降低球墨鑄鐵活塞環(huán)鑄造缺陷的工藝措施

徐小光

摘 要：球墨鑄鐵具備糊狀凝固特征，在生產(chǎn)球墨鑄鐵活塞過程中，經(jīng)常出現(xiàn)一系列問題，比如縮松、夾渣等，這從一定程度上影響了球鐵環(huán)使用性能。本文主要從實(shí)際生產(chǎn)情況，對球墨鑄鐵活塞環(huán)鑄造缺陷產(chǎn)生的原因進(jìn)行了分析，并提出了相應(yīng)的工藝措施。

關(guān)鍵詞：球磨鑄鐵；活塞環(huán)；鑄造；缺陷；工藝措施

中圖分類號(hào)：TG255 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

在發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行中，活塞環(huán)是不可缺少的重要部件之一，它應(yīng)具備耐磨、強(qiáng)度高等優(yōu)點(diǎn)。目前，隨著發(fā)動(dòng)機(jī)正呈現(xiàn)向高負(fù)荷方向的發(fā)展，人們對活塞環(huán)的使用性能也在逐漸提高，由于球墨鑄鐵性能相對較好，所以用球墨鑄鐵制造的活塞環(huán)也逐漸增多。本文主要研究了球鐵活塞環(huán)鑄造過程中存在的各種問題，進(jìn)而給出相應(yīng)的解決辦法。

1 球墨鑄鐵的凝固特征

在球墨鑄鐵活塞環(huán)材料中，含碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)為4.9%左右，它屬于共晶成分的一種。眾所周知，過共晶成分的鐵水經(jīng)過球化處理之后，在冷卻作用下呈現(xiàn)球狀的石墨晶核，并且逐漸長大。當(dāng)鐵水溫度降到一定程度的時(shí)候，液態(tài)奧體體層便會(huì)隨之凝固，鐵水中的碳原子利用奧氏體殼進(jìn)入石墨內(nèi)，加快石墨的生長速度，與此同時(shí)，鐵原子通過石墨界面分散開來，從一定程度上增加了奧氏體殼的厚度和性能。在這一運(yùn)行期間，碳原子運(yùn)行速度一般。

灰鑄鐵和球墨鑄鐵的冷卻曲線如圖1所示。

圖1明確顯示了球墨鑄鐵的凝固情況。從中得出，在共晶凝固過程中，碳原子朝著石墨球擴(kuò)散較為困難，并且球鐵的導(dǎo)熱系數(shù)和灰鑄鐵相比較而言，要小很多，散熱慢，只有依靠增加過冷度來發(fā)展，進(jìn)而擴(kuò)大石墨球。從開始凝固到停止環(huán)節(jié)中，溫度范圍較寬，鑄件表面凝固之后，仍然存有液體。從實(shí)際情況來看，整個(gè)鑄件內(nèi)部呈現(xiàn)糊形，它并不是完全固態(tài)的外殼。球鐵的共晶轉(zhuǎn)變過程，只能夠在低溫下開展，從中可以看出，這一球鐵的特點(diǎn)是生長率不高，和共晶團(tuán)相比較來說，要細(xì)得多，并且沒有連貫性，整個(gè)鑄鐵斷面呈現(xiàn)相互依存的現(xiàn)狀，這就是所謂的糊狀凝固。

從上面論述可以看出，球鐵件的凝固特點(diǎn)，除了鑄件表面層次之外，同時(shí)還在鑄件內(nèi)部凝固，這樣一來，就導(dǎo)致鑄件在凝固期間，通道堵塞，引起球鐵鑄造缺陷性問題。

2 產(chǎn)生球墨鑄鐵活塞環(huán)鑄造缺陷的實(shí)質(zhì)性原因和有效的解決對策

2.1 皮下氣孔

在鑄造簡體的過程中，主要是將皮下氣孔放置在距離外圓面下面的2mm處，并且內(nèi)圓面表面也有，可是比較少，在進(jìn)行雙環(huán)鑄造過程中，正好相反，則是將其放置在距離上表面1mm的位置處，運(yùn)行期間呈現(xiàn)球狀，此種形狀只有在加工的時(shí)候才會(huì)表現(xiàn)出來。從實(shí)際情況來看，皮下氣孔形成過程較為復(fù)雜，它的氣體為氫氣，來源于兩個(gè)方面，分別為外部侵入的氣體以及鐵水內(nèi)部析出的氣體。

2.1.1 皮下氣孔形成原因

第一，鐵水外部侵入中，氫氣是主要的來源之一。

第二，在鐵水內(nèi)部的氣體中，主要來源于爐料、材料中所含水分等，澆注期間，這些水分會(huì)受到分解和形成氫氣。

其中，鐵水中的鎂蒸氣和型砂內(nèi)的水發(fā)生反應(yīng)形成氫氣。公式如下：

① Mg+H2→MgO+2{H}

鎂本身作為觸媒，它能夠使碳和型砂水反映到一起，產(chǎn)生氫氣。

② C+H2O→+H2

水和鎂、鐵的碳化物相互作用，形成乙炔氣體，再由乙炔氣體分解成氫氣。

③{Fe·Mg}C+H2O（氣）→（Fe·Mg）O+C2H2

C2H2→2C+H2

第三，在生產(chǎn)鐵球的過程中，鐵水經(jīng)過球化處理之后，在鎂活化作用的影響之下，鐵水表面出現(xiàn)了薄薄的氧化膜，氧化膜的產(chǎn)生和皮下氣孔有著十分緊密的聯(lián)系。產(chǎn)生皮下氣孔的原因是由于氧化膜產(chǎn)生的，因?yàn)樵撃さ某霈F(xiàn)從一定程度上增加了鑄型和鑄件之間的作用力，所以，便有效預(yù)防了鐵水內(nèi)外部氣體的泄漏，最后，鑄件表層凝固，氣體被引入鑄件表層中，這就是皮下氣孔的形成原理。

2.1.2 避免皮下氣孔的對策

①合理控制住型砂水分，以此避免鐵水和鑄型表面形成氣體，在鑄造簡體的過程中，可以將型砂水分控制在4.5%左右，型砂透氣單位高于80單元，雙環(huán)鑄造的型砂水分控制在4.1%左右。

②然后，在使用球化劑、球化處理包之前，將預(yù)熱烘烤到200℃左右，以此減少氫氣量。

③最后，鎂和硫能夠從一定程度上提升氧化膜溫度。對此，要從鐵水入手，在提升鐵水球化水平的前提下，需要注意，剩余的型砂水分要保持在0.81%以內(nèi)，這就說明鐵水中的含硫質(zhì)量越低，那么呈現(xiàn)的效果越佳。

2.2 夾渣

夾渣作為一種非金屬夾雜物，主要是由氧化物和硫氧化物等物體構(gòu)成，整體而言較為復(fù)雜。

2.2.1 夾渣物形成原因

第一，鐵水經(jīng)鎂和稀土處理之后，硫氧和稀土發(fā)生反應(yīng)以后，氧化物和硅酸鎂便會(huì)形成夾雜物體，這一物體的質(zhì)量和鐵水相比較而言，要低一些，在處理完球化的扒渣之后，如果處理不干凈或者鐵水溫度低，夾雜物就會(huì)殘留在鐵液中，最后生成夾渣。

第二，一般來講，因?yàn)殒V自身的原因，時(shí)常發(fā)生氧化現(xiàn)象，所以在鐵水表面會(huì)將多種氧原子吸收進(jìn)去，從而當(dāng)鐵水經(jīng)過球化處理之后，發(fā)生氧化情況，產(chǎn)生氧化膜，再加上這一氧化膜一直處于固液情況，無法在扒渣中得到清除。鐵水在鐵包內(nèi)存留或者流動(dòng)的時(shí)候，不斷和外部空氣相互接觸，從而氧化形成殘?jiān)?/p>

2.2.2 防止夾渣的工藝措施

首先，適當(dāng)?shù)亟档丸F水殘留鎂和原鐵水含硫之間的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，這是因?yàn)閮?nèi)鎂和硫結(jié)合到一起，會(huì)提升鐵水氧化膜的結(jié)膜溫度，當(dāng)處于一致的澆注溫度的時(shí)候，便會(huì)提升殘留鎂的質(zhì)量分?jǐn)?shù)和原鐵水含硫量的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，從一定程度上加大了夾渣的嚴(yán)重性。然后，要保證殘留稀土質(zhì)量分?jǐn)?shù)的充足性，由于稀土本身能夠減少氧化膜的結(jié)膜溫度，所以如果過度的殘留稀土質(zhì)量分?jǐn)?shù)，會(huì)使石墨形狀固化。最后，將澆注溫度保持在合理范圍內(nèi)，因?yàn)檠趸ぷ陨黼S著鐵水溫度降低而逐漸加厚，所以會(huì)使夾渣情況明顯。

結(jié)語

從以上論述可以看出，要想預(yù)防球墨鑄鐵活塞環(huán)發(fā)生鑄造缺陷，應(yīng)當(dāng)從實(shí)際情況出發(fā)，采取有效的工藝措施，減少貼水氧化膜的結(jié)膜溫度，降低其干擾性。

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