發(fā)動機缸體頂面渣孔分析與改進措施

何宗南，曾華賓，唐麗巧，魏五洲

（柳州五菱柳機動力有限公司，廣西 柳州545005）

0 前言

缸體作為發(fā)動機3C件（China Compulsory Certification即強制性認證產(chǎn)品）之一，其鑄造生產(chǎn)是一個工藝復雜，生產(chǎn)環(huán)節(jié)多的過程，B15缸體（牌號為HT250合金鑄鐵）作為汽油發(fā)動機缸體是我公司生產(chǎn)的主要產(chǎn)品，屬于薄壁、復雜、高強度的箱體式鑄件。鑄件毛坯重約42 kg，最大外形尺寸為358 mm×250 mm×360 mm，最小壁厚3.5 mm。筆者公司發(fā)動機缸體缺陷區(qū)域主要位于頂面，且多數(shù)是在客戶加工完才顯現(xiàn)，處于皮下，比例較高，客戶對此嚴重抱怨。

我司發(fā)動機缸體的主要造型及熔煉設(shè)備如下：

1）造型設(shè)備：采用意大利SAVELLI公司雙面壓實靜壓水平有箱造型線，一型四件，相互交錯布置，采用濕型黏土砂造型，砂芯采用覆膜砂熱芯盒制作。

2）熔煉設(shè)備：熔煉設(shè)備為4臺6 t中頻感應電爐，熔煉一爐鐵液時間約為60 min，一爐鐵液分包出水，每包約1 600 kg，澆注采用保溫澆注，澆注一箱鑄件時間約為10 s～13 s，澆注溫度為1 410～1 440℃，采用包內(nèi)孕育和隨流孕育。

我司發(fā)動機缸體的澆注系統(tǒng)設(shè)計思路如下：采用兩級直澆道、橫澆道，第二級直澆道、橫澆道、內(nèi)澆道在缸筒芯、端面芯、油道芯上形成，缸筒芯直澆道開始處放置過濾網(wǎng)，內(nèi)澆道設(shè)置在缸筒芯底部，兩側(cè)各有一處由端面芯形成的澆口，澆注系統(tǒng)為底注式，為半封閉半開放式。

針對發(fā)動機缸體在集中區(qū)域出現(xiàn)的缺陷，本文通過對鑄件缺陷描點、分布區(qū)域特征分類，采用顯微觀察定性，電鏡能譜定量分析確認缺陷類型，分析缺陷產(chǎn)生機理及影響因素，通過提升鐵液純凈度，優(yōu)化溢流冒口設(shè)計，改善澆注系統(tǒng)等措施，有效地降低缸體頂面缺陷率，為分析、降低缸體集中區(qū)域缺陷提供了解決思路。

1 缺陷分析

1.1 缺陷情況簡介

客戶要求缸體鑄件表面及客戶機加工后要求不能有砂孔、渣孔、氣孔等鑄造缺陷，但缸體鑄造缺陷類型較多，如砂孔、氣孔、冷隔、砂芯斷等，有時候鑄造缺陷的出現(xiàn)在表皮，但有時候也會隱藏在皮下，在客戶機加工完后才顯現(xiàn)[1-2]，如我公司生產(chǎn)的缸體頂面渣孔缺陷就屬于這種情況，該區(qū)域缺陷很少出現(xiàn)的鑄件表面，在客戶端加工后，缺陷開始顯現(xiàn)，如下圖1所示，頂面渣孔缺陷率高達5.31%，占總料廢的比重為71%，為主要分布區(qū)域，實物缺陷如圖1所示。

圖1 典型頂面渣孔缺陷

1.2 缺陷位置分布分析

頂面渣孔缺陷，大部分處于鑄件工藝結(jié)構(gòu)分型面的上型側(cè)，鑄件分型示意圖如圖2所示，通過對頂面缺陷數(shù)分布具體位置進行坐標對應，結(jié)果如圖3所示（將鑄件頂面區(qū)域?qū)嵭芯W(wǎng)格劃分，d1～d6表示劃分的網(wǎng)格代號；并將每一件故障件缺陷位置與網(wǎng)格對應，統(tǒng)計各個網(wǎng)格中缺陷數(shù)量，網(wǎng)格中標示的數(shù)字代表該區(qū)域發(fā)生的缺陷樣本數(shù)，數(shù)字越大，表示該區(qū)域發(fā)生缺陷越集中），缺陷分布在分型面以上，主要處于缸孔的上方、水道芯腳位置附近。

圖2 鑄件分型示意圖

圖3 頂面缺陷分布缺陷數(shù)

1.3 缺陷顯微、能譜分析

（1）顯微分析：取典型頂面缺陷樣件，使用德國徠卡倒置金相顯微鏡，型號為DMI3000M觀察，形貌如下圖4所示，缺陷位置下凹，局部孔洞位置較光滑，其連接區(qū)域無明顯規(guī)則、深度較淺，孔洞內(nèi)有光澤和色彩，有類似渣孔特征，從顯微特征分析，基本確定其為渣孔。

圖4 典型缺陷顯微鏡100倍形貌

（2）電鏡、能譜分析（如圖 5）：使用 JSM-5610LV掃描電鏡和EDAX能譜儀分析發(fā)現(xiàn)缺陷區(qū)域缺陷特征：內(nèi)壁明顯氧化，局部深凹、光滑，其他區(qū)域較粗糙、不規(guī)則、較淺，有類似渣粒的殘留物質(zhì)，分析其主要元素為 O、Al、Si、Mn、Ca，并且其中 O 元素含量很高，說明該缺陷中含有氧化夾雜物。

圖5 典型缺陷電鏡分析形貌及定量分析結(jié)果1

通過對缺陷樣塊宏觀表面、顯微鏡微觀觀察，電鏡、能譜分析缺陷組分，確認了缺陷類型為渣孔。

2 缺陷產(chǎn)生原因分析及對策

2.1 渣孔缺陷成因分析

渣孔缺陷屬于夾雜類缺陷，而夾雜類缺陷來源大致可分為內(nèi)生夾雜物和外來夾雜物。鐵液中本身含有的熔渣等夾雜屬于外來夾雜物，而孕育或澆注時生產(chǎn)的氧化夾雜物屬于內(nèi)生夾雜物[3]。

2.2 鐵液的純凈度

（1）熔煉除渣：鐵液熔煉完成后，要在中頻爐中撒除渣劑進行爐內(nèi)扒渣，一般進行2次左右扒渣，若渣過多，則需增加扒渣次數(shù)，需保證在出鐵液前爐內(nèi)液面干凈，扒渣后要升溫靜置。

（2）鐵液中轉(zhuǎn)扒渣：筆者公司使用1.6 t茶壺包從中頻爐轉(zhuǎn)運鐵液至保溫澆注爐，每爐鐵液分4次轉(zhuǎn)運，每次轉(zhuǎn)運時，需撒除渣劑進行二次除渣，保證鐵液的純凈度，中轉(zhuǎn)茶壺包需要定期清理包壁殘渣，減少轉(zhuǎn)運過程將殘渣帶入鐵液中。

2.3 頂面溢流設(shè)計

頂面的溢流冒口設(shè)計較小，冒口與本體搭接較低，且冒口上未設(shè)置通氣孔，導致排渣溢渣能力較弱、排氣效果較差。

2.4 澆注系統(tǒng)

該鑄件采用底注式澆注系統(tǒng)，第一級直澆道截面相對較小，第一級橫澆道相對比較封閉，鐵液不能快速充滿，鐵液在第一橫澆道會產(chǎn)生渦流及高速紊流區(qū)，易引起渣，砂和氧化夾雜物的聚集，內(nèi)澆口比較開放，弱化對鐵液的擋渣能力，當鐵液紊流程度增加時，鐵液中的夾渣上浮的阻力增大[3]，細小的渣?；蛘邐A雜物隨鐵液進入型腔，滯留在鑄件的上型頂面區(qū)域，從而導致渣孔集中出現(xiàn)，造成加工廢品。

3 改進措施及效果

3.1 改善鐵液純凈度

（1）明確鐵液熔煉完后靜置升溫溫度及靜置時間要求

升溫要求為1 520～1 530℃后斷電靜置處理，讓細小的熔渣能夠與鐵液分析并上浮，靜置時間要求為大于10 min，除掉浮出的細渣。此外，規(guī)定熔煉完調(diào)整成分時加入預處理劑、增碳劑、合金以及生鐵和廢鋼等材料時，同樣需要升溫至1 520～1 530℃后斷電靜置處理，靜置超過10 min后方可出鐵水。

（2）增加保溫澆注爐除渣

保溫澆注爐每次進水后或者停線超過30 min不澆注時，需要將塞桿及進出水口鐵液表面的浮渣清除干凈；澆注過程中不允許清理出水槽浮渣，若需清理，必須停止?jié)沧?，待清理干凈后再恢復澆注?/p>

每班開始澆注前將水槽和浮子表面的渣清除干凈，每一個月進行一次爐內(nèi)除渣，將保溫爐內(nèi)部的渣清除干凈。

3.2 優(yōu)化頂面溢流冒口設(shè)計

（1）增加頂面溢流冒口與本體的搭接高度，如圖6所示，則鐵液中渣、夾雜溢流通道增加，使其更易排出至溢流冒口，減少殘留在本體的概率。

圖6 頂面冒口搭接形狀、高度變化圖

（2）在冒口上設(shè)計通氣孔、并扎穿，使其與大氣相通，增加排氣、排渣虹吸力；加大冒口體積，增加溢渣能力，并加寬冒口與本體的連接寬度，如圖7所示。

圖7 增大冒口體積及加寬冒口與本體的連接寬度

3.3 改善澆注系統(tǒng)

在鑄造工藝設(shè)計上，一個好的澆注系統(tǒng)，澆注比較順暢、補縮設(shè)計合理，金屬液充型平穩(wěn)、無明顯飛濺、紊流，擋渣、阻渣效果好，鐵液的氧化和卷氣少，現(xiàn)用澆注系統(tǒng)采用封閉式，但一級阻流較小，內(nèi)澆口過于封閉，充型能力及排渣溢渣能力不足，鐵液中的渣不能及時有效的排除，形成渣氣孔。

（1）直澆道

增加一級直澆道直徑，增大其阻流截面積，阻流截面積加大50 mm2，并加裝固定銑澆口杯裝置，使其與一級直澆道搭接穩(wěn)定，并確保一級直澆道阻流截面積一致性較好；在直澆道末端增大直澆道窩，這樣可以將鐵液下落時產(chǎn)生的部分動能轉(zhuǎn)化，當鐵液進入橫澆道時就比較平穩(wěn)，減輕對底部的沖刷，也縮短了橫澆道的紊流區(qū)，有利于阻渣、減少卷氣、氧化夾雜的產(chǎn)生。

（2）橫澆道

橫澆道又被稱之為阻渣道，是澆注系統(tǒng)的主要擋渣、阻渣澆道，在橫澆道的末端加大集渣包，可以使鐵液流速下降，使小密度的細渣上升并留在集渣包內(nèi)；同時增加一級橫澆道截面積（加大40 mm2），使阻流澆注單元及時建立充型壓力頭，保證充型能力。

（3）內(nèi)澆道

內(nèi)澆道的設(shè)計需注意鐵液進入型腔有無噴射，飛濺和紊流現(xiàn)象，保證鐵液快速充型、便于排氣和除渣[3]，從內(nèi)澆道的設(shè)計上考慮，內(nèi)澆道不宜過大，尤其不能過后，盡量考慮往偏薄方向設(shè)計，這樣可以提高橫澆道的阻渣效果，降低型腔進入初期渣概率，因此，通過減薄內(nèi)澆口，微調(diào)內(nèi)澆口截面積（內(nèi)澆口減小30 mm2），提高內(nèi)澆口浮渣/擋渣能力。

圖8 改善后的澆注系統(tǒng)示意圖

3.4 改進效果

通過改善鐵液純凈度、優(yōu)化頂面溢流冒口設(shè)計，改善澆注系統(tǒng)（如圖8），提高了鐵液的純凈度，澆注系統(tǒng)的改善，改變了型腔內(nèi)鐵液的流場及溫度場分布，適當提高直澆道、橫澆道的鐵水進入量，將內(nèi)澆道減薄、截面積減少，鐵液對于型腔的沖刷小，充型平穩(wěn)，減少了澆注過程中產(chǎn)生的二次渣，通過增加充型能力，提高了排渣、溢渣能力，將渣溢出至溢流通道，而溢流冒口的增大、搭接口加深、加寬，也增加了溢渣排氣的能力，減少渣、氧化夾雜物在頂面的聚集，從而可以有效的降低渣孔的產(chǎn)生。

改善后，加工驗證8600件，總料廢率為2.3%，其中頂面渣孔缺陷比例由改進前的5.31%下降至0.52%，下降幅度達到90%，有相當明顯的效果，后續(xù)加工持續(xù)穩(wěn)定在這個料廢水平，滿足了客戶的要求，極大地提升了質(zhì)量水平，也產(chǎn)生了巨大的經(jīng)濟效益，贏得了客戶的信賴。

4 結(jié)論

綜上所述，通過改善鐵液純凈度，優(yōu)化頂面溢流冒口設(shè)計，改善澆注系統(tǒng)中的阻流單元截面積，使其充型更加平穩(wěn)、在澆注初期能夠快速建立壓頭，有效地提升了排渣溢渣能力，可以明顯降低頂面的渣孔，滿足客戶的要求，并穩(wěn)定在可控水平，提升了產(chǎn)品的品質(zhì)，為公司帶來了巨大的經(jīng)濟效益，實踐證明，澆注系統(tǒng)及溢流方式的設(shè)計，必須根據(jù)產(chǎn)品的實際情況進行優(yōu)化調(diào)整，使其與產(chǎn)線設(shè)備狀態(tài)，產(chǎn)品結(jié)構(gòu)特征等符合，才能達到較高的良品率，做到質(zhì)量水平的穩(wěn)定。