WD615氣缸蓋滲漏缺陷分析

喬進國，王安家，李孝艷，鮑俊敏

（濰柴動力（濰坊）鑄鍛有限公司，山東濰坊 261199）

氣缸蓋是發動機的關鍵部件之一，氣缸蓋自身帶有燃燒室、進氣道、排氣道、冷卻水腔等，內腔結構極其復雜,壁厚不均勻。鑄件技術要求高,鑄件極易出現氣孔、縮松等缺陷，給鑄造工藝設計帶來很大難度[1]。滲漏缺陷一般在氣缸蓋加工完成后的氣密性試驗工序發現，造成的廢品損失大。

1 生產條件

圖1 WD615氣缸蓋鑄造三維模型

WD615氣缸蓋毛坯質量20 kg，一箱6件，砂芯采用潮模砂工藝，除水夾層芯用耐高溫覆膜砂外，其余砂芯全部采用冷芯盒工藝，圖1所示為鑄造三維模型。WD615氣缸蓋材質為HT250，采用 35 t/h長爐齡熱風水冷富氧沖天爐與80 t工頻電爐雙聯熔煉工藝，鑄件本體硬度要求HB190～240。氣缸蓋加工完成后打壓進行氣密性試驗，加壓壓強為 0.4～0.6 MPa，加壓時間 60 s。

2 原因分析

WD615氣缸蓋滲漏位置位于缸蓋側壁，如圖2所示，該位置壁厚10 mm，且位置非常集中，滲漏廢品率達到1.1%。滲漏缺陷在加工單位氣密性試驗工序發現，是加工的末端工序，造成的廢品損失大。取樣化驗成分，均符合工藝要求，MAGMA模擬軟件分析缸蓋此部位也不易出現縮松缺陷。

圖2 WD615氣缸蓋漏水位置示意圖

對WD615缸蓋滲漏位置進行解剖，如圖3所示。割取滲漏位置缸蓋本體，用掃描電鏡觀察，圖4所示即為缺陷部位掃描電鏡圖片，圖片中孔洞類缺陷造成氣缸蓋壓力試驗過程中滲漏。

圖3 WD615氣缸蓋解剖圖

圖4 WD615氣缸蓋漏水部位掃描電鏡圖片

割取滲漏位置缸蓋本體拋光，用金相顯微鏡觀察，金相組織為石墨A型，片長4級，珠光體98%。孔洞的周圍石墨數量明顯偏少，脫碳現象明顯，如圖5所示。

圖5 WD615氣缸蓋漏水部位金相組織

圖6 WD615氣缸蓋滲漏部位掃描電鏡圖片

從孔洞處斷開試樣，用掃描電鏡觀察缺陷斷面，如圖6所示，標識區域內為缺陷組織，周圍為正常灰鑄鐵斷口組織。孔壁形貌特點為：孔壁表面呈現凹凸不平，起伏猶如丘陵，不如肉眼觀察下那樣平滑，有剛露頭的乳狀枝晶晶芽，但枝晶不發達。同掃描電鏡觀察下的晶間縮松孔壁表面相比較，兩者表面粗糙度有顯著的不同。晶間縮松的孔壁表面是由向三維空間發展明顯的枝晶露頭形成的。這些枝晶縱橫交叉，它們之間則是眾多的縮松孔洞，結果使晶間縮松孔壁表面十分粗糙，不同于氣孔孔壁。縮孔或縮松是鑄鐵件常見的缺陷，一般產生在鑄件的熱節部位[2]。

將缺陷部位放大，如圖7所示，可見缺陷部位表面均勻分布著一層黑色膜狀物質，能譜分析發現為一層石墨膜，如圖8所示。

圖7 WD615氣缸蓋滲漏斷面掃描電鏡圖片

綜合上述兩方面特征，我們判斷該缺陷為氣孔缺陷，而不是縮松缺陷，該氣孔缺陷為氫氣孔還是氮氣孔，還難以準確得出結論。借助于掃描電鏡觀察氣孔孔壁表面的微觀特征，有助于了解氣孔性質及其形成機理，從而能對鑄件缺陷類別作出正確的判斷，以能有效地防止氣孔缺陷。

圖8 WD615氣缸蓋漏水缺陷部位能譜分析

3 解決措施

通過采取下述措施，WD615氣缸蓋側壁滲漏率降低到0.3%以下。

（1）爐料要干凈和干燥，爐料中盡量避免攜帶水分、油脂、鐵銹、鋁銹等含氫材料。

（2）控制爐料中的廢鋼用量不超過70%。在正常情況下生鐵錠本身的含氮量并不高，而廢鋼的含氮量則顯著地高于生鐵錠。

（3）生產中應選用低氮增碳劑，在采用電爐熔煉時，由于廢鋼配比增加，增碳劑的加入量也隨之增加，增碳劑中所含的氮也會溶入鐵液，。

（4）澆注包使用前必須烘干，澆注前用鐵液燙包至紅熱狀態。

（5）嚴格控制潮模砂水分。因為在澆注后，在金屬液作用下，鑄型中的水分迅速蒸發并與金屬液中的某些組元反應。

Me為能和水蒸氣反應的元素，Fe-C合金中的Fe、C、Si、Mn、Al等都能與 H2O（g）發生反應，生產相應的氧化物和H2[3]。

（6）制芯過程中，嚴格控制樹脂加入量。樹脂含氮量過高容易引起氮氣孔，用酚醛樹脂覆膜砂制芯或酚醛尿烷樹脂造型也會產生氮氣孔，這是因為酚醛樹脂覆膜砂所用固化劑的烏洛托品中含有NH2。酚醛尿烷樹脂中的聚異氰酸酯的基本化合物為NCO，其中N和C結合力弱，在澆注時形成分子狀態的H2，它易從鐵液中向砂型外逃逸。但是，聚異氰酸酯在潮濕的環境下使用時，NCO與水發生強烈反應，產生如下式所示的NH2。

對于酚醛尿烷樹脂中的聚異氰酸酯，在潮濕的環境下使用時，NCO與水強烈反應，產生NH2，則要確保聚異氰酸酯容器的密封，減少它與空氣的接觸[4]。

（7）澆注過程中采用含鋯孕育劑隨流孕育處理。

4 結論

（1）采用金相顯微鏡及掃描電鏡分析發現，氣孔缺陷導致WD615氣缸蓋側壁滲漏。

（2）借助于掃描電鏡觀察鑄件孔洞類缺陷孔壁表面的微觀特征，有利于對鑄件缺陷類別作出正確的判斷。

[1]中國機械工程學會鑄造分會.《鑄造手冊》第4卷:造型材料[M].北京：機械工業出版社，2002.

[2]譚昌發,田迎新.鑄鐵件縮孔和縮松缺陷防止方法及應用實例[J].現代鑄鐵,2012,(1):61-64.

[3]安閣英.鑄件形成理論[M].北京：機械工業出版社，1990.6.

[4]金仲信.灰鑄鐵件的氮氣孔及其防止[J].現代鑄鐵,2005,(1):52-55.