氣缸套料硬缺陷的產生原因及控制方法

■王明泉，張加中，徐強

氣缸套料硬缺陷的產生原因及控制方法

■王明泉，張加中，徐強

摘要：目前，氣缸套毛坯的生產主要采用離心鑄造的形式。離心鑄造時由于離心力的作用，改善了補縮條件，氣體和非金屬夾雜也易于自液體金屬中排出，因此離心鑄件的組織較致密，縮孔（縮松）、氣孔、夾雜等缺陷較少，但離心鑄造也帶來了料硬、內外砂和云斑等鑄造缺陷。著重闡述了料硬產生的原因及預防措施。

1. 概述

（1）料硬特征氣缸套料硬分為三個階段：硬度偏高、麻口和白口。料硬的程度與鐵液冷卻時的過冷度有直接關系，見表1。三種基體組織如圖1～圖3所示。

（2）料硬的影響增加加工難度，降低生產效率；縮短刀具的使用壽命；無法加工，形成廢品（見表2）。

2. 料硬產生原因及預防措施

氣缸套的料硬分為局部料硬和整體料硬，不同的料硬產生原因是不一樣的。局部料硬指缸套料硬主要局限在大端面、小端面、臺階處，少量在外壁空檔處，產生原因多為石棉墊保溫效果差、臺階處涂料薄、重金屬偏析等原因；整體料硬指缸套全部硬，不局限于某一部位，產生的原因涉及化學成分、澆注溫度、模溫、涂料及冷卻水等諸多因素。

氣缸套的材質多為灰鑄鐵，各元素對氣缸套的影響如下。

（1）碳、硅及碳當量 碳、硅是鑄鐵的主要組成元素，又都是強烈促進石墨化的元素，一般情況下碳、硅含量越高，越有利于石墨化。為了簡化和避免使用多元合金相圖，可以將碳、硅等元素，按照其對共晶點實際碳量的影響，將這些元素的量折算成對碳量的增減，以碳當量C E表示。為簡化計算，一般只考慮硅、磷的影響，因此簡化公式：CE%=C%+1/3(Si+P)%。因此，碳當量的變化對硬度有最直接影響。碳當量提高，促使石墨片變粗，數(shù)量增多，硬度下降；碳當量降低，石墨數(shù)量減少，石墨片細化，初析奧氏體枝晶量增加，硬度上升。

圖1　硬度偏高

圖2　麻口

圖3　白口

表1

（2）錳 溶入奧氏體的錳能擴大奧氏體相區(qū)，降低A3溫度和共析組織的碳含量，并且提高

奧氏體的穩(wěn)定性，使缸套避免珠光體轉變的臨界冷速降低，同時也使奧氏體分解溫度降低，在較低溫度下分解的產物組織較致密，強度和硬度較高。

（3）磷 當共晶轉變完成后殘留少量高磷低熔點鐵液，最終凝固成硬而脆的磷共晶。

（4）硫 能降低灰鑄鐵共晶轉變溫度，是強烈阻礙石墨化的元素，促使灰鑄鐵出現(xiàn)白口。

五大元素中碳、硅對缸套的影響最大。我公司曾經發(fā)生過這樣一起質量事故，在澆注某品種缸套時，工藝要求wC＝3.15% ～3.25%，爐前光譜分析wC為3.18%，符合工藝要求，此爐鐵液澆注成毛坯缸套在機加工時發(fā)現(xiàn)全部麻口，出現(xiàn)了批量性的報廢事故，后將廢品缸套用碳硫儀分析，wC僅為3.09%，經分析判斷這是一起由于光譜分析偏差致碳含量虛高造成的質量事故。

因此，在保證氣缸套材質要求的情況下，碳、硅宜在控制上限，錳、磷、硫宜控制在下限，有利于改善料硬的問題。

3. 涂料

氣缸套離心鑄造使用的涂料是水基涂料，主要起耐火、隔熱、保溫和易于脫模的作用。涂料對氣缸套硬度的影響主要有兩方面：一是其涂料的成分；二是涂料的厚度。

（1）涂料的組成目前，涂料的組成主要有硅石粉、膨潤土、滑石粉。其中起耐火保溫作用的是硅石粉，因此硅石粉的含量對毛坯缸套的保溫起著至關重要的作用，含量低了，毛坯保溫效果不好，過冷度大，會造成缸套料硬；含量高了影響了其他成分的配比，同樣也降低保溫效果。因此涂料中各種材料的配比對涂料的保溫效果有著直接影響。生產中建議3組材料含量的配比見表3。

（2）涂料的厚度涂料的厚度對毛坯缸套在澆注過程中的保溫也起著重要的作用，薄了影響保溫效果，造成料硬；厚了不容易干燥，在澆注時鐵液倒入后會出現(xiàn)“哧料”現(xiàn)象，形成外砂。因此涂料的厚度控制在一個合適的范圍很重要。筆者結合多年的工作實際，認為控制在0.6～1.2mm比較恰當，既能起到良好的保溫作用又保證涂料上模后能迅速干燥。

另外，在金屬型上涂敷涂料時要保證涂料厚度的均勻性，避免出現(xiàn)局部料硬的出現(xiàn)。

4. 鐵液澆注溫度

澆注的鐵液溫度一般在1300℃以上，而金屬型的溫度一般只有300℃左右，兩者之間存在很大的溫差。表4是一組在試驗新品時做的不同澆注溫度澆注的毛坯缸套硬度情況統(tǒng)計。

表2　氣缸套因料硬產生的廢品率統(tǒng)計

表3　中小型鑄鐵氣缸套金屬型離心鑄造涂料配方

表4　毛坯缸套硬度情況統(tǒng)計

從表4中我們不難看出，鐵液的澆注溫度和毛坯缸套的硬度呈正比關系，澆注溫度越高，毛坯缸套的硬度也越高。這是因為高溫鐵液進入低溫的模具，快冷時過冷度大，結晶將按Fe-Fe3C相圖進行，不利于石墨化，造成硬度高。因此，要控制毛坯缸套的硬度必須控制澆注溫度。但是，澆注溫度也不是越低，毛坯缸套的硬度就越低，當鐵液溫度低于1280℃，未澆注前已進行共

晶轉變，當進入金屬型激冷后，鐵液溫度迅速降低，結晶將按Fe-Fe3C相圖進行，不但會造成硬度大的缺陷，還會造成夾渣。

鐵液的澆注溫度在什么范圍合適呢，一般上限1400℃，下限1280℃，最好控制在1300～1350℃的范圍。

5. 金屬型溫度

氣缸套離心澆注使用的金屬型一般為鑄鐵或鑄鋼，可以多次反復使用。金屬型在澆注前都要進行預熱，其目的：一方面避免金屬型過冷，澆入鑄型的鐵液在急冷條件下合金過冷度大，內部形核結晶能力強，石墨析出能力差，結晶時滲碳體含量多，凝固過程中石墨析出不充分甚至造成非擴散性馬氏體相變；造成鑄件基體白口傾向大，出現(xiàn)產品硬度大，甚至外壁形成白口；另一方面可以利用金屬型將涂料烤干。要想獲得理想的硬度，金屬型的溫度必須控制在一個范圍內，溫度過低涂料不易干，而且澆注時鐵液過冷度大；溫度過高會將涂料燒掉，涂料上不去。金屬型的溫度一般上限400℃、下限300℃，最好控制在300～350℃的范圍。

另外，如石棉墊耐火隔熱保溫性差，也會造成毛坯缸套端面料硬；水冷時間的長短和水冷開始的早晚會對毛坯缸套的整體硬度存在影響；孕育劑的品種、加入方式、孕育次數(shù)和孕育劑加入量等不但影響孕育效果，也會造成毛坯缸套的料硬。

6. 結語

氣缸套的料硬缺陷，在離心鑄造中比較常見，主要應從以下4個方面對料硬問題進行控制。

（1）化學成分采取碳、硅上限控制，錳、磷、硫下限控制。

（2）控制涂料的配比和厚度。

（3）鐵液的澆注溫度最好控制在1300～1350℃。

（4）金屬型的溫度最好控制在300～350℃。

通過以上措施，能起到降低料硬及合理控制硬度的作用。

20150426

作者簡介：王明泉、張加中、徐強，江蘇愛吉斯海珠機械有限公司。