發(fā)動(dòng)機(jī)缸體滲漏缺陷綜合解決方案剖析

蔣先念，余讓剛，趙曉林

（重慶卡森科技有限公司，重慶 402760）

1 背景

汽車發(fā)動(dòng)機(jī)缸體是結(jié)構(gòu)復(fù)雜、壁薄、要經(jīng)過水壓試驗(yàn)的鑄件，存在的主要問題就是鑄件水壓滲漏[1-2]，導(dǎo)致水壓滲漏的主要因素是：

1）鑄件結(jié)構(gòu)的因素：隨著汽車行業(yè)的競(jìng)爭(zhēng)日益加劇，缸體向高強(qiáng)度、薄壁、高可靠性、功能復(fù)合化方向發(fā)展，結(jié)構(gòu)越來(lái)越復(fù)雜，壁厚差異大、分散熱節(jié)多，鑄件充型和補(bǔ)縮難度大，且熱節(jié)被型芯包覆，散熱和冷卻速度緩慢的部位會(huì)導(dǎo)致縮松和疏松；

2）材料的化學(xué)成分：大量合金的加入使鐵液的鑄造性變差，收縮傾向增大；

3）鐵水的潔凈程度：隨著各汽車生產(chǎn)商對(duì)低成本的要求，為了節(jié)約鑄造成本，鑄造廠的爐料選擇都會(huì)選擇低成本的材料，這就使得鐵水的潔凈程度良莠不齊，渣氣類缺陷難以防范。

疏松、縮松、渣氣類缺陷有的可以通過加工后表面檢查發(fā)現(xiàn)，有的可以在密封試驗(yàn)時(shí)發(fā)現(xiàn)，還有的可能根本無(wú)法發(fā)現(xiàn)。但是這些缺陷的存在，使得產(chǎn)品的加工成本上升，未能發(fā)現(xiàn)的這些缺陷，還有可能對(duì)汽車的安全、可靠性留下隱患。

筆者結(jié)合兩個(gè)實(shí)際的案例，闡述綜合解決發(fā)動(dòng)機(jī)缸體滲漏缺陷的思路方法。

2 案例分析1

微型車A缸體是B公司主要生產(chǎn)的產(chǎn)品，此缸體屬于典型的薄壁小型汽油機(jī)缸體，鑄件輪廓尺寸為330 mm×304 mm×240 mm，質(zhì)量32 kg，最大壁厚25 mm，最小壁厚4 mm.采用覆膜砂組芯工藝，立式澆注，一型一件。因主油道旁存在大面積的孔洞類缺陷，造成產(chǎn)品加工后發(fā)生滲漏，滲漏率達(dá)40%，嚴(yán)重影響公司的信譽(yù)、交貨期與成本。

基于上述問題，受B公司委托幫忙分析解決此問題。收到委托后，公司組織相關(guān)技術(shù)人員對(duì)滲漏缺陷發(fā)生的部位、數(shù)量進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，對(duì)因滲漏導(dǎo)致報(bào)廢的鑄件逐個(gè)做了梳理分析。統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果如表1所示。

表1 缺陷位置分布統(tǒng)計(jì)

2.1 缺陷定性分析

2.1.1 鑄件解剖分析

鑄件解剖后，出現(xiàn)肉眼可見的孔洞類缺陷，缺陷形態(tài)如圖1，將斷口放到掃描電鏡下觀察，結(jié)果如圖2，無(wú)斷口特征，對(duì)其成分做能譜分析，結(jié)果如圖3所示。圖3可以看出缺陷的類型為含渣、氣的孔洞。此缺陷位于水道與油道砂芯中間，且處于鑄型的上部，所以該缺陷應(yīng)該為外部帶入缺陷，即來(lái)自鐵水本身的渣子或鐵水沖刷澆注系統(tǒng)帶入的雜物，在澆注過程中于型腔的上部聚集，形成的渣氣孔類缺陷。

圖1 缺陷宏觀狀態(tài)

圖2 缺陷掃描電鏡下狀態(tài)×400

圖3 缺陷能譜分析

2.1.2 切片著色探傷分析

對(duì)鑄件進(jìn)行解剖后進(jìn)一步做切片著色探傷，剖切位置如圖4所示，發(fā)現(xiàn)在水道側(cè)壁處有彌散的細(xì)小缺陷點(diǎn)，如圖5所示。將缺陷斷口放在體式放大鏡下觀察，結(jié)果如圖6所示，從圖6可以看出中間黑色夾雜物即為滲透通道。

2.2 缺陷來(lái)源分析

2.2.1 現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)情況調(diào)研

拋開產(chǎn)品自身結(jié)構(gòu)影響（此處是水道和缸蓋螺栓連接孔搭子處，尺寸厚大，冷卻緩慢，易產(chǎn)生熱節(jié)，鐵水凝固后收縮較大），經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研考察生產(chǎn)過程，發(fā)現(xiàn)存在兩類問題：

a）爐料紛雜，大量使用鐵屑、鋼屑，爐料氧化夾雜物多，熔煉過程中未對(duì)鐵水采取凈化處理措施，直接澆注，勢(shì)必在鑄件薄壁、結(jié)構(gòu)復(fù)雜的位置、熱節(jié)區(qū)域形成渣氣孔類缺陷；

b）砂芯涂層強(qiáng)度差，涂層薄。砂芯表面施涂質(zhì)量較差，砂粒裸露，涂刷不良等因素的存在，在澆注時(shí)鐵水沖刷型芯表面，沖刷下來(lái)的砂粒、涂料層等被卷入鐵水中，在最后停留區(qū)域形成夾渣缺陷，覆膜砂型、芯中的氣體竄入鐵水，形成渣氣孔類缺陷。

2.2.2 模擬分析

借助虛擬制造技術(shù)，對(duì)鑄造工藝進(jìn)行模擬分析，從模擬結(jié)果看，在水道和缸蓋螺栓連接孔搭子處存在孤立的熱節(jié)區(qū)域如圖7所示，對(duì)鑄件解剖做切片分析，剖切位置如圖8所示，模擬結(jié)果發(fā)現(xiàn)在水道側(cè)壁搭子厚大部位可能會(huì)有縮松缺陷，缺陷位置如圖9，其他孤立熱節(jié)區(qū)域也存在產(chǎn)生縮松缺陷的風(fēng)險(xiǎn)。

2.3 改進(jìn)措施

圖4 解剖位置及缺陷位置

圖7 液相分?jǐn)?shù)分布

圖5 著色探傷

圖8 鑄件切片位置

圖6 體式放大鏡

圖9 縮松分布

通過現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研，借助檢測(cè)儀器分析，模擬分析，確定造成滲漏的主要缺陷為渣氣孔。因而減少鐵液中的渣、氣的來(lái)源，避免其在熱節(jié)處匯集形成孔洞類缺陷；改善鐵水質(zhì)量，減小鐵水的收縮傾向是采取改善措施的主要方向。

2.3.1 改善鐵水質(zhì)量

2.3.1.1 優(yōu)化爐料配比

基于現(xiàn)有的爐料情況，采用碳化硅，優(yōu)質(zhì)增碳劑，并添加鐵水凈化劑對(duì)鐵水質(zhì)量進(jìn)行改善，按照1.4 t鐵水的具體配料方案見表2.

表2 熔煉配料方案

碳化硅是一種新型的強(qiáng)復(fù)合脫氧劑，在鑄造熔煉鐵水的過程中加入，不會(huì)發(fā)生熔化，但是能夠溶解于鐵液中，其崩解吸收溫度大約為1 200℃，因此其溶解的過程是逐漸分解的緩慢過程。對(duì)于氧化夾雜物比較多的爐料，充分利用其在鐵水中溶解的特點(diǎn)和脫氧的特性，凈化鐵水，同時(shí)進(jìn)入鐵水中的非平衡石墨又可作為石墨析出的核心，細(xì)化晶粒，提高組織的致密度。同時(shí)考慮到爐料氧化夾雜物多的特點(diǎn)，需要添加鐵水凈化劑去除鐵水中的氧化物、硫化物等被氣體所包浮的雜質(zhì)，減少渣氣的來(lái)源，凈化鐵水。

2.3.1.2 調(diào)整加料順序優(yōu)化熔煉過程

調(diào)整加料順序：鐵屑300 kg→碳化硅14 kg、鐵水凈化劑500 g→鐵屑250 kg→增碳劑20 kg→廢鋼600 kg→回爐料250 kg→提溫至1 500℃取樣→提溫至1550℃斷電高溫凈置5 min～10 min出水。

2.3.1.3 爐內(nèi)造渣、打渣

在鐵水熔化階段要勤打渣，出爐前高溫靜置鐵水，讓在熔化階段和后期產(chǎn)生的渣子及時(shí)的上浮至鐵水表面。但是在中頻電爐熔化鐵水的過程中，在磁場(chǎng)攪拌的條件下，一些細(xì)小的渣子來(lái)不及上浮，所以必須在停電后靜置5 min～10 min，讓細(xì)小的熔渣上浮并將其打凈。

2.3.1.4 包內(nèi)打渣、聚渣

首先要保證澆注包烘干烘透，未烘干的澆包不僅增加了出鐵水時(shí)的安全風(fēng)險(xiǎn)，也增加了鐵水氣體的來(lái)源。在澆注前，采用除渣效果較好的除渣劑將包內(nèi)的浮渣打凈，然后在鐵水表面撒一層聚渣劑，這樣能有效的吸附澆注過程中的浮在鐵液表面的渣子，防止細(xì)小渣子進(jìn)入型腔。同時(shí)，定期對(duì)澆注包進(jìn)行點(diǎn)檢，防止因澆包自身修補(bǔ)的質(zhì)量問題，導(dǎo)致鐵水液面浮渣進(jìn)入鑄型。

2.3.2 涂層質(zhì)量改善

涂層強(qiáng)度差、易剝落，不僅增加了從砂型/砂芯進(jìn)入鐵水的氣體量，也增加了澆注過程中鐵水沖刷砂芯/砂型造成的夾渣風(fēng)險(xiǎn)。涂層薄，不能有效屏蔽砂型、砂芯的自身發(fā)氣，在澆鑄過程中，尤其是結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜且壁厚較小砂芯，跟鐵水接觸后砂芯中的樹脂迅速燃燒產(chǎn)生氣體，若涂料的屏蔽效果差，這部分氣體就會(huì)進(jìn)入到鐵水中，增加此部位的氣孔類缺陷風(fēng)險(xiǎn)。因而為消除缸體缸蓋這類復(fù)雜結(jié)構(gòu)鑄件的氣孔夾渣類缺陷，涂層質(zhì)量顯得尤為關(guān)鍵。

為了提高涂層質(zhì)量，內(nèi)腔砂芯全部采用卡森涂料201J，外觀砂型采用卡森涂料200F，具體砂型、砂芯的涂料使用方案及波美度要求見表3.

表3 涂料使用方案及波美度要求

砂芯、砂型涂料使用情況對(duì)照，如圖10、11、12所示。其中a）為現(xiàn)階段使用的涂料及涂刷質(zhì)量，b）為改進(jìn)使用卡森的涂料及涂刷的質(zhì)量狀態(tài)。

2.4 生產(chǎn)結(jié)果

1）綜合分析確定缺陷類型是渣氣孔類缺陷，采用卡森的熔煉工藝方案、砂型/砂芯涂料使用方案，經(jīng)批量生產(chǎn)，加工、水壓檢測(cè)滲漏缺陷大幅降低，廢品率從30%～40%降低到10%左右。

圖10 砂型

圖11 水套砂芯

圖12 油道砂芯

2）對(duì)批量生產(chǎn)發(fā)生滲漏的鑄件做進(jìn)一步的解剖分析，結(jié)合前期對(duì)鑄件進(jìn)行模擬分析的結(jié)果，認(rèn)為通過對(duì)鐵水純潔度提升，涂料涂層改善等措施后，還存在的滲漏主要是顯微縮松造成的滲漏。具體解決因顯微縮松造成的鑄件滲漏問題方案見案例分析2。

3 案例分析2

微型車C缸體是D公司主要生產(chǎn)的產(chǎn)品，D公司為三大微車生產(chǎn)企業(yè)之一。此缸體屬于典型的薄壁小型汽油機(jī)缸體，鑄件輪廓尺寸為343 mm×305 mm×246 mm，質(zhì)量 33 kg，最大壁厚 25 mm，最小壁厚4 mm.每箱2件，臥式水平分型，底注式澆注工藝（見圖13、圖14）.使用砂芯有：主體芯、水套芯、油道芯，采用冷芯盒樹脂砂芯，浸涂水基涂料烘干工藝。在小批量生產(chǎn)期間，鑄件外部機(jī)加工料廢率高達(dá)13%，其中，滲漏占總體廢品的94%左右，主要發(fā)生在1、2缸之間。

圖13 產(chǎn)品布局示意圖

圖14 澆注系統(tǒng)布置圖

3.1 缺陷分析

對(duì)鑄件解剖做切片著色探傷，發(fā)現(xiàn)在1、2缸之間靠近下型螺栓搭子處有滲透性缺陷如圖15、16所示，初步判斷是縮松缺陷，對(duì)缺陷做進(jìn)一步的掃描電鏡分析，結(jié)果如圖17，可明顯的看到樹枝狀結(jié)晶組織?？紤]到缺陷發(fā)生的位置比較固定，我們又對(duì)產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了分析。缺陷發(fā)生的位置在1、2缸之間靠近下型螺栓搭子，并且跟其它幾個(gè)搭子比較，缺陷周圍結(jié)構(gòu)比較厚大，所以該缺陷應(yīng)該為鑄件局部結(jié)構(gòu)厚大，在凝固過程中形成熱節(jié)而導(dǎo)致的“晶間縮松”。

圖15 著色探傷（靠后端面）

圖16 著色探傷（靠前端面）

3.2 防止措施

3.2.1 對(duì)策思路

第一步，改善孕育。一般認(rèn)為孕育劑的孕育量對(duì)滲漏問題都有一定影響，孕育鑄鐵產(chǎn)生縮松傾向較未孕育鑄鐵大，鑄件的縮松傾向隨共晶團(tuán)數(shù)量增大而增大[3]；

第二步，防止縮松竄通。主要在改善“縮孔”的基礎(chǔ)上，通過激冷等手段，在水套壁處形成致密層，防止“疏松”引起的滲漏。

3.2.2 措施

1）采用缸體專用孕育劑代替通用的硅鋇孕育劑，并將孕育劑的加入質(zhì)量分?jǐn)?shù)控制在0.4%以內(nèi)。

2）砂芯局部用碲粉涂料解決縮松問題。

考慮到缸體在熱節(jié)部位有一個(gè)上行油孔需要加工，放置冷鐵會(huì)有融合不好的現(xiàn)象，導(dǎo)致后續(xù)加工問題，故采用局部刷碲粉涂料代替冷鐵，以解決因縮松而導(dǎo)致的滲漏問題。

（1）碲的白口化作用

碲的冶金效應(yīng)原理及鑄滲碲工藝在鑄造生產(chǎn)中早已有所應(yīng)用，尤其是在汽車、拖拉機(jī)制造行業(yè)中，采用這種工藝已有效地解決了薄壁復(fù)雜鑄件的厚大部位（如氣缸體主油道孔）的縮松滲漏問題。一般認(rèn)為在靠近碲粉涂料涂層的鑄件表面處產(chǎn)生很薄的一層激冷白口鐵，該激冷層組織致密，可有效地防止鑄件的縮松滲漏。同時(shí)由于碲的影響，在激冷層下面鐵水的凝固方式發(fā)生變化，可導(dǎo)致石墨組織改變，石墨形態(tài)為D型+點(diǎn)狀、團(tuán)絮狀石墨，基體組織為珠光體+共晶萊氏體，激冷層厚度為0.90 mm，如圖 18～21所示。

圖18 碲影響位置金相（左邊為鑄件本體）

圖19 碲影響位置金相（腐蝕）

圖20 靠近本體區(qū)域金相

圖21 靠近本體區(qū)域金相（腐蝕）

碲是煉鋼廠的副產(chǎn)品，固態(tài)時(shí)呈六方晶格，原子序數(shù)為52，是介于金屬與非金屬之間的過渡元素。純碲的密度為6.25 g/cm3，熔點(diǎn)為450℃，沸點(diǎn)為1 390℃，在熔點(diǎn)以下極易升華，是強(qiáng)烈的反石墨化元素。碲促使鑄件表面形成白口層，其白口化作用的形式主要有：

①氣化過程：碲在與鐵水相接觸時(shí)，由于碲的升華而吸收大量的熱，從而造成鑄件表面過冷，改變鐵水的臨界冷卻率，加快鐵水的實(shí)際冷卻速度，加大結(jié)晶所需的過冷度，而產(chǎn)生致密的白口組織。

②熔解過程：涂料中加入熔點(diǎn)較低的碲粉，當(dāng)涂層接觸澆注的金屬液時(shí)涂層中的碲粉即呈熔融狀態(tài)，部分碲熔人鐵水表層中，由于碲是強(qiáng)烈反石墨化元素，從而阻礙了石墨的析出，促使鑄件表面產(chǎn)生白口層，防止組織縮松，這就是鑄件表面合金化的作用原理[4-5]。

（2）碲的副作用

圖22 水套芯刷碲粉涂料

圖23 水套芯粘砂

縮松缺陷發(fā)生部位為水套芯螺栓搭子處，所以將碲粉涂料刷在水套芯上。而碲要與鐵水接觸才能有效激冷，水套芯浸涂有抗脈紋涂料，經(jīng)過試驗(yàn)直接將碲粉涂料刷在烘干后的水套芯上如圖22，雖然能消除熱節(jié)所造成的縮松，但是碲粉涂料在不同濃度下，發(fā)現(xiàn)都有不同程度的水套粘砂現(xiàn)象存在，如圖23所示。會(huì)嚴(yán)重影響發(fā)動(dòng)機(jī)的冷卻效果。

3.3 生產(chǎn)結(jié)果

1）使用缸體專用孕育劑處理后的產(chǎn)品，力學(xué)性能和金相組織都能滿足產(chǎn)品技術(shù)要求，從金相上可以看出缸體專用孕育劑處理的鑄件共晶團(tuán)數(shù)量明顯少于硅鋇孕育劑處理的產(chǎn)品（見圖24、圖25）.

圖24 硅鋇孕育劑鑄件共晶團(tuán)（4級(jí)）

2）選用醇基石墨涂料作為碲粉涂料抗粘砂的底層涂料，經(jīng)過濃度試驗(yàn)選定合適的石墨涂料濃度14 s～16 s（標(biāo)準(zhǔn)滴定杯），碲粉涂料濃度在12 s～15 s，具有良好的抗粘砂效果，同時(shí)有效地消除了縮松缺陷，如圖26、圖27、圖28所示。

3）通過采取上述措施后，D公司生產(chǎn)的C鑄鐵缸體滲漏問題得到了很大改善，加工滲漏率穩(wěn)定控制在0.3%以下，缸體上行油道位置再未出現(xiàn)縮松缺陷，達(dá)到了質(zhì)量改進(jìn)的目標(biāo)，客戶非常滿意。

4 結(jié)束語(yǔ)

綜合以上兩個(gè)案例，對(duì)復(fù)雜缸體鑄件的缺陷分析解決要遵從以下幾點(diǎn)。

圖26 底層石墨涂料

圖27 面層碲粉涂料

圖28 抗粘砂、縮松效果

1）產(chǎn)品缺陷調(diào)查是基礎(chǔ)。缸體氣密性檢查中滲漏的部位各不相同，當(dāng)發(fā)現(xiàn)問題時(shí)，按缺陷位置對(duì)缺陷進(jìn)行初步分類，收集數(shù)據(jù)，接著對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，找出規(guī)律，依照“二八原則”，集中精力對(duì)占比80%的突出缺陷做更加深入調(diào)查分析。

2）缺陷定性分析是關(guān)鍵。借助解剖、探傷手段，金相顯微鏡、光譜、掃描電鏡等檢測(cè)設(shè)備對(duì)缺陷斷口特征進(jìn)行識(shí)別，準(zhǔn)確定性；

3）缺陷來(lái)源分析要全面。根據(jù)不同的鑄造生產(chǎn)工藝、鐵水熔煉工藝、爐料、造型材料等的差異，出現(xiàn)問題時(shí)要多方位多角度進(jìn)行分析，尤其是還未徹底認(rèn)清問題時(shí)，不能草率的下定論，要多方求證?？梢越柚冗M(jìn)的虛擬制造技術(shù)，對(duì)現(xiàn)有的鑄造工藝進(jìn)行模擬分析，可以直觀的看到在澆鑄過程中是否存在卷氣、夾渣、排氣不暢的現(xiàn)象，在凝固過程中，是否存在孤立的液相區(qū)域，是否需要增加冒口對(duì)孤立區(qū)域進(jìn)行補(bǔ)縮，根據(jù)模擬分析的結(jié)果是否需要調(diào)整鑄造工藝和熔煉工藝，能夠快速的判斷問題的產(chǎn)生原因，便于采取針對(duì)性措施，進(jìn)而加快產(chǎn)品開發(fā)和改進(jìn)周期。

4）綜合措施反復(fù)驗(yàn)證。在制定防止措施時(shí)，不能單一的針對(duì)某一方面制定對(duì)策，要采用綜合措施，制定的措施要嚴(yán)格的執(zhí)行，對(duì)采用的材料、工藝進(jìn)行反復(fù)驗(yàn)證，例如涂料的不同濃度梯度試驗(yàn)，有時(shí)只要我們?cè)谶^程中做一點(diǎn)點(diǎn)改動(dòng)，獲得的效果往往會(huì)很明顯。通過對(duì)主要缺陷的控制，反應(yīng)到滲漏的控制，只要對(duì)鑄造過程中細(xì)節(jié)做好，問題便能迎刃而解。