鐵型覆砂球墨鑄鐵曲軸夾渣缺陷原因分析及措施

王旭東，黃健強

（山西東鑫衡隆機械制造股份有限公司，山西 侯馬 043000）

曲軸作為發(fā)動機的核心部件之一，在工作過程中主要承受彎曲、扭轉(zhuǎn)載荷，其主要失效形式為彎曲和扭轉(zhuǎn)疲勞斷裂。根據(jù)其功能和工作條件，要求曲軸具有較高的剛性和疲勞強度以及良好的耐磨性。鐵型覆砂鑄造工藝具有冷卻速度快、鑄型剛度好等特點，生產(chǎn)球墨鑄鐵時能夠促進(jìn)珠光體生成和細(xì)化晶粒，充分利用石墨化膨脹實現(xiàn)自補縮，從而獲得組織致密的高強度、高韌性鑄件。因此，鐵型覆砂工藝是生產(chǎn)球墨鑄鐵曲軸的一種比較理想的鑄造生產(chǎn)工藝。

夾渣缺陷是球墨鑄鐵曲軸生產(chǎn)中常見的一種鑄造缺陷，曲軸受力部位若存在夾渣缺陷，會成為潛在的裂紋源，將破壞組織的連續(xù)性，使鑄件塑性、韌性和疲勞強度下降，且曲軸強度要求越高，夾渣對基體組織連續(xù)性破壞作用越明顯，曲軸因疲勞強度下降導(dǎo)致疲勞斷裂的風(fēng)險增加。

我司采用鐵型覆砂鑄造工藝為某主機廠生產(chǎn)A型號的四缸發(fā)動機高牌號（QT850-5）球墨鑄鐵曲軸，在客戶加工過程中，在曲軸的連桿頸和主軸頸外圓部位發(fā)現(xiàn)存在夾渣缺陷，如圖1、圖2 所示，缺陷呈單個或幾個細(xì)小點狀或不規(guī)則線狀。由于缺陷的形態(tài)以及出現(xiàn)的位置，未加工前無法發(fā)現(xiàn)，加工后肉眼也很難發(fā)現(xiàn)，往往加工后磁粉探傷時或強光下外觀檢驗時才能發(fā)現(xiàn)，發(fā)現(xiàn)時機滯后，無法及時提前圍堵和止損。

圖1 曲軸連桿頸磨削后的線狀夾渣形態(tài)

圖2 曲軸連桿頸磨削后的點狀夾渣形態(tài)

缺陷發(fā)生的比例也不穩(wěn)定，通常在1.2%～2%左右。但2019 年4 月份，有一批產(chǎn)品加工后廢品率突然升高。經(jīng)過統(tǒng)計，客戶共加工A 型號曲軸11 970支，發(fā)現(xiàn)夾渣料廢584 支，料廢率4.9%，直接造成很大的經(jīng)濟損失，嚴(yán)重影響顧客的產(chǎn)線運營，質(zhì)量風(fēng)險增大。針對此鑄件夾渣缺陷造成的批量質(zhì)量問題，我司立即將缺陷產(chǎn)品委托湖北汽車工業(yè)學(xué)院進(jìn)行了微觀金相分析及缺陷處的微觀能譜成分分析，從夾渣形成的機理及技術(shù)設(shè)計、原輔材料、工藝控制、質(zhì)量檢驗等生產(chǎn)工藝過程方面進(jìn)行了分析研究。

1 鐵型覆砂球墨鑄鐵曲軸鑄造生產(chǎn)工藝流程

球墨鑄鐵曲軸鑄造生產(chǎn)主要分為：熔煉、球化、造型、澆注、清理等部分，其中熔煉、球化和澆注是影響鑄件夾渣的關(guān)鍵工序。

1.1 熔煉

熔煉分為鐵水熔化和球化孕育處理兩部分。

1）鐵水熔化：采用1 t 中頻感應(yīng)加熱電爐進(jìn)行鐵水熔煉，使用的爐料主要有球墨鑄鐵專用生鐵、廢鋼（成分為中低碳鋼）、回爐料（澆道及澆冒口）以及加入的合金元素（銅、錳等），加熱熔煉過程中，按工藝要求依次加入。各種爐料成分的準(zhǔn)確度直接影響產(chǎn)品的化學(xué)成分，爐料中含有的雜質(zhì)也將直接影響鐵水的純凈度，因此，爐料的成分應(yīng)符合原材料技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)要求，同時應(yīng)保證成分的一致性和爐料的純凈度。為了保證鐵水質(zhì)量，入爐前應(yīng)對生鐵廢鋼等入爐料中的有害成分（S、P、Ti 等）、回爐料上的粘砂、廢鋼中的雜料雜質(zhì)以及各種爐料的生銹、受潮等進(jìn)行嚴(yán)格檢驗與控制。

2）球化孕育處理：本產(chǎn)品采用蓋包法進(jìn)行球化孕育處理。球化前依次將球化劑、硅鐵、鐵屑（鐵屑主要作用為防止高溫鐵水直接與球化劑接觸，降低球化元素?zé)龘p，保證球化效果）放入鐵水包反應(yīng)坑內(nèi)壓實到一定程度。待鐵水熔煉到工藝溫度、成分檢測合格后，即可使鐵水出爐注入包內(nèi)進(jìn)行球化孕育處理。球化反應(yīng)結(jié)束后進(jìn)行充分扒渣，純凈的鐵水即可進(jìn)行澆注。

1.2 造型

鐵型覆砂造型，是通過操作射砂機用壓縮空氣將覆膜砂（酚醛樹脂砂）通過鐵型背部射砂孔射入鐵型與模型之間的空腔，經(jīng)過具有一定溫度的模型和鐵型加熱固化，獲得5 mm～8 mm 的覆膜層，脫模后形成鑄型型腔的造型方法。造型過程主要包括鐵型殘砂清理、射砂、固化、脫模、修型、合箱、澆口杯放置等部分。

1.3 澆注

澆注是將球化反應(yīng)后的鐵水依次澆入鐵型型腔內(nèi)獲得完整鑄件的過程，包括：鐵水澆注、二次孕育、型內(nèi)冷卻等。

1）鐵水澆注：澆注過程主要控制的參數(shù)有鐵水澆注溫度和澆注速度。

2）二次孕育（瞬時隨流孕育）：由于鐵水進(jìn)入型腔后冷卻速度快，鐵水在凝固過程中容易形成滲碳體，在澆注過程中對鐵水進(jìn)行二次瞬時隨流孕育可有效提高單位面積石墨球數(shù)，細(xì)化石墨，改善球化效果，防止?jié)B碳體的產(chǎn)生。二次孕育的主要控制參數(shù)為孕育劑的粒度和孕育量。

3）型內(nèi)冷卻：澆注后的鐵水以一定的冷卻速度進(jìn)行凝固，獲得相應(yīng)的基體組織和完整的鑄件。主要通過開箱時間實現(xiàn)型內(nèi)冷卻控制。

1.4 清理

鑄件清理主要是去除鑄件分型面殘留的飛邊毛刺和鑄件表面附著的殘砂。

2 夾渣缺陷分析

2.1 夾渣形成機理

結(jié)合球墨鑄鐵曲軸鑄造生產(chǎn)過程，主要從渣源和夾渣形成路徑兩個方面進(jìn)行分析。

1）形成鑄件夾渣的渣源主要有：入爐材料銹蝕，熔化過程中氧化，形成氧化物夾渣；入爐材料含渣量大，熔煉過程無法順利去除；Mg 殘余量過大，球化元素與氧、硫形成難熔的硫化物（MgS）夾渣物和氧化物（MgO）夾渣物；孕育劑粒度選擇不當(dāng)、孕育量過大，或澆注溫度過低孕育劑不能充分熔化，在鑄件凝固時聚集形成夾渣物。

2）夾渣形成路徑：澆注系統(tǒng)未能充分發(fā)揮其擋渣作用，渣子隨鐵水進(jìn)入型腔；澆注時加入的孕育劑粒度小于過濾網(wǎng)的孔徑，可以隨鐵水進(jìn)入型腔。

2.2 存在問題分析

1）入爐材料管理：對入爐材料進(jìn)行排查，發(fā)現(xiàn)生產(chǎn)期間使用的生鐵、廢鋼存在銹蝕現(xiàn)象，廢鋼中摻雜雜質(zhì)，A 型號曲軸鑄造過程使用的回爐料為該產(chǎn)品的澆注系統(tǒng)和澆冒口，其表面附著的殘砂沒有經(jīng)過處理。

2）球化劑加入量：通過對球化過程的排查發(fā)現(xiàn)本次產(chǎn)品為保證鑄件具有良好的球化效果，加入了過量的球化劑，由于多余的球化元素在鑄件凝固過程中與硫、氧結(jié)合形成了硫化物和氧化物夾渣。通過對夾渣缺陷部位制樣進(jìn)行能譜分析，分析結(jié)果見圖4，發(fā)現(xiàn)缺陷部位含有高濃度的鎂元素（鎂濃度為0.67），說明球化劑過量。

圖3 入爐材料

圖4 夾渣缺陷部位制樣進(jìn)行能譜分析情況

3）二次孕育時孕育劑選擇：通過對孕育劑的檢查，發(fā)現(xiàn)選用的0.2 mm～0.85 mm 的FeSi75 孕育劑粒度分布不均勻，有70%左右在0.2 mm～0.4 mm，細(xì)小粒度的孕育劑在隨鐵水進(jìn)入型腔后來不及擴散被高溫鐵水氧化，形成氧化物。由于其密度小于鐵的密度，在鐵水凝固過程中不斷聚集上浮形成夾渣。

4）澆注系統(tǒng)擋渣效果：充型過程中，由于密度原因，鐵水內(nèi)的雜質(zhì)會不斷上浮，當(dāng)內(nèi)澆道截面積之和大于直澆道截面積時，橫澆道設(shè)計不利于將上浮于橫澆道頂部的雜質(zhì)阻擋在橫澆道內(nèi)，雜質(zhì)隨鐵水進(jìn)入型腔，形成夾渣。當(dāng)內(nèi)澆道截面積之和小于直澆道截面積時，鐵水在流經(jīng)內(nèi)澆口時產(chǎn)生飛濺，飛濺的液滴表面迅速形成一層氧化膜，這些氧化膜面積大，密度小能夠被迅速浮起形成氧化渣。

3 改進(jìn)措施

3.1 加強對使用材料的管理

1）對各種入爐材料進(jìn)行純凈度管控：對使用的回爐料進(jìn)行拋丸處理，去除其表面殘砂，降低其對鐵水純凈度的影響；不使用含銹、含渣的廢鋼和生鐵；使用的壓包鐵屑在使用前進(jìn)行篩選，去除其在加工過程混入的合金刀頭等雜質(zhì)。

2）確定合理的球化劑加入量，并根據(jù)生產(chǎn)時檢測的殘余量結(jié)果（實際控制值）和金相檢測結(jié)果調(diào)整球化劑加入量。在保證球化效果的基礎(chǔ)上，盡量減少球化劑的加入量。

3）調(diào)整瞬時孕育劑粒度范圍：由0.2 mm～0.85 mm調(diào)整為0.4 mm～0.85 mm，并在使用前進(jìn)行篩選確認(rèn)。

3.2 優(yōu)化澆注系統(tǒng)設(shè)計

1）對澆注系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化：充分發(fā)揮橫澆道的擋渣作用。

2）對內(nèi)澆口尺寸進(jìn)行調(diào)整：原內(nèi)澆口尺寸13mm×14 mm×7 mm 先后調(diào)整為16 mm×17 mm×8 mm和16.2 mm×17 mm×6 mm.

3）二次過濾：在內(nèi)澆口前放置纖維過濾網(wǎng)的基礎(chǔ)上，再在澆口杯內(nèi)加泡沫陶瓷過濾器，加強過濾作用，增強過濾效果。

4 措施驗證

4.1 加強入爐料管理

通過加強對使用材料的管理（入爐材料的純凈度、球化劑的加入量、孕育劑的粒度），夾渣缺陷出現(xiàn)比例明顯下降，由5%左右下降到1.97%（采取措施后客戶共加工A 型號曲軸19 281 支，發(fā)現(xiàn)夾渣料廢381 支，料廢率1.97%），但是還是不能達(dá)到客戶要求的料廢指標(biāo)1.5%以下。

4.2 優(yōu)化澆注系統(tǒng)

第一，加大了下箱橫澆道到上箱橫澆道的坡度，上箱橫澆道靠近直澆道方向處增加了一個緩流角，集渣包的高度增加了10 mm，增加鐵水在橫澆道內(nèi)的爬坡距離，減緩了鐵水流速，便于鐵水內(nèi)的雜質(zhì)在流經(jīng)橫澆道上浮并粘在橫澆道頂部和集渣包頂部，優(yōu)化前澆注系統(tǒng)如圖5 所示，優(yōu)化后如圖6所示；第二，在澆口杯內(nèi)加泡沫陶瓷過濾器，與型內(nèi)置于內(nèi)澆道處的纖維過濾網(wǎng)，對鐵水進(jìn)行兩次過濾，使得鐵水在流經(jīng)澆注系統(tǒng)時更加平緩，減少渣子由于紊流被卷入型腔。修改后料廢率很不穩(wěn)定，在0.5%～1.8%范圍內(nèi)波動。

圖5 原設(shè)計A 型號曲軸澆注系統(tǒng)

圖6 改進(jìn)后A 型號曲軸澆注系統(tǒng)

4.3 優(yōu)化內(nèi)澆口尺寸

對原有內(nèi)澆口進(jìn)行兩次修改，發(fā)現(xiàn)內(nèi)澆口尺寸的合理設(shè)計有利于鐵水擋渣。

4.3.1 第一次調(diào)整內(nèi)澆口實驗

通過測量將原內(nèi)澆口尺寸為13 mm×14 mm×7 mm 調(diào)整為16 mm×17 mm×8 mm 增加內(nèi)澆口截面積，減少鐵水飛濺。為確保實驗效果同一批次使用兩種不同尺寸的內(nèi)澆口進(jìn)行生產(chǎn)（用原內(nèi)澆口生產(chǎn)5 520 件，用調(diào)整后的內(nèi)澆口生產(chǎn)4 617 件），以減少其他生產(chǎn)條件對實驗結(jié)果的影響。

經(jīng)過客戶加工驗證：調(diào)整前后因夾渣而料廢件數(shù)分別為61 件（料廢率1.1%）件和67 件（料廢率1.45%）.從料廢情況看內(nèi)澆口調(diào)整后料廢率上升0.35%.

分析調(diào)整內(nèi)澆口前后夾渣缺陷比例變化的原因：原內(nèi)澆口截面積為94.5 mm，調(diào)整后內(nèi)澆口截面積為132 mm,鐵水在澆注過程中存在內(nèi)澆口不能完全充滿現(xiàn)象，無法起到調(diào)節(jié)鐵水進(jìn)入型腔的流量，橫澆道內(nèi)不斷上浮的渣子未能超過內(nèi)澆道吸動區(qū)，隨鐵水進(jìn)入型腔形成夾渣。橫澆道擋渣原理如圖7所示。

圖7 橫澆道的擋渣原理

4.3.2 第二次調(diào)整內(nèi)澆口實驗

通過內(nèi)澆口第一次調(diào)整后實驗驗證分析，將內(nèi)澆口的高度由8 mm 降低為6 mm（即將內(nèi)澆口的尺寸調(diào)整為16.2 mm×17 mm×6 mm）進(jìn)行再次實驗。調(diào)整后組織生產(chǎn)8 256 件，經(jīng)過加工驗證因夾渣而料廢的58 件（料廢率0.7%），料廢好于同期生產(chǎn)的鑄件。

4.3.3 內(nèi)澆口尺寸調(diào)整結(jié)果

采用第二次調(diào)整后的內(nèi)澆口（內(nèi)澆口的尺寸為16.2 mm×17 mm×6 mm），進(jìn)行批量生產(chǎn)，目前料廢率穩(wěn)定在0.5%左右。

5 結(jié)論

1）減少渣源是解決夾渣最直接、難度最小、也最有效的方法。在熔煉前期應(yīng)對原材料進(jìn)行嚴(yán)格控制，合理配料，控制化學(xué)成分，防止渣的產(chǎn)生，渣子一旦產(chǎn)生并存在于鐵水中，很難在后道工序被徹底去除。

2）合理設(shè)計澆注系統(tǒng)，增強澆注系統(tǒng)的擋渣能力可有效降低夾渣缺陷的發(fā)生頻率。本次夾渣缺陷解決過程中對澆注系統(tǒng)和內(nèi)澆口尺寸進(jìn)行了合理優(yōu)化，同時在澆口杯中增加泡沫陶瓷過濾器，進(jìn)行鐵水的二次過濾，使得其擋渣篦渣作用得以充分發(fā)揮，有效降低了夾渣缺陷的發(fā)生。