoft鑄造仿真軟件分析看出，更改結(jié)構(gòu)前后裂紋位置最大殘余應(yīng)力點(diǎn)如圖5、圖6，更改前氣缸體鑄件側(cè)壁表面的殘余應(yīng)力為159 MPa，法蘭內(nèi)部表面的殘余應(yīng)力為182 MPa，每缸裂紋位置殘余應(yīng)力最大值在170～210 MPa；結(jié)構(gòu)更改后，側(cè)壁表面及法蘭內(nèi)部表面的殘余應(yīng)力為114 MPa，每缸裂紋位置殘余應(yīng)力最大值在140～150 MPa。裂紋處優(yōu)化結(jié)構(gòu)后，鑄件殘余應(yīng)力明顯降低。

圖3 更改前裂紋處結(jié)構(gòu)

圖4 更改后裂紋處結(jié)構(gòu)

圖5 更改前裂紋處最大殘余應(yīng)力點(diǎn)

圖6 更改后裂紋處最大殘余應(yīng)力點(diǎn)

3.2 增設(shè)熱補(bǔ)償冒口

在3、4、5、6缸孔對(duì)應(yīng)的結(jié)合面處增設(shè)熱補(bǔ)償冒口[4]，改善結(jié)合面溫度場(chǎng)分布，同時(shí)起到拉筋強(qiáng)化作用。由于溫差作用，當(dāng)先冷卻凝固的部分已經(jīng)進(jìn)入彈性收縮階段時(shí)，而冒口附件由于受到冒口熱作用較遲冷卻凝固的部分可能還處于塑性變形或半凝固狀態(tài)，從而減少收縮時(shí)的阻力，或較遲冷卻凝固部分由于先凝固部分的收縮被拉裂也可以得到冒口內(nèi)熱的金屬液體的充填，使裂紋得到消除。增加熱補(bǔ)償冒口前后，裂紋處最大殘余應(yīng)力點(diǎn)如圖7、圖8，得出鑄件在加強(qiáng)冒口根部及其周圍位置的殘余應(yīng)力變化明顯，殘余應(yīng)力減少約20 MPa，裂紋位置最大殘余應(yīng)力點(diǎn)減少10～20MPa。

圖7 增加冒口前裂紋處最大殘余應(yīng)力點(diǎn)

圖8 增加冒口后裂紋處最大殘余應(yīng)力點(diǎn)

3.3 延長(zhǎng)保溫時(shí)間

砂型是一種良好的“緩冷容器”，適當(dāng)?shù)卦黾予T件在型砂中的保溫時(shí)間，能使厚實(shí)和細(xì)薄處的溫度均勻化，減少溫度差，降低熱應(yīng)力，同時(shí)也有足夠的時(shí)間釋放應(yīng)力[5]。

圖9 保溫2.5小時(shí)的殘余應(yīng)力

圖10 保溫4小時(shí)的殘余應(yīng)力

通過(guò)應(yīng)用計(jì)算機(jī)模擬，當(dāng)2.5 h后打箱（如圖9），鑄件裂紋溫度高于共析轉(zhuǎn)變溫度，即打箱時(shí)，缸孔位置的組織還未發(fā)生共析轉(zhuǎn)變，此時(shí)鑄件處于危險(xiǎn)區(qū)域；而4 h后打箱的鑄件則不在危險(xiǎn)區(qū)域（如圖10）。因此將打箱時(shí)間延長(zhǎng)到4 h后為宜。

4 結(jié)論

（1）增加裂紋處的壁厚及過(guò)渡圓角的半徑，優(yōu)化產(chǎn)品結(jié)構(gòu)，有效的減少了裂紋處的應(yīng)力集中，應(yīng)力減少30～60 MPa。

（2）在裂紋處增加熱效應(yīng)冒口，改善結(jié)合面溫度場(chǎng)分布，并對(duì)裂紋處起到拉筋強(qiáng)化作用，殘余應(yīng)力較少了10～20MPa。

（3）延長(zhǎng)鑄件保溫時(shí)間，由2.5 h提高到4 h，保證不同壁厚處溫度的均勻化，使殘余應(yīng)力小于初始屈服應(yīng)力。

經(jīng)過(guò)以上措施的實(shí)施，通過(guò)生產(chǎn)驗(yàn)證，裂紋缺陷基本得到了解決，裂紋缺陷廢品率降到了0.3%以下，提高了鑄件產(chǎn)品的品質(zhì)。

[1] 張習(xí)志,余明，夏仁專. 鑄件裂紋的形成原因及防止方法[J].鑄造，2008(23)：64-66.

[2] 柳百成,黃天佑. 材料鑄造成型工程[M]. 北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2006,1：507-515.

[3] 葉小芳.氣缸體鑄件裂紋缺陷的消除[J].鑄造技術(shù)，2013(6)：786.

[4] 黃志光.鑄件內(nèi)在缺陷分析與防止[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2011,1：116-122.

[5] 齊建.藍(lán)擎氣缸體鑄件裂紋缺陷解決措施探討[J]. 中國(guó)鑄造裝備與技術(shù),2011(4)：36-38.

Formation reasons and solutions of crack defect for cylinder block casting

DU JiZhu，LI YunJie，SUN ZhiYang
(Weichai Power Casting & Forging Co., Ltd., Weifang 261199, Shandong,China)

The reason of the crack defect of cylinder blocks is analyzed by analyzing effect of product structure and casting process. On the basis simulating to improve before and after by Magmasoft, rate of the cylinder block casting crack defects is reduced by optimizing product structure, increasing thermal compensation riser and extending the casting time of heat preservation.

cylinder blocks；crack；thermal compensation riser；time of heat preservation.

TG245；

A；

1006-9658（2016）05-0027-03

10.3969/j.issn.1006-9658.2016.05.007

2016-02-15

稿件編號(hào):1602-1249

杜紀(jì)柱（1982—），男，工程師，主要從事發(fā)動(dòng)機(jī)缸體及缸蓋的鑄造工藝開(kāi)發(fā)及技術(shù)改進(jìn)工作.