65D缸體冷隔缺陷的控制

王永志，黃健明，杜利峰

（一汽鑄造有限公司鑄造一廠，吉林長春　130062）

65D缸體冷隔缺陷的控制

王永志，黃健明，杜利峰

（一汽鑄造有限公司鑄造一廠，吉林長春130062）

針對65D發(fā)動(dòng)機(jī)缸體鑄件的冷隔缺陷，進(jìn)行了原因分析。并通過試驗(yàn)逐個(gè)排查，最終確定原因所在。通過澆注系統(tǒng)優(yōu)化、壁厚補(bǔ)正和增加鑄型排氣面積的措施，使冷隔缺陷由2014年的2.435%下降至2015年的0.52%，效果顯著。同時(shí)，在其他缸體類鑄件上推廣也收效明顯。

缸體；冷隔；澆注系統(tǒng)；壁厚；排氣面積

我廠主要生產(chǎn)發(fā)動(dòng)機(jī)缸體、后橋、減速器、剎車鼓等車用鑄件，分為灰鐵和球鐵鑄件，年生產(chǎn)能力15萬噸，我廠01線是專門生產(chǎn)缸體類鑄件的生產(chǎn)線之一。65D缸體（如圖1所示）是01線主要產(chǎn)品之一，鑄件凈重143 kg，為BF4M2012系列發(fā)動(dòng)機(jī)缸體毛坯鑄件。BF4M2012系列發(fā)動(dòng)機(jī)為4L排量直列4缸水冷干式缸套發(fā)動(dòng)機(jī)，最大扭矩493 N·m，歐Ⅲ排放標(biāo)準(zhǔn)，主要應(yīng)用于輕卡和工程機(jī)械上，年產(chǎn)量約3萬臺(tái)。

圖165D缸體鑄件

生產(chǎn)65D缸體采用傳統(tǒng)潮模砂臥澆工藝，一箱2件（如圖2所示）。砂芯全部采用冷芯單機(jī)制芯，曲軸箱芯與端面砂芯組芯后涂料，水套芯一次涂料后與頂蓋芯組芯后再二次涂料，曲軸箱芯組與水套芯組配套經(jīng)機(jī)動(dòng)輥道送至造型線。造型線為德國KW靜壓造型線，設(shè)計(jì)生產(chǎn)效率為60型/h，砂型不噴涂料，曲軸箱芯組與水套芯組經(jīng)人工吊運(yùn)至組芯夾具內(nèi)組芯，使用下芯機(jī)進(jìn)行下芯。熔化采用中頻爐熔煉，鐵水經(jīng)孕育后倒入氣壓保溫澆注爐內(nèi)進(jìn)行澆注，澆注時(shí)采用隨流孕育。

圖265D缸體型板

1　65D缸體冷隔問題

統(tǒng)計(jì)2014年65D缸體生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的廢品（如表1所示），其中主要廢品就是冷隔，約占總廢品的31%，而其產(chǎn)生位置全部集中在鑄件下箱面，其中又以下箱大平面的3處凹坑位置最為集中（如圖3所示）；而且我廠生產(chǎn)65D缸體2014年冷隔單項(xiàng)廢品率高達(dá)2.435%，（如表2所示），所以2015年我廠將冷隔缺陷的控制作為65D缸體的主要攻關(guān)方向。

表1　2014年65D缸體廢品分布（%）

圖3　65D缸體冷隔缺陷集中位置

表2　65D缸體2014年廢品統(tǒng)計(jì)

2　冷隔原因分析

2.1定義和特征

冷隔表現(xiàn)為鑄件上穿透或不穿透的縫隙，邊緣呈圓角狀，由充型金屬流股匯合時(shí)熔合不良造成。多出現(xiàn)在遠(yuǎn)離澆道的鑄件寬大上表面或薄壁處，金屬流匯合處，激冷部位，以及芯撐、內(nèi)冷鐵或鑲嵌件表面。因澆注中斷而在鑄件某一高度形成的冷隔稱為斷流冷隔；芯撐、內(nèi)冷鐵或鑲嵌件表面形成的冷隔稱為熔合不良［1］。

2.2形成原因［2］

1）澆注溫度和澆注速度過低，澆注中斷或跑火；

2）澆注系統(tǒng)設(shè)計(jì)不合理，澆道截面積太小，內(nèi)澆道數(shù)量少或位置不當(dāng)，直澆道高度不夠，液態(tài)金屬靜壓頭??；

3）鑄造工藝設(shè)計(jì)不合理，鑄件的薄壁大平面部位處于鑄件頂部或離內(nèi)澆道太遠(yuǎn)；

4）鑄件結(jié)構(gòu)不合理，壁厚太薄，鑄造工藝性差；

5）鑄造合金流動(dòng)性差；

6）鑄型透氣性差，排氣不良，出氣冒口尺寸小、數(shù)量少、位置不當(dāng)；

7）芯撐、內(nèi)冷鐵、鑲嵌件尺寸和位置不當(dāng)，或有銹斑、油污，造成熔合不良。

3　原因分析

針對冷隔形成的每種原因，分別進(jìn)行了分析和試驗(yàn)，查找解決冷隔廢品的方法，同時(shí)不影響鑄件質(zhì)量且對成本無大影響。

3.1澆注溫度和澆注速度的影響

3.1.1澆注溫度的影響

鑄件的澆注溫度應(yīng)當(dāng)根據(jù)鑄件的主要壁厚和鑄件的合金種類決定，缸體的澆注溫度范圍一般為1 400℃～1 430℃，壁厚較薄的缸體可采用的溫度范圍為1430℃～1460℃［3］。我廠生產(chǎn)65D缸體的澆注溫度工藝要求為1 410℃±10℃，目前我廠缸體類產(chǎn)品最高的澆注溫度為1 430℃±10℃，因65D缸體壁厚4.5 mm，于是將65D缸體澆注溫度提高至1 430℃±10℃.共計(jì)試驗(yàn)48件，其中冷隔廢品報(bào)廢2件（同一箱鑄件），澆注溫度為1422℃，發(fā)現(xiàn)比2014年的2.435%的冷隔廢品率略有降低，且報(bào)廢鑄件的澆注溫度偏新的工藝下限。再提高澆注溫度應(yīng)該可以解決冷隔廢品。但由于澆注溫度的提高，相應(yīng)帶來的鑄件下箱面的粘砂（如圖4）和水套內(nèi)腔的燒結(jié)（如圖5），且因粘砂報(bào)廢的鑄件2件（其中1件下箱面全部嚴(yán)重粘砂，上箱面局部嚴(yán)重粘砂）、因燒結(jié)報(bào)廢的鑄件共計(jì)6件，綜合廢品率升高且增加了清理工作量。

圖4　嚴(yán)重粘砂報(bào)廢的65D缸體

圖5　水套內(nèi)腔嚴(yán)重?zé)Y(jié)的65D缸體

3.1.2澆注速度的影響

65D缸體鑄件毛重184.5 kg，每箱鑄件毛重為369 kg，澆注速度為32s～39s，測量一個(gè)班次平均澆注速度為36.14s.而我廠與此缸體類似的缸體產(chǎn)品毛重為296 kg，澆注速度一般為30 s左右，但此缸體從未出現(xiàn)過下箱面冷隔的問題。通過以上數(shù)據(jù)分析，這2種缸體的澆注速度均為10 kg/s左右，但對于冷隔廢品的比例確有截然不同的結(jié)果，所以澆注速度不是影響65D缸體產(chǎn)生冷隔的主要原因。

3.2澆注系統(tǒng)影響

主要包括澆注系統(tǒng)設(shè)計(jì)不合理，澆道截面積太小，內(nèi)澆道數(shù)量少或位置不當(dāng)，直澆道高度不夠，液態(tài)金屬靜壓頭小的影響。

3.2.1澆注系統(tǒng)結(jié)構(gòu)分析

因65D缸體是引進(jìn)德國道依茨缸體，借鑒德國工藝，采用上下軸瓦兩排內(nèi)澆道進(jìn)水工藝，此工藝可以減少下箱面的粘砂傾向，但容易造成缸孔和軸瓦位置的沖砂，同時(shí)易造成上下箱面冷隔。因此，經(jīng)過研究增加底注澆道（如圖6），使進(jìn)水更平穩(wěn)減少冷隔廢品。試驗(yàn)結(jié)果顯示，增加底注澆道后，冷隔廢品明顯得到了緩解，但下箱面粘砂傾向比之前無底注澆道要嚴(yán)重很多，如圖7所示，鑄件基本要經(jīng)過2～3次粗拋后才能進(jìn)行人工清理，嚴(yán)重影響了清理效率和鑄件外觀質(zhì)量。

3.2.2澆道尺寸與位置分析

65D缸體與56D缸體是同一系列產(chǎn)品，外型尺寸除長度不一致外，產(chǎn)品結(jié)構(gòu)基本一致，澆注系統(tǒng)設(shè)計(jì)也完全一致，但56D缸體幾乎沒有冷隔廢品。

我廠缸體類鑄件一般采用半封閉半開放式的澆注系統(tǒng)，一般最小阻流面積選擇在橫澆道位置。65D缸體同樣采用此工藝，內(nèi)澆道進(jìn)水位置選擇在上下軸瓦2排澆道中注進(jìn)水。其中下軸瓦內(nèi)澆道總截面積為2 800 mm2，上軸瓦內(nèi)澆道總截面積為1 200 mm2，因冷隔位置集中在下箱面，所以只計(jì)算其下軸瓦內(nèi)澆道時(shí)，澆注系統(tǒng)各組元設(shè)計(jì)比例為A直∶A分直∶A橫∶A內(nèi)=2 826∶2 520.5∶2 312∶2 800=1.22∶1.09∶1∶1.21.對其澆注系統(tǒng)實(shí)物測量，最終得出其澆注系統(tǒng)各組元實(shí)際的比例為A直∶A橫∶A分橫∶A內(nèi)=2 733∶2 517∶2 318∶2 701=1.18∶1.09∶1∶1.17，其澆注系統(tǒng)實(shí)際使用中磨損后的比例與設(shè)計(jì)的澆注系統(tǒng)并無太大區(qū)別。而65D缸體每箱重量369kg，最小阻流面積2 312mm2，29D缸體每箱重量293 kg，最小阻流面積814 mm2，81D缸體每箱重量341 kg，最小阻流面積1 341 mm2，65D缸體的最小阻流面積應(yīng)該不會(huì)影響鑄件充型及產(chǎn)生冷隔廢品。同時(shí)，我廠道依茨系列缸體均采用每個(gè)上下軸瓦中注的澆注系統(tǒng)，其他缸體未發(fā)現(xiàn)集中的冷隔缺陷，所以澆道截面積太小，內(nèi)澆道數(shù)量少或位置不當(dāng)不是65D缸體產(chǎn)生冷隔廢品的主要原因。

3.2.3直澆道高度分析

我廠最高的缸體在砂箱中上箱的高度為190mm，而65D缸體只有175 mm，砂箱上箱高度420 mm，且使用氣壓保溫澆注爐進(jìn)行澆注，所以直澆道高度不夠，液態(tài)金屬靜壓頭小不是65D缸體產(chǎn)生冷隔廢品的主要原因。

3.3鑄造工藝設(shè)計(jì)

3.3.1薄壁大平面部位處于鑄件頂部

目前65D缸體出現(xiàn)冷隔位置集中在鑄件底部，且此缸體整體壁厚為4.5 mm，所以，鑄件的薄壁大平面部位處于鑄件頂部不是65D缸體產(chǎn)生冷隔廢品的主要原因。

圖6　65D缸體增加底注澆道

圖7　增加底注澆道后下箱面粘砂

3.3.2薄壁大平面部位離內(nèi)澆道太遠(yuǎn)

65D缸體與56D缸體澆注系統(tǒng)設(shè)計(jì)完全一致，但56D缸體幾乎沒有冷隔廢品，同時(shí)，65D缸體出現(xiàn)冷隔廢品的位置主要集中在下箱面的凹坑部位而非大平面部位。所以，鑄件的薄壁大平面部位離內(nèi)澆道太遠(yuǎn)不是65D缸體產(chǎn)生冷隔廢品的主要原因。

3.4鑄件結(jié)構(gòu)分析

65D缸體因產(chǎn)品結(jié)構(gòu)限制，易產(chǎn)生冷隔位置理論壁厚為4.5mm，鑄件此處位置實(shí)測壁厚也是4.5mm左右，此壁厚在鑄件最低點(diǎn)位置易產(chǎn)生冷隔廢品。經(jīng)過與客戶的積極溝通，將此處壁厚補(bǔ)正1mm，壁厚補(bǔ)正后，冷隔廢品得到了一定的緩解，但廢品率仍較高。

3.5鑄造合金流動(dòng)性問題分析

本廠生產(chǎn)的大柴缸體共計(jì)有4大系列8個(gè)品種，其鐵水成分完全相同，澆注溫度也完全相同，即鑄造合金流動(dòng)性是完全相同的。而其中只有65D缸體冷隔廢品最為突出，所以鑄造合金流動(dòng)性差不是65D缸體產(chǎn)生冷隔廢品的主要原因。

3.6鑄型透氣性差問題分析

1）鑄型排氣不良

經(jīng)過計(jì)算，65D缸體澆注系統(tǒng)內(nèi)澆道總截面積為4 000 mm2，而總排氣面積為6 280 mm2，進(jìn)水面積與排氣面積的比值為1：1.57.將排氣面積加大，將排型腔氣的10根20mm通氣針更改為8根40mm通氣針，并在通氣針下方增加積氣塊，總排氣面積增加為13 188 mm2，進(jìn)水面積與排氣面積的比值變?yōu)?：3.3.排氣面積增加后，冷隔廢品得到一定緩解，同時(shí)對鑄件的粘砂傾向也得到了一定的改善。

2）出氣冒口尺寸小、數(shù)量少、位置不當(dāng)

在試驗(yàn)加大鑄型排氣面積的同時(shí)，考慮增加出氣冒口尺寸、數(shù)量，但由于產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的限制，已經(jīng)無法再增加出氣冒口的尺寸和數(shù)量。

4　工藝改進(jìn)

針對以上試驗(yàn)內(nèi)容和試驗(yàn)結(jié)果，經(jīng)過總結(jié)和分析，認(rèn)為影響65D缸體冷隔的主要原因?yàn)闈沧囟鹊汀o底注內(nèi)澆道，但此兩項(xiàng)原因整改后會(huì)帶來其他影響，所以暫時(shí)不考慮。但通過以上試驗(yàn)驗(yàn)證，鐵水溫度降低導(dǎo)致鑄件充型困難，而澆注系統(tǒng)各組元的截面積均無問題，所以考慮減少澆注系統(tǒng)的流程和減少澆注系統(tǒng)截面積的過大的變化。另外的主要原因?yàn)殍T件結(jié)構(gòu)不合理、壁厚太薄，鑄型透氣性差、排氣不良。依據(jù)以上分析，進(jìn)行了一系列的工藝改進(jìn)來解決65D缸體冷隔問題。

4.1澆注系統(tǒng)的改進(jìn)

雖然增加了底注的澆道后，鑄件的下箱面粘砂傾向嚴(yán)重，但下箱面冷隔問題得到了根本解決。所以對現(xiàn)有澆注系統(tǒng)進(jìn)行改進(jìn)，對內(nèi)澆道的尺寸進(jìn)行了優(yōu)化，在保證內(nèi)澆道截面積不變的情況下，加大了內(nèi)澆道與橫澆道搭接位置的厚度，并均勻過渡到內(nèi)澆道最小厚度位置（如圖8）.其主要原因是為了減少因內(nèi)澆道流程過長導(dǎo)致鐵水溫度的降低，同時(shí)增加內(nèi)澆道進(jìn)水的壓力而提高鑄件的充型能力。

圖8　65D缸體澆注系統(tǒng)優(yōu)化圖

4.2鑄件壁厚補(bǔ)正

經(jīng)過統(tǒng)計(jì)65D缸體冷隔缺陷的位置，幾乎全部集中在下箱面位置，而其中80%在下箱面的凹坑位置。經(jīng)過與客戶的積極溝通，將3處凹坑位置壁厚補(bǔ)正1 mm（如圖9），并對65D缸體下型板實(shí)施了更改。

圖9　65D缸體壁厚補(bǔ)正位置

圖10　65D缸體改進(jìn)前排氣系統(tǒng)

圖11　65D缸體改進(jìn)后排氣系統(tǒng)

4.3鑄型排氣面積加大

經(jīng)過計(jì)算，原進(jìn)水面積與排氣面積比值為1：1.57（如圖10），經(jīng)過加大排氣面積更改后，進(jìn)水面積與排氣面積比值為1：3.3（如圖11）.加大排氣面積后，不但使65D缸體的冷隔廢品得到了緩解，同時(shí)大大地降低了65D缸體鑄件的粘砂傾向。

5　改進(jìn)結(jié)果

65D缸體的工藝改進(jìn)措施于2014年末陸續(xù)實(shí)施，冷隔廢品從2014年全年的2.435%下降至2015年上半年的0.52%，同時(shí)也使冷隔廢品不再是該缸體鑄件最大的廢品缺陷，冷隔缺陷占總廢品的比例也由30.76%下降至10%（如表3）.該缸體的冷隔廢品缺陷已經(jīng)穩(wěn)定至1%以下，同時(shí)5、6月份已經(jīng)降低至0.1%～0.2%，最好月份達(dá)到0.135%，下一步計(jì)劃將冷隔廢品穩(wěn)定在0.2%以下直至消除。

同時(shí)，將此工藝應(yīng)用到其他大柴缸體上，雖然其他大柴缸體基本沒有冷隔缺陷，但實(shí)施了以上幾項(xiàng)工藝更改后，充型速度提高了，同時(shí)不同程度降低了粘砂傾向。

表3　65D缸體2014年全年及2015年上半年冷隔廢品統(tǒng)計(jì)

4結(jié)論

解決缸體冷隔缺陷注意事項(xiàng)：

1）首先應(yīng)排除澆注斷流的影響，然后從提高澆注溫度、澆注速度、以及鐵水流動(dòng)性和靜壓力頭考慮，但需同時(shí)注意鑄件的粘砂和燒結(jié)情況；

2）可以適當(dāng)增加底注、中注或頂注的內(nèi)澆道（視冷隔位置），但需同時(shí)注意鑄件的粘砂、燒結(jié)和軸瓦、缸孔等位置的沖砂情況；

3）可以適當(dāng)減少澆注系統(tǒng)的流程以減少鐵水溫度的降低，同時(shí)在保證澆注系統(tǒng)最小阻流面積和內(nèi)澆道橫截面積的情況下，可以適當(dāng)加大內(nèi)澆道遠(yuǎn)離進(jìn)水位置的截面積減少鐵水溫度降低增加充型壓力；

4）可以適當(dāng)增加鑄型的排氣面積，鑄型的排氣面積為進(jìn)水面積的2.5倍以上為宜。

［1］ 中國機(jī)械工程學(xué)會(huì)鑄造分會(huì).鑄造工藝［M］//鑄造手冊：第5卷.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2003：803-804.

［2］ 趙群憲，王光見.灰鑄鐵發(fā)動(dòng)機(jī)缸體常見鑄造缺陷及解決措施［J］.現(xiàn)代鑄鐵，2014（01）：49.

TG245

A

1674-6694（2016）03-0011-05

10.16666/j.cnki.issn1004-6178.2016.03.004

2016-04-29

王永志（1984-），男，遼寧人，主要從事缸體類鑄件現(xiàn)場質(zhì)量控制工作。