4H缸體缺陷的分析及對(duì)策

宋 巖

（一拖（洛陽(yáng)）鑄造有限公司,河南洛陽(yáng)471000）

4H缸體是本公司重要的汽車類產(chǎn)品之一，由于該產(chǎn)品結(jié)構(gòu)復(fù)雜，在鑄造生產(chǎn)中控制難度大，廢品率居高不下。主要存在的問題有水套燒結(jié)、上箱搭子氣孔、缸孔缺陷等，主要問題集中在缸體水套芯上。對(duì)于干式缸體來(lái)說，水套芯的生產(chǎn)工藝水平對(duì)降低產(chǎn)品廢品率起著決定性作用。通常的影響因素有設(shè)備工裝、產(chǎn)品結(jié)構(gòu)、芯砂種類和涂料等。隨著客戶對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量要求的提高及公司發(fā)展的需求，降低廢品率勢(shì)在必行。

1 鑄件結(jié)構(gòu)及生產(chǎn)工藝

4H缸體用于柴油車的發(fā)動(dòng)機(jī)，材質(zhì)HT250，輪廓尺寸532mm×382mm×436mm，整體壁厚5～8mm，主體芯采用冷芯工藝，水套芯及其他配套砂芯采用熱芯覆膜砂工藝，靜壓線造型，感應(yīng)電爐熔煉。澆注系統(tǒng)采用中注＋頂注澆注，內(nèi)澆口分散布置在1、4缸上箱裙部和2、4軸瓦瓦口，澆口面積比為∑F內(nèi)：∑F橫：∑F直=1：1.4：1.2。阻流面積在內(nèi)澆口。上模在缸筒頂面位置設(shè)置溢流冒口和排氣銷，澆注前期可以排型腔的氣，最后被冷鐵水填充，排冷鐵[1-3]。鑄件結(jié)構(gòu)圖如圖1。

圖1 4H缸體鑄件結(jié)構(gòu)圖

2 原因分析

2.1 產(chǎn)生氣孔的原因

4H缸體是一種干式四缸體，采用臥澆，水套芯、挺桿室和套頭芯都離內(nèi)澆口較遠(yuǎn)，主體芯、水套芯和挺桿室三層砂芯疊放，發(fā)氣量比較大，直接向上的排氣孔只有上箱的四個(gè)?23mm的芯頭，其它側(cè)邊溢流冒口輔助排氣，排氣不足，小頭上箱面又是離直澆道最遠(yuǎn)處，到達(dá)此處的鐵水很快冷卻，致使鐵液中的氣體沒有及時(shí)排除，留在鐵液中形成氣孔[4]，如圖2。這是氣孔會(huì)出現(xiàn)在靠近缸頂面上箱的原因，可是出現(xiàn)氣孔的比例卻忽高忽低，據(jù)統(tǒng)計(jì)，單班氣孔廢品率最高10%，最低沒有氣孔。對(duì)廢品的流水號(hào)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，并沒有發(fā)現(xiàn)明顯的規(guī)律，氣孔并不是在每包鐵水的末箱出現(xiàn)，說明澆注溫度適宜，鐵水溫度并不是造成的氣孔的主要原因，那只能在砂芯的排氣和發(fā)氣環(huán)節(jié)上進(jìn)行改善。

圖2 缸體上模

2.2 產(chǎn)生缸孔缺陷的原因

每個(gè)缸孔內(nèi)都有一處或多處缺陷。表觀為淺薄層缺肉，形狀為不規(guī)則多角形。加工后出現(xiàn)完全消失或少量存在。由于對(duì)缸體缸孔內(nèi)壁要求極高，不得出現(xiàn)任何缺陷，所以該缺陷的出現(xiàn)成為了最大的質(zhì)量隱患。對(duì)缺陷處解剖開，可以看出，缺陷是淺薄一層線狀分布在本體內(nèi)，如圖3所示。從缺陷的形態(tài)可以看出，夾雜物并非鐵水本身所有，應(yīng)該是外來(lái)物質(zhì)，通過能譜分析是硅酸鹽物質(zhì)，排除砂粒和渣子，應(yīng)該是涂料層，涂料層在澆注過程中剝落，呈層片狀，被鐵水?dāng)D壓成曲面狀分布在本體內(nèi)，與事實(shí)相符，因此可以從涂料方面進(jìn)行整改。

圖3 缸孔缺陷位置及解剖圖

水套芯浸涂工藝流程為，制芯修芯后先局部刷防燒結(jié)料（水套芯螺栓搭子容易燒結(jié)部位），再整體浸HA公司的水基料烘干，爐后熱態(tài)下頂面和底面再浸沁陽(yáng)醇基防燒結(jié)料，防止水套芯燒結(jié)。由此可見，水套芯浸涂過程中經(jīng)過多次的涂料工序，而且使用的是不同廠家不同型號(hào)的涂料，涂料層的結(jié)合力不夠，致使涂料層在澆注過程中剝落，造成缺陷。

2.3 產(chǎn)生燒結(jié)的原因

燒結(jié)主要集中在缸體水套芯螺栓搭子窩處（缸壁與螺栓搭子之間空腔），水套芯局部最薄處僅2.8～3.5mm。解剖缸體燒結(jié)部位，可以發(fā)現(xiàn)鑄件本體與砂芯有清晰、平整的分界線。用萬(wàn)用表測(cè)燒結(jié)體電阻，一般在4Ω左右，證明燒結(jié)為機(jī)械粘砂。由于鐵液與芯砂形成具有一定強(qiáng)度的“鐵包砂”，缸體鑄件水套腔燒結(jié)時(shí)，破碎、清理困難。這就要求在制芯環(huán)節(jié)采取措施解決燒結(jié)問題：砂芯要致密，不能有鏤空；涂層要均勻，涂層深度要合適。

造成砂芯不致密的原因，一般有工裝設(shè)備問題和砂子粒度，芯盒排氣道或排氣塞堵塞，設(shè)備射砂壓力不夠等因素。排除工裝設(shè)備，砂子在運(yùn)輸過程中的粒度偏析是個(gè)關(guān)鍵因素，也是不易發(fā)現(xiàn)的因素，砂子粒度偏析后，局部砂粒偏粗，砂芯的局部就不夠致密，容易引起燒結(jié)。

3 工藝措施

3.1 氣孔

對(duì)于氣孔的解決措施，如果溫度沒有問題，只能從砂芯入手，通常有兩種方向：一是減少發(fā)氣；二是增加排氣。減少發(fā)氣主要針對(duì)用砂方面進(jìn)行改進(jìn)，采用低樹脂高強(qiáng)度的特種覆膜砂制作水套芯，發(fā)氣量從17.5ml/g降為14ml/g。其次，對(duì)于覆膜砂的粒度也有講究，砂子越細(xì)排氣越差。在不影響砂芯致密的條件下，盡量選擇粒度較粗的型號(hào)，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)選用40/70的砂子。另外對(duì)于水套芯排氣措施，不僅外模增加排氣通道，砂芯的排氣通道必須暢通。經(jīng)過驗(yàn)證，一旦頂面出砂孔芯頭浸料時(shí)，排氣通道被封閉，會(huì)出現(xiàn)批量氣孔。所以該水套芯頂面出砂孔不得浸料，確保頂面排氣。生產(chǎn)過程中一般為防止芯頭浸料可以設(shè)計(jì)橡膠皮套，在浸料前套在芯頭上，或者浸完料芯頭部位用清水刷掉涂料。由于水套芯出砂孔芯頭小，又不統(tǒng)一，個(gè)別芯頭有浸料的用清水刷掉涂料。

3.2 砂孔

改進(jìn)水套芯涂料工藝，取消防燒結(jié)料，刷料和浸料使用同廠家的同型號(hào)涂料，提高涂料結(jié)合力，以增加涂料的抗燒結(jié)性的同時(shí)避免在澆注過程中脫落。針對(duì)涂料的刷涂和過程控制方面進(jìn)行了多次試驗(yàn)，最終確定工藝：修芯時(shí)水套芯螺栓搭子外側(cè)局部刷亞士科W6型涂料，要求只允許刷一遍，不得二次補(bǔ)刷料，允許漏料，波美度50±1；刷料后當(dāng)班必須再整體浸亞士科W6型涂料進(jìn)爐烘干待用，波美度37±1；水套芯缸體頂面芯頭端面嚴(yán)禁浸料。工藝穩(wěn)定執(zhí)行1個(gè)月后，缸孔缺陷比例由30%下降至1%。

3.3 燒結(jié)

為了消除砂粒偏析，砂子在使用前，將50公斤袋裝覆膜砂倒進(jìn)容器內(nèi)預(yù)混1min后使用。而且對(duì)砂子粒度的標(biāo)準(zhǔn)從簡(jiǎn)單的40/70改為平均細(xì)度39～42，砂粒控制更精細(xì)化，減小偏析傾向。另外砂芯的抗燒結(jié)性與鑄件氣孔缺陷，在一定程度上存在反向關(guān)系，與供貨商合作研發(fā)新的高強(qiáng)度低發(fā)氣覆膜砂，減少燒結(jié)，應(yīng)用于4H缸體水套芯，使得燒結(jié)問題得到很大程度改善。4H缸體的燒結(jié)廢品率大幅度降低至2%以內(nèi)。

之后由于造型線更新，將4H缸體轉(zhuǎn)移至KW線造型生產(chǎn)。靜壓頭高度由350mm提高到500mm。水套燒結(jié)問題再次出現(xiàn)，主要集中在1缸水套燒結(jié)，比例高達(dá)80%。解剖結(jié)果顯示為機(jī)械粘砂。對(duì)于解決砂芯的燒結(jié)，芯砂和涂料的選擇很重要，由于芯砂的更改周期比較長(zhǎng)，考慮從現(xiàn)有的涂料工藝進(jìn)行改善，對(duì)水套芯1缸燒結(jié)部位進(jìn)行改進(jìn)。從公司各種涂料的使用情況來(lái)看，鋯料有利于燒結(jié)的消除。具體試驗(yàn)方案如下。

表1 試驗(yàn)結(jié)果

圖4 三種涂料工藝的涂層照片

水套芯先在1缸容易燒結(jié)部位涂醇基鋯料，再整體浸亞士科水基涂料，然后烘干待用。對(duì)涂醇基鋯料的3種方式進(jìn)行試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如表1。方案和結(jié)果如下：方案一對(duì)1缸局部刷涂醇基鋯料；試驗(yàn)結(jié)果表明沒有明顯改善。方案二對(duì)1缸局部淋涂醇基鋯料；試驗(yàn)結(jié)果表明有所改善。方案三對(duì)1缸局部浸涂醇基鋯料；經(jīng)過批量驗(yàn)證，燒結(jié)基本消除。

圖3通過對(duì)三種涂料工藝的涂層深度進(jìn)行對(duì)比發(fā)現(xiàn)：刷涂工藝和淋涂工藝涂料滲入的深度不超過0.5mm。浸涂工藝明顯比前兩種工藝的涂層滲入深度大。通過浸涂時(shí)間的延長(zhǎng)，滲入深度可達(dá)2mm，說明涂料工藝對(duì)涂層滲入砂芯的深度有很大的影響。涂料的滲入深度越大，對(duì)抑制燒結(jié)越有利。

4 結(jié)束語(yǔ)

在4H缸體生產(chǎn)中，水套芯用砂的選擇需要兼顧多個(gè)方面因素，在一定程度上反映出，4H缸體水套芯必須采用粗粒度、高強(qiáng)度覆膜砂，既控制氣孔，又使其水套芯燒結(jié)減輕。另通過水套芯使用涂料的改進(jìn)，最終使得4H缸體缸孔缺陷得到控制，生產(chǎn)穩(wěn)定。

4H缸體采用目前工藝生產(chǎn)，內(nèi)廢率穩(wěn)定在3%左右，綜合廢品率穩(wěn)定在9%左右。