冷激球鐵凸輪軸氣孔分析及處理

張為平，陳冬梅，蔡鑫梅

(揚(yáng)州峰明光電新材料有限公司，江蘇 揚(yáng)州 225117)

冷激球鐵凸輪軸是發(fā)動(dòng)機(jī)中的關(guān)鍵部件，工作狀態(tài)下受到表面摩擦和壓力的作用，既要求表面硬度高，耐磨損，又要求心部具有一定的韌性[1-2]。在冷激球鐵凸輪軸的生產(chǎn)過程中，最常出現(xiàn)的問題就是氣孔缺陷，并且氣孔缺陷成因多、種類復(fù)雜，很大程度上影響著整個(gè)生產(chǎn)的質(zhì)量，導(dǎo)致的廢品率很高，所以對氣孔缺陷的研究是十分有必要的。

1 鑄造工藝簡介

1.1 工藝介紹

生產(chǎn)冷激球鐵凸輪軸上采用的是HJ5型震壓造型機(jī)造型，震壓前凸輪部位擺放仿形冷鐵，每小時(shí)造型效率26～30箱，圖1為凸輪軸的鑄造工藝圖。利用中頻感應(yīng)電爐持續(xù)熔煉鐵水，保持鐵水等砂型澆注狀態(tài)，煉效率每小時(shí)1爐，使用400 kg澆包球化孕育后轉(zhuǎn)澆。凸輪軸鑄造件質(zhì)量約10 kg，相對外廢率偏高，回爐料是主要的日常爐料，占比45%～55%，廢鋼約占5%～15%，生鐵補(bǔ)充到不足部分。

圖1 鑄造工藝圖

1.2 主要缺陷照片

如圖2、圖3所示，在凸輪軸激冷面附近易產(chǎn)生氣孔缺陷，這是由于熔液內(nèi)部存在大量的球化劑中的鎂和孕育劑中的鋁，此類元素在高溫熔液中產(chǎn)生了一定量的氣體，澆注后遇到冷鐵激冷凝固，冷卻速度快，氣體來不及排出，屬于皮下氣孔類，一般需在機(jī)加工后才能發(fā)現(xiàn)。

圖2 皮下氣孔形態(tài)1

圖3 皮下氣孔形態(tài)2

2 廢品原因分析

2.1 冷鐵的影響

凸輪軸體鑄造模具和冷鐵不配套，在凸輪局部位置成型不良，表面附著型砂，它是鑄件外表面同冷鐵接觸產(chǎn)生的表面氣孔。這是冷激球鐵凸輪軸氣孔缺陷中唯一一種開箱后可以直接目視發(fā)現(xiàn)的氣孔缺陷。如圖4所示，外冷鐵表面氣孔一般是在冷鐵使用一段時(shí)間以后才會(huì)發(fā)生。筆者分析認(rèn)為冷鐵經(jīng)過反復(fù)使用，表面粗糙度增加，易吸潮，澆注時(shí)水分快速氣化，形成表面氣孔。

圖4 鑄件圖

2.2 型砂含水率的影響

型砂含水率對凸輪軸鑄件皮下氣孔的影響如表1所示。

表1 型砂水分與氣孔的影響

當(dāng)型砂含水率低于5%時(shí)氣孔生成率偏低，隨著含水率增加氣孔生成率增加了許多。因?yàn)樾蜕昂看髸r(shí)，澆注液與砂型接觸后表面反應(yīng)過大，隨之生產(chǎn)的氣體越多(主要是H2和CO)[4]，澆注冷卻后氣體滯留鑄件界面處就形成大量的皮下氣孔。

2.3 澆注溫度的影響

澆注液的溫度越高，液體的粘性下降越快，內(nèi)部氣泡更容易上浮，同時(shí)也遲滯了鑄件表面生成氧化膜的速度，可防止熔渣對鑄件表面的破壞，因此需要嚴(yán)格控制澆注溫度。當(dāng)T澆<1380℃時(shí)鑄件表面氣孔較多，一般設(shè)置的T澆為1410～1430℃范圍，這是因?yàn)門澆>1400后，鑄件表面較為平順光滑，較高的澆注溫度使得烘烤砂型效果好，減低了型砂中的含水量，也可使?jié)沧⒁簝?nèi)氣體逸出更容易。

2.4 鎂殘余量的影響

表2 鎂殘余量的影響

球化處理后鎂殘余量對皮下氣孔的影響如表2所示，可以看出，當(dāng)殘余鎂含量高于一定值(約為0.04%)時(shí)，氣孔率顯著增加。這是因?yàn)殒V元素的脫氧作用，在澆注液內(nèi)生成了較多的氧化物、硫化物熔渣，大大增加了氣孔生成傾向，同時(shí)澆注時(shí)析出鎂蒸氣遇到水蒸氣反應(yīng)生成MgO煙氣和氫氣，顯著增加氣孔生成傾向[4]。Al與Mg在化學(xué)周期表中相鄰，同Mg的化學(xué)性質(zhì)相當(dāng)，在實(shí)際生產(chǎn)中，通常Al含量超過0.01%，皮下氣孔含量會(huì)急劇上升。

3 結(jié)論

綜上所述，冷激球鐵凸輪軸制造過程中氣孔缺陷導(dǎo)致的廢品率較高，遏制措施應(yīng)從減少鑄件澆注液中的熔渣量，更要降低澆注液型腔反應(yīng)生成氣體，加快內(nèi)部氣體的逸出等方面著手。(1)在保證球化率和坯料硬度條件下，盡量減少球化絲和孕育絲加入量，降低鎂殘余量與鋁元素殘余量；(2)控制型砂緊實(shí)率37%～41%，從而降低型砂含水量(<5%)，減少皮下氣孔的生成率；(3)澆注溫度應(yīng)控制在1410℃以上。在應(yīng)用改進(jìn)措施后，冷激球鐵凸輪軸鑄件廢品率降低了42.3%，有效地降低了生產(chǎn)成本。