大斷面曲軸表層局部球化不良缺陷的分析防止

張敏之，魯 棟，許景峰，時 曉，楊淑欣，崔寶安

（濰柴重機股份有限公司，山東濰坊261001）

大斷面曲軸表層局部球化不良缺陷的分析防止

張敏之，魯 棟，許景峰，時 曉，楊淑欣，崔寶安

（濰柴重機股份有限公司，山東濰坊261001）

通過對曲軸表面缺陷進行金相檢測及電鏡分析，確定了曲軸表層局部球化不良缺陷的特征并對產(chǎn)生的原因進行分析，制定了整改方案并進行驗證。經(jīng)過生產(chǎn)驗證表層局部球化不良缺陷得到有效解決，鑄件質(zhì)量得到顯著提高。

曲軸；表層；球化不良

60系列中速船用柴油機是濰柴重機的主打船舶動力產(chǎn)品，其以馬力大、可靠性高等優(yōu)點著稱，其大斷面曲軸作為最核心零部件均為公司自制。曲軸作為發(fā)動機的運動旋轉(zhuǎn)件，對其質(zhì)量有嚴格的要求，不允許出現(xiàn)任何的缺陷。該系列發(fā)動機的曲軸材質(zhì)為QT900-2，重量為370 kg，為典型的厚大斷面球鐵鑄件[1，2]。從2015年一季度開始，該種曲軸出現(xiàn)表層局部球化不良缺陷，造成了較大的廢品損失。

1 生產(chǎn)工藝及缺陷分析

1.1 生產(chǎn)工藝

160系列曲軸采用堿性酚醛樹脂砂造型工藝，一箱兩件，垂直分型，采用臥澆立冷工藝。采用沖入法球化處理工藝，球化劑為3703稀土鎂球化劑，球化劑的加入質(zhì)量分數(shù)為0.7%～1.2%.使用電爐熔煉，出鐵溫度為1 460℃～1 500℃.澆注溫度1 360℃～1 400℃.澆注后型內(nèi)冷卻5 h開上箱，24 h后進行清理，清理后進行熱處理。

1.2 缺陷分析判斷

曲軸需經(jīng)過粗加工、氮化及精加工等加工工序，加工車間氮化后在曲軸一拐正下方發(fā)現(xiàn)表面缺陷，缺陷位置在曲軸一拐正下方并且位置相對固定。同時該缺陷均為雙數(shù)號曲軸，即型板上右側(cè)曲軸。氮化之前該缺陷不明顯，用肉眼及顯微鏡均難以分辨。氮化后曲軸表面缺陷區(qū)域呈現(xiàn)泡狀顆粒形貌。采用體式顯微鏡對氮化前后的缺陷進行觀察，如圖1所示。

圖1 氮化前后曲軸表面缺陷顯微鏡照片

對缺陷位置進行掃描電鏡觀察并進行能譜分析，缺陷深度距表面約1 mm，缺陷處S質(zhì)量分數(shù)為0.21%，高于正常值，如圖2所示。對曲軸缺陷部位進行金相分析，從金相特征可以看出，缺陷部位為片狀石墨，非缺陷部位為球狀石墨，如圖3所示。通過以上判斷該缺陷為曲軸表層局部球化不良缺陷。1.3原因分析

圖2 曲軸缺陷處電鏡掃描及能譜分析圖

圖3 曲軸缺陷處金相照片

球墨鑄鐵表層出現(xiàn)球化不良的原因，主要是球化劑加入量不足或球化衰退造成。若為球化劑加入量不足，缺陷的位置不應如此固定，此缺陷應為球化衰退導致。鑄型或涂料中反球化元素硫、氮、氧等在鐵水與鑄型接觸時，在界面反應的過程中，滲入到鐵水表層，引起表層鐵水的球化能力衰減所致[2]。硫是公認的反球化元素，硫與球化元素鎂有很強的親和力，與其反應從而消耗了鐵水中的殘余鎂量和殘余鈰量，使鐵水的球化能力衰退[3]，從能譜分析結果可以看出片狀石墨區(qū)較球化良好區(qū)具有更高的含硫量。

2 缺陷防止措施

根據(jù)以上分析結果，通過優(yōu)化澆注系統(tǒng)、降低反球化元素硫含量以及調(diào)整鐵水中的殘余鎂量等幾個方面，降低鐵水在局部出現(xiàn)的球化不良現(xiàn)象。

2.1 優(yōu)化澆注系統(tǒng)

曲軸的現(xiàn)有生產(chǎn)工藝為一箱兩件，出現(xiàn)的局部球化不良缺陷均為型板右側(cè)雙數(shù)號曲軸，且缺陷均出現(xiàn)在曲軸一拐處，位置固定?，F(xiàn)在的澆注系統(tǒng)型板右側(cè)雙數(shù)號曲軸一拐處內(nèi)澆道相比左側(cè)單數(shù)號曲軸遠離一拐，如圖4所示，在一拐處的鐵水流動性和充型能力相對較差，型內(nèi)的氣體可能在一拐處聚集，消耗鐵水中的殘余鎂量，導致缺陷的出現(xiàn)。為了提高缺陷處鐵液的流動性及充型能力，減少其在該位置球化不良的可能性，將型板雙數(shù)曲軸的內(nèi)澆道改為離澆口近的位置，提高其在該位置的排氣能力，如圖5所示。

圖4 曲軸原有澆注系統(tǒng)圖

圖5 更改前后型板上的澆注系統(tǒng)

2.2 選用低硫涂料

涂料中的硫含量是產(chǎn)生球化不良的一個重要因素，對生產(chǎn)中所用涂料的S質(zhì)量分數(shù)進行檢測，結果為0.6%，高出工藝要求值0.3%，因此對涂料進行了更換，使用硫質(zhì)量分數(shù)為0.18%的醇基涂料。同時，采用醇基涂料流涂后，采用鋯英粉涂料進行補刷，如圖6所示。一方面降低其本身的硫含量，另一方面減少硫的滲入，防止型砂及固化劑等的硫?qū)﹁F水的影響[4]。

圖6 曲軸型腔刷涂及流涂

2.3 提高殘余鎂量

由于反球化元素可能在局部出現(xiàn)濃度聚集，將鐵液中的球化元素鎂以及稀土元素進行了消耗，導致局部球化不良缺陷的出現(xiàn)。為了提高鐵液的球化能力，降低反球化元素在局部區(qū)域的作用，適當提高鐵水的殘余鎂量，將殘余鎂的質(zhì)量分數(shù)由現(xiàn)在的0.04%提高至0.05%左右。

2.4 控制原鐵水質(zhì)量

原鐵水硫含量對于球鐵生產(chǎn)至關重要，尤其是厚大斷面鑄件尤為關鍵。如果原鐵水中硫含量過高，不但會消耗過多的球化劑，并且容易產(chǎn)生球化衰退現(xiàn)象，導致球化不良缺陷的產(chǎn)生。因此采用低硫生鐵進行原鐵水的熔煉，確保原鐵水中S質(zhì)量分數(shù)在0.02%以下。

3 驗證結果

通過采取以上措施后，對該系列大斷面曲軸進行了生產(chǎn)驗證。經(jīng)過一個季度的驗證生產(chǎn)，改進效果十分明顯，曲軸表面局部球化不良缺陷得到了有效的解決。截止目前160曲軸共生產(chǎn)856支，未出現(xiàn)球化不良缺陷。

4 結論

球墨鑄鐵表層球化不良是常見的鑄造缺陷，尤其是對于厚大斷面球墨鑄鐵。通過以下措施可以有效的減少或避免該缺陷的發(fā)生。

1）通過澆注系統(tǒng)的優(yōu)化，提高鐵液在易出現(xiàn)球化不良缺陷處的流動性，增加鐵液的排氣能力，降低缺陷出現(xiàn)的概率；

2）嚴格控制涂料及原鐵水中硫含量是確保球鐵生產(chǎn)的一個重要因素；硫作為最主要的反球化元素是產(chǎn)生球化不良缺陷的主要原因；

3）適當提高鐵水中的殘余鎂量，可以提高其衰退能力。

［1］陳國禎，等編.鑄件缺陷和對策手冊［M］.北京：機械工業(yè)出版社，1996.

［2］王澤華.球鐵鑄件表層出現(xiàn)球化石墨衰退的原因及對策［J］.機車車輛工藝，1990（1）：5-7.

［3］王利江，顧玉章.球墨鑄鐵件的表層缺陷［J］.現(xiàn)代鑄鐵，1988（2）：63-64.

［4］修坤，畢勇，王建東.球墨鑄鐵件表層衰退的微觀組織特征及防止措施研究［G］//2015中國鑄造活動周論文集，2015.

Analysis and Prevention of Local Under-spheroidizing Defect on the Surface of Engine Crankshaft

ZHANG Min-zhi，LU Dong，XU Jing-feng，SHI Xiao，YANG Shu-xin，CUI Bao-an
（Weichai Heavy Machinery CO.，LTD.，Weifang Shandong 261001，China）

By the metallographic test and electron microscope analysis of the defects on the surface of the crankshaft，the defect features of the under-spheroidizing on the crankshaft surface are determined and the reasons analyzed.The improvement scheme is set out and validated.The under-spheroidizing defect is effectively solved and the casting quality is improved significantly.

crankshaft，surface layer，under-spheroidizing defect

TG250.6

A

1674-6694（2017）01-0047-02

10.16666/j.cnki.issn1004-6178.2017.01.015

2016-10-29

張敏之（1980－），男，碩士，工程師，主要從事鑄造生產(chǎn)金屬熔煉工藝方面的工作。