輕型柴油發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)體氣孔缺陷分析及解決

張永青，唐洪偉，胡俊康，趙志罡，李小龍

（濰柴動(dòng)力揚(yáng)州柴油機(jī)有限責(zé)任公司 鑄造廠，江蘇揚(yáng)州 225100）

揚(yáng)柴主要生產(chǎn)2L、3L、4L 輕型柴油機(jī)，其中柴油機(jī)的機(jī)體鑄件由揚(yáng)柴鑄造廠自主生產(chǎn)。機(jī)體造型采用靜壓造型線潮模砂工藝，一箱一件。制芯采用三乙胺冷芯工藝，砂芯整體組芯、整體浸涂水基涂料。機(jī)體的材質(zhì)牌號(hào)為HT280，使用中頻電爐和保溫澆注機(jī)進(jìn)行鐵水的熔煉和澆注，澆注重量在60～120kg 之間，澆注溫度在1410～1430℃。

自2017 年以來(lái)，鑄造廠生產(chǎn)的所有類(lèi)型的機(jī)體鑄件出現(xiàn)了一種孔眼類(lèi)缺陷（該缺陷在機(jī)體分布如圖1 所示）。該類(lèi)缺陷形狀為圓形孔洞型（如圖2 所示），位置分布于機(jī)體的下部，靠近砂芯表面，缺陷導(dǎo)致廢品的比例在1.3%～1.6%，是鑄造廢品缺陷的主要模式。該缺陷也成了近年來(lái)鑄造廠技術(shù)人員的重點(diǎn)攻關(guān)項(xiàng)目。

圖1 缺陷分布位置

圖2 缺陷樣式

1 缺陷成因分析

如圖3、4 所示，將缺陷試樣解剖后，通過(guò)掃描電鏡對(duì)該缺陷的微觀形態(tài)進(jìn)行觀察分析，并利用能譜分析對(duì)缺陷表面的成分進(jìn)行分析，最終確定該類(lèi)缺陷的類(lèi)型。

圖3 缺陷式樣

圖4 缺陷剖面

1.1 氣孔微觀形態(tài)分析

從圖5a 可以看出，在缺陷內(nèi)存在大小不等的鐵豆。在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中，此類(lèi)現(xiàn)象在該缺陷中出現(xiàn)比例較高。該現(xiàn)象表明，在機(jī)體澆注和充型的過(guò)程中，鐵水存在較為嚴(yán)重的飛濺現(xiàn)象，這也會(huì)引起二次氧化渣的形成。

從圖5b 以看出，缺陷內(nèi)壁出現(xiàn)龜裂和裂縫，甚至有較大的裂隙從缺陷內(nèi)表面向鑄件本體內(nèi)部延伸。這表明在鑄件凝固期間，仍有氣體向缺陷內(nèi)擴(kuò)散，導(dǎo)致缺陷長(zhǎng)大而出現(xiàn)缺陷內(nèi)壁裂紋，或較大裂隙（向鑄件內(nèi)延伸）。

圖5 缺陷的微觀形態(tài)

1.2 缺陷表面能譜分析

對(duì)缺陷進(jìn)行的微區(qū)物相分析的結(jié)果表明（如圖6 所示），缺陷表面的物質(zhì)主要為氧化硅、氧化鐵?？芍撊毕菔茄趸瘖A雜物和氣孔混合型缺陷。結(jié)合微觀組織觀察所得結(jié)果可以判斷：缺陷表面包裹著一層氧化夾雜物薄膜，該氧化夾雜物主要是二次渣和少量的一次渣。較多的一次渣的存在表明該缺陷與卷入性氣孔有關(guān)，且在澆注和充型過(guò)程中存在較嚴(yán)重的紊流[1，2]。

圖6 能譜分析

由上述分析可以判斷該類(lèi)缺陷屬于氧化夾雜物和氣孔混合型缺陷，較多的一次渣的存在可推斷該缺陷與卷入性氣孔有關(guān)。在澆注和充型過(guò)程中出現(xiàn)較嚴(yán)重的紊流可能導(dǎo)致卷入性氣孔；在澆注過(guò)程中，型腔發(fā)氣量大，氣體未能及時(shí)排出，也可能導(dǎo)致氣體卷入鐵水中，形成卷入性氣孔。少量二次渣的存在表明，氣孔缺陷位置，局部發(fā)氣量過(guò)大，鐵水在型腔內(nèi)二次氧化表層形成了氧化夾渣。

2 解決方法及驗(yàn)證

解決此類(lèi)缺陷主要考慮消除或者減小氣體來(lái)源，該類(lèi)氣孔靠近主體砂芯位置不屬于型砂導(dǎo)致的卷入性氣孔，且上述氣孔缺陷不同于常見(jiàn)氣孔缺陷，常見(jiàn)氣孔缺陷位于機(jī)體上型表面，而上述缺陷位于下型面。故初步分析導(dǎo)致缺陷的氣體來(lái)源主要為兩個(gè)：（1）主體砂芯局部發(fā)氣量大導(dǎo)致的入侵性氣孔；（2）澆注系統(tǒng)設(shè)計(jì)不合理，在澆注過(guò)程中氣體卷入形成了氣孔[1]。

2.1 解決砂芯局部發(fā)氣量過(guò)大的問(wèn)題

揚(yáng)柴鑄造廠采用冷芯盒法制芯，鑄件主體芯采用200kg 的移動(dòng)混砂機(jī)混制，樹(shù)脂含量百分比為1.6%，混砂時(shí)長(zhǎng)為60s。砂芯局部發(fā)氣量過(guò)大主要為混砂時(shí)樹(shù)脂攪拌不均勻，導(dǎo)致制芯過(guò)程中砂芯局部樹(shù)脂含量過(guò)高，澆注時(shí)局部發(fā)氣量大使得鑄件局部產(chǎn)生了入侵性氣孔。

為對(duì)“樹(shù)脂攪拌不均勻?qū)е律靶揪植堪l(fā)氣量過(guò)大”進(jìn)行驗(yàn)證，對(duì)主體砂芯制芯過(guò)程中的混砂時(shí)間由60s 延長(zhǎng)到90s。驗(yàn)證結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 氣孔廢品率

驗(yàn)證結(jié)果表明：增加制芯混砂時(shí)間后機(jī)體鑄件平均氣孔廢品率為1.6%，與調(diào)整前的1.3%～1.6%相比氣孔缺陷廢品率沒(méi)有改善，初步判斷此氣孔缺陷的氣體來(lái)源并非為主體砂芯，可以排除砂芯局部發(fā)氣量過(guò)大這一因素。

2.2 澆注系統(tǒng)的改進(jìn)

某機(jī)體澆注系統(tǒng)如圖7 所示，是一種開(kāi)放式的階梯式澆注系統(tǒng)，在直澆道內(nèi)放有陶瓷泡沫過(guò)濾網(wǎng)（實(shí)物圖如圖8 所示）。

圖7 某機(jī)體鑄件澆注系統(tǒng)

圖8 泡沫陶瓷過(guò)濾網(wǎng)在砂芯的位置

考慮到該開(kāi)放式澆注系統(tǒng)在內(nèi)澆道被充滿之前，中注內(nèi)澆道均呈非充滿狀態(tài)，澆注時(shí)可能卷入大量氣體，金屬液紊流卷氣造成上述氣孔缺陷[2]。我公司技術(shù)人員對(duì)某機(jī)體鑄件的澆注系統(tǒng)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了更改，改為半開(kāi)放式澆注系統(tǒng)，更改后的澆注系統(tǒng)示意圖如圖9 所示，該澆注系統(tǒng)在內(nèi)澆道上減去了一道中注澆道，可保證澆注系統(tǒng)在澆注過(guò)程中處于充滿狀態(tài)，避免澆注過(guò)程中澆注系統(tǒng)內(nèi)的卷氣現(xiàn)象。

圖9 更改后的某機(jī)體鑄件澆注系統(tǒng)

對(duì)更改后的澆注系統(tǒng)進(jìn)行小批量的澆注試驗(yàn)，上述氣孔問(wèn)題依舊存在未得到改善。以此判斷產(chǎn)生此類(lèi)氣孔不是澆注系統(tǒng)本身在澆注過(guò)程中失穩(wěn)產(chǎn)生紊流、卷氣所造成的。

2.3 其他原因分析

排除了砂芯發(fā)氣量過(guò)大和澆注系統(tǒng)的因素后，氣體的來(lái)源可能在整個(gè)澆注系統(tǒng)外部的某處。該來(lái)源處氣體在澆注開(kāi)始時(shí)隨鐵水一同進(jìn)入澆注系統(tǒng)經(jīng)底層內(nèi)澆道進(jìn)入下型，底層鐵水接觸砂芯快速冷卻，氣體無(wú)法及時(shí)溢出最終形成氣孔。

2.3.1 氣源的尋找

在澆注過(guò)程中與砂箱有直接關(guān)系的只有保溫澆注機(jī)這一設(shè)備，在大概率確定了上述氣孔是由外來(lái)氣體所致時(shí)，我廠技術(shù)人員對(duì)保溫澆注機(jī)進(jìn)行了分析。我廠的保溫澆注機(jī)為塞桿式自動(dòng)澆注機(jī)，工作時(shí)通過(guò)氣缸驅(qū)動(dòng)裝置使塞桿上下移動(dòng)，以控制澆注口鐵水的流動(dòng)[3]。塞桿在澆注機(jī)的位置如圖10 所示，塞桿通過(guò)緊固器與運(yùn)動(dòng)裝置連接。塞桿為內(nèi)部中空的圓柱體，下端為半球狀與澆注機(jī)鐵水出口配合（見(jiàn)圖11）。在澆注過(guò)程中塞桿向上移動(dòng)，鐵水流入鑄型，而在鐵水流入鑄型時(shí)因?yàn)槿麠U是中空的，塞桿內(nèi)的空氣易被鐵水卷入鑄型造成上述的氣孔類(lèi)缺陷。

圖10 塞桿在澆注機(jī)的位置

圖11 塞桿示意圖

2.3.2 氣源的消除

為了解決澆注過(guò)程中鐵水從塞桿中吸入氣體形成卷入性氣孔的問(wèn)題，我廠人員利用電爐的修爐材料（一種耐高溫?zé)Y(jié)固化材料）對(duì)塞桿結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，如圖12、13 兩種形式，封堵塞桿內(nèi)部的孔，并對(duì)兩種方式進(jìn)行生產(chǎn)驗(yàn)證。圖13 所示的塞桿下方長(zhǎng)時(shí)間處在鐵水液面下方，且封堵材料易被鐵水破壞失效，也有可能污染鐵水。

表2 驗(yàn)證結(jié)果

圖12 封堵塞桿上方 圖13 封堵塞桿下方

選用如圖12 所示的方式封堵塞桿，進(jìn)行澆注試驗(yàn)，驗(yàn)證結(jié)果見(jiàn)表2。結(jié)果表明，在對(duì)塞桿上方進(jìn)行封堵后，上述氣孔缺陷率基本為零。2019 年10 月?lián)P柴鑄造廠將“封堵塞桿”這一措施編入工藝規(guī)范，該類(lèi)氣孔缺陷問(wèn)題得到了徹底的解決。

3 結(jié)語(yǔ)

（1）鑄件氣孔類(lèi)缺陷所在位置不同，其產(chǎn)生的原因也是不同的，在面對(duì)不同位置的鑄件缺陷時(shí)需要根據(jù)其自身因素分析原因，才能更有效地解決問(wèn)題。

（2）氣體來(lái)源對(duì)解決鑄件氣孔缺陷問(wèn)題很重要，能夠快速準(zhǔn)確的找到氣體來(lái)源，才能夠針對(duì)性的找到解決辦法。