灰鐵機(jī)體件熱裂紋的研究及預(yù)防

韓志濂，張聚輝，許景峰，鞠欣寶

（濰柴重機(jī)股份有限公司，山東濰坊 261108）

0 前言

裂紋是發(fā)動(dòng)機(jī)鑄件最危險(xiǎn)的缺陷之一。未被發(fā)現(xiàn)的裂紋會(huì)隨著發(fā)動(dòng)機(jī)的運(yùn)行、震動(dòng)而變大延伸，輕則造成部件漏水、漏油，重則導(dǎo)致整個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)破損崩潰，造成無(wú)法挽回的損失。

按裂紋產(chǎn)生的溫度范圍，裂紋可分為熱裂紋和冷裂紋。金屬液在凝固后期，已形成固相骨架，如果此時(shí)受到應(yīng)力，枝晶間裂開(kāi)且又得不到附近金屬液完全補(bǔ)充就會(huì)形成熱裂紋。冷裂紋是指在金屬液完全凝固后，局部受到的應(yīng)力超過(guò)此時(shí)鑄件的強(qiáng)度而產(chǎn)生的裂紋。熱裂紋形成在液固混合期，裂縫較寬，而且呈撕裂狀，裂紋的表面被嚴(yán)重氧化而呈氧化色，沒(méi)有金屬光澤。冷裂紋形成在完全凝固后，高溫下產(chǎn)生的冷裂紋也會(huì)因被氧化而呈黑褐色，且隨形成溫度的降低裂紋表面的氧化色逐漸變淡，低溫下有金屬光澤。無(wú)論程度多嚴(yán)重的冷裂紋，兩裂紋面都可嚴(yán)絲合縫虛擬地合在一起，但熱裂紋沒(méi)有這一特征，這也是快速區(qū)分熱裂紋與冷裂紋的方法之一。

我公司生產(chǎn)的一種V 型發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)體毛坯，12缸，重1172kg，HT280 材質(zhì)，砂芯采用冷芯盒工藝，砂型采用堿性酚醛樹(shù)脂自硬砂工藝，油底結(jié)合面朝上的底注工藝。實(shí)際生產(chǎn)中，在鑄件油底結(jié)合面缸與缸之間連接開(kāi)檔處會(huì)經(jīng)常出現(xiàn)裂紋缺陷，圖1、2 分別是裂紋出現(xiàn)的位置和形態(tài)。分析裂紋出現(xiàn)在鑄件毛坯的厚大處，形態(tài)符合熱裂紋特征，確認(rèn)此裂紋為熱裂紋。熱裂紋有內(nèi)裂紋和外裂紋之分，V 型發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)體裂紋裂口向外，屬于外裂紋。

圖1 裂紋出現(xiàn)的位置

圖2 裂紋的形態(tài)

1 問(wèn)題統(tǒng)計(jì)分析

為了方便統(tǒng)計(jì)，對(duì)裂紋出現(xiàn)的位置按圖3 方式進(jìn)行了編號(hào)標(biāo)注。表1 是V 型發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)體在四個(gè)月的生產(chǎn)中出現(xiàn)的裂紋缺陷位置統(tǒng)計(jì)。

圖3 裂紋位置統(tǒng)計(jì)示意圖

表1 裂紋情況統(tǒng)計(jì)

從統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)可以看出，右側(cè)出現(xiàn)熱裂紋的幾率遠(yuǎn)大于左側(cè)，比例為2.4:1；另外有一臺(tái)機(jī)體左右側(cè)都出現(xiàn)了熱裂紋。按時(shí)間分析，熱裂紋出現(xiàn)幾率并不均衡，但8 月13 日與9 月11 日分別發(fā)現(xiàn)了4 臺(tái)和6 臺(tái)熱裂紋的機(jī)體，較為集中，裂紋缺陷率為50%。

按照裂紋發(fā)生的相對(duì)位置進(jìn)行統(tǒng)計(jì)（如圖4），熱裂紋主要集中在中間兩檔，占比為72.2%，尤其是第三檔位出現(xiàn)15 件，發(fā)生率41.7%。

圖4 裂紋出現(xiàn)的檔位統(tǒng)計(jì)柱狀圖

通過(guò)對(duì)鐵水化學(xué)成分、爐前處理和澆注等過(guò)程對(duì)比排查分析，排除了鐵水成分波動(dòng)對(duì)熱裂紋產(chǎn)生的影響。

2 熱裂形成機(jī)理

V 型發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)體連接開(kāi)檔處深入到芯子內(nèi)部，散熱較慢，與外側(cè)壁相比，鐵水澆注后到完全凝固，時(shí)間間隔變長(zhǎng)，形成熱裂紋的幾率更大。

V 型發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)體采用的是底注工藝，頂部的鐵水溫度低、先開(kāi)始凝固；底部的鐵水溫度高且由于鑄件的澆注重量主要集中在下部，導(dǎo)致開(kāi)始凝固時(shí)間延遲。先凝固的頂部此時(shí)進(jìn)行線收縮，頂面外側(cè)壁與開(kāi)檔處受到的是收縮應(yīng)力。下部的鐵水溫度高、溫差大，底部凝固時(shí)，液態(tài)收縮和固態(tài)收縮疊加一起，會(huì)產(chǎn)生較大的線性收縮力；此時(shí)的頂部基本已完成凝固，但由于中間芯子的存在，底部的線性收縮力因杠桿作用傳遞到頂面就會(huì)變成一個(gè)拉伸應(yīng)力，當(dāng)頂部的芯子不能完全抵消傳遞過(guò)來(lái)的應(yīng)力時(shí)，頂部各部位受到的應(yīng)力便會(huì)變成拉伸應(yīng)力，若此時(shí)連接開(kāi)檔處還未完全凝固，便可能形成熱裂紋。

為了進(jìn)一步確認(rèn)熱裂紋形成機(jī)理，對(duì)產(chǎn)生熱裂紋的連接處的開(kāi)檔厚度進(jìn)行了檢測(cè)。圖5 是檢測(cè)方法，表2 是檢測(cè)數(shù)據(jù)。

表2 開(kāi)檔厚度檢測(cè)數(shù)據(jù)

圖5 裂紋處厚度檢測(cè)

裂紋的連接開(kāi)檔處厚度平均值為46.05mm，而完好的開(kāi)檔平均厚度僅為44.44mm，兩者相差1.61mm，有熱裂紋的開(kāi)檔處頂部普遍變厚。這表明，在凝固過(guò)程中砂芯阻力不足以抵消傳遞過(guò)來(lái)的應(yīng)力而導(dǎo)致砂芯表面向內(nèi)位移，開(kāi)檔處拉伸，熱裂紋形成。

3 試驗(yàn)改進(jìn)過(guò)程

3.1 問(wèn)題解決思路

現(xiàn)有工裝已經(jīng)投入生產(chǎn)，底注工藝已無(wú)法改變，為此構(gòu)思了以下幾個(gè)解決思路：

（1）改變開(kāi)檔處凝固環(huán)境。增加冷鐵，加速開(kāi)檔處的凝固，在應(yīng)力未變換成拉伸應(yīng)力前凝固完畢，提前具有了剛性強(qiáng)度，預(yù)防熱裂紋發(fā)生。

（2）凡是能減小合金在結(jié)晶溫度范圍內(nèi)線收縮量的元素或相變都能降低鑄件形成熱裂紋的傾向?？梢酝ㄟ^(guò)減少硫、磷等元素含量來(lái)降低熱裂紋形成的幾率。

（3）厚壁鑄件澆注溫度過(guò)高會(huì)增加鑄件的液態(tài)收縮、減緩冷卻速度，會(huì)使初晶粗化，形成偏析，進(jìn)而促進(jìn)熱裂紋的形成。據(jù)此可采用低溫慢澆工藝，但此工藝會(huì)導(dǎo)致機(jī)體的薄壁處可能出現(xiàn)冷隔缺陷，存在風(fēng)險(xiǎn)。

經(jīng)研究分析，擇優(yōu)選取了增加冷鐵的工藝進(jìn)行驗(yàn)證。

3.2 驗(yàn)證過(guò)程

為了保證驗(yàn)證效果，只在更易產(chǎn)生熱裂紋的機(jī)體右側(cè)增加冷鐵工藝，對(duì)比分析新工藝的有效性。圖6 是V 型發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)體右側(cè)使用冷鐵生產(chǎn)的砂型。

圖6 V 型發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)體上砂型

進(jìn)行了四批次共計(jì)35 臺(tái)V 型發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)體的加冷鐵工藝試驗(yàn)，所有加冷鐵的連接開(kāi)檔處都未產(chǎn)生熱裂紋，但有4 臺(tái)機(jī)體在未加冷鐵的機(jī)體左側(cè)連接開(kāi)檔處出現(xiàn)了熱裂紋，對(duì)比表明加冷鐵工藝效果顯著。

3.3 工裝完善使用

在模樣放置冷鐵部位加裝強(qiáng)力磁鐵，保證冷鐵在造型震實(shí)過(guò)程中保持位置固定。工裝正式投入使用后，連接開(kāi)檔處熱裂紋缺陷基本得到解決。圖7 是正式生產(chǎn)時(shí)的冷鐵布置情況。

圖7 完善后的加冷鐵工藝

4 結(jié)論

（1）頂部出現(xiàn)熱裂紋與采用的底注工藝有關(guān)。澆注完畢后頂部溫度低于底部溫度，凝固時(shí)易產(chǎn)生較大應(yīng)力，尤其是像V 型發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)體澆注重量主要集中在下部的這類(lèi)鑄件，凝固過(guò)程后期頂部位置所受的拉伸應(yīng)力會(huì)更大，更易產(chǎn)生熱裂紋。

（2）在易產(chǎn)生熱裂紋的部位加裝冷鐵，促使其提前凝固，保證其在受到應(yīng)力前具備足夠的剛性強(qiáng)度，可以預(yù)防熱裂紋缺陷的產(chǎn)生。

（3）形成各種裂紋缺陷的根本原因是鑄件凝固過(guò)程中形成的應(yīng)力過(guò)大、過(guò)于集中所致。針對(duì)毛坯的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，選擇合理的澆注工藝設(shè)計(jì)可以有效地減少鑄造應(yīng)力的形成或消除凝固過(guò)程中應(yīng)力的不良傳遞。