發動機缸體頂面渣孔分析與改進措施

何宗南，曾華賓，唐麗巧，魏五洲

（柳州五菱柳機動力有限公司，廣西 柳州545005）

0 前言

缸體作為發動機3C件（China Compulsory Certification即強制性認證產品）之一，其鑄造生產是一個工藝復雜，生產環節多的過程，B15缸體（牌號為HT250合金鑄鐵）作為汽油發動機缸體是我公司生產的主要產品，屬于薄壁、復雜、高強度的箱體式鑄件。鑄件毛坯重約42 kg，最大外形尺寸為358 mm×250 mm×360 mm，最小壁厚3.5 mm。筆者公司發動機缸體缺陷區域主要位于頂面，且多數是在客戶加工完才顯現，處于皮下，比例較高，客戶對此嚴重抱怨。

我司發動機缸體的主要造型及熔煉設備如下：

1）造型設備：采用意大利SAVELLI公司雙面壓實靜壓水平有箱造型線，一型四件，相互交錯布置，采用濕型黏土砂造型，砂芯采用覆膜砂熱芯盒制作。

2）熔煉設備：熔煉設備為4臺6 t中頻感應電爐，熔煉一爐鐵液時間約為60 min，一爐鐵液分包出水，每包約1 600 kg，澆注采用保溫澆注，澆注一箱鑄件時間約為10 s～13 s，澆注溫度為1 410～1 440℃，采用包內孕育和隨流孕育。

我司發動機缸體的澆注系統設計思路如下：采用兩級直澆道、橫澆道，第二級直澆道、橫澆道、內澆道在缸筒芯、端面芯、油道芯上形成，缸筒芯直澆道開始處放置過濾網，內澆道設置在缸筒芯底部，兩側各有一處由端面芯形成的澆口，澆注系統為底注式，為半封閉半開放式。

針對發動機缸體在集中區域出現的缺陷，本文通過對鑄件缺陷描點、分布區域特征分類，采用顯微觀察定性，電鏡能譜定量分析確認缺陷類型，分析缺陷產生機理及影響因素，通過提升鐵液純凈度，優化溢流冒口設計，改善澆注系統等措施，有效地降低缸體頂面缺陷率，為分析、降低缸體集中區域缺陷提供了解決思路。

1 缺陷分析

1.1 缺陷情況簡介

客戶要求缸體鑄件表面及客戶機加工后要求不能有砂孔、渣孔、氣孔等鑄造缺陷，但缸體鑄造缺陷類型較多，如砂孔、氣孔、冷隔、砂芯斷等，有時候鑄造缺陷的出現在表皮，但有時候也會隱藏在皮下，在客戶機加工完后才顯現[1-2]，如我公司生產的缸體頂面渣孔缺陷就屬于這種情況，該區域缺陷很少出現的鑄件表面，在客戶端加工后，缺陷開始顯現，如下圖1所示，頂面渣孔缺陷率高達5.31%，占總料廢的比重為71%，為主要分布區域，實物缺陷如圖1所示。

圖1 典型頂面渣孔缺陷

1.2 缺陷位置分布分析

頂面渣孔缺陷，大部分處于鑄件工藝結構分型面的上型側，鑄件分型示意圖如圖2所示，通過對頂面缺陷數分布具體位置進行坐標對應，結果如圖3所示（將鑄件頂面區域實行網格劃分，d1～d6表示劃分的網格代號；并將每一件故障件缺陷位置與網格對應，統計各個網格中缺陷數量，網格中標示的數字代表該區域發生的缺陷樣本數，數字越大，表示該區域發生缺陷越集中），缺陷分布在分型面以上，主要處于缸孔的上方、水道芯腳位置附近。

圖2 鑄件分型示意圖

圖3 頂面缺陷分布缺陷數

1.3 缺陷顯微、能譜分析

（1）顯微分析：取典型頂面缺陷樣件，使用德國徠卡倒置金相顯微鏡，型號為DMI3000M觀察，形貌如下圖4所示，缺陷位置下凹，局部孔洞位置較光滑，其連接區域無明顯規則、深度較淺，孔洞內有光澤和色彩，有類似渣孔特征，從顯微特征分析，基本確定其為渣孔。

圖4 典型缺陷顯微鏡100倍形貌

（2）電鏡、能譜分析（如圖 5）：使用 JSM-5610LV掃描電鏡和EDAX能譜儀分析發現缺陷區域缺陷特征：內壁明顯氧化，局部深凹、光滑，其他區域較粗糙、不規則、較淺，有類似渣粒的殘留物質，分析其主要元素為 O、Al、Si、Mn、Ca，并且其中 O 元素含量很高，說明該缺陷中含有氧化夾雜物。

圖5 典型缺陷電鏡分析形貌及定量分析結果1

通過對缺陷樣塊宏觀表面、顯微鏡微觀觀察，電鏡、能譜分析缺陷組分，確認了缺陷類型為渣孔。

2 缺陷產生原因分析及對策

2.1 渣孔缺陷成因分析

渣孔缺陷屬于夾雜類缺陷，而夾雜類缺陷來源大致可分為內生夾雜物和外來夾雜物。鐵液中本身含有的熔渣等夾雜屬于外來夾雜物，而孕育或澆注時生產的氧化夾雜物屬于內生夾雜物[3]。

2.2 鐵液的純凈度

（1）熔煉除渣：鐵液熔煉完成后，要在中頻爐中撒除渣劑進行爐內扒渣，一般進行2次左右扒渣，若渣過多，則需增加扒渣次數，需保證在出鐵液前爐內液面干凈，扒渣后要升溫靜置。

（2）鐵液中轉扒渣：筆者公司使用1.6 t茶壺包從中頻爐轉運鐵液至保溫澆注爐，每爐鐵液分4次轉運，每次轉運時，需撒除渣劑進行二次除渣，保證鐵液的純凈度，中轉茶壺包需要定期清理包壁殘渣，減少轉運過程將殘渣帶入鐵液中。

2.3 頂面溢流設計

頂面的溢流冒口設計較小，冒口與本體搭接較低，且冒口上未設置通氣孔，導致排渣溢渣能力較弱、排氣效果較差。

2.4 澆注系統

該鑄件采用底注式澆注系統，第一級直澆道截面相對較小，第一級橫澆道相對比較封閉，鐵液不能快速充滿，鐵液在第一橫澆道會產生渦流及高速紊流區，易引起渣，砂和氧化夾雜物的聚集，內澆口比較開放，弱化對鐵液的擋渣能力，當鐵液紊流程度增加時，鐵液中的夾渣上浮的阻力增大[3]，細小的渣粒或者夾雜物隨鐵液進入型腔，滯留在鑄件的上型頂面區域，從而導致渣孔集中出現，造成加工廢品。

3 改進措施及效果

3.1 改善鐵液純凈度

（1）明確鐵液熔煉完后靜置升溫溫度及靜置時間要求

升溫要求為1 520～1 530℃后斷電靜置處理，讓細小的熔渣能夠與鐵液分析并上浮，靜置時間要求為大于10 min，除掉浮出的細渣。此外，規定熔煉完調整成分時加入預處理劑、增碳劑、合金以及生鐵和廢鋼等材料時，同樣需要升溫至1 520～1 530℃后斷電靜置處理，靜置超過10 min后方可出鐵水。

（2）增加保溫澆注爐除渣

保溫澆注爐每次進水后或者停線超過30 min不澆注時，需要將塞桿及進出水口鐵液表面的浮渣清除干凈；澆注過程中不允許清理出水槽浮渣，若需清理，必須停止澆注，待清理干凈后再恢復澆注。

每班開始澆注前將水槽和浮子表面的渣清除干凈，每一個月進行一次爐內除渣，將保溫爐內部的渣清除干凈。

3.2 優化頂面溢流冒口設計

（1）增加頂面溢流冒口與本體的搭接高度，如圖6所示，則鐵液中渣、夾雜溢流通道增加，使其更易排出至溢流冒口，減少殘留在本體的概率。

圖6 頂面冒口搭接形狀、高度變化圖

（2）在冒口上設計通氣孔、并扎穿，使其與大氣相通，增加排氣、排渣虹吸力；加大冒口體積，增加溢渣能力，并加寬冒口與本體的連接寬度，如圖7所示。

圖7 增大冒口體積及加寬冒口與本體的連接寬度

3.3 改善澆注系統

在鑄造工藝設計上，一個好的澆注系統，澆注比較順暢、補縮設計合理，金屬液充型平穩、無明顯飛濺、紊流，擋渣、阻渣效果好，鐵液的氧化和卷氣少，現用澆注系統采用封閉式，但一級阻流較小，內澆口過于封閉，充型能力及排渣溢渣能力不足，鐵液中的渣不能及時有效的排除，形成渣氣孔。

（1）直澆道

增加一級直澆道直徑，增大其阻流截面積，阻流截面積加大50 mm2，并加裝固定銑澆口杯裝置，使其與一級直澆道搭接穩定，并確保一級直澆道阻流截面積一致性較好；在直澆道末端增大直澆道窩，這樣可以將鐵液下落時產生的部分動能轉化，當鐵液進入橫澆道時就比較平穩，減輕對底部的沖刷，也縮短了橫澆道的紊流區，有利于阻渣、減少卷氣、氧化夾雜的產生。

（2）橫澆道

橫澆道又被稱之為阻渣道，是澆注系統的主要擋渣、阻渣澆道，在橫澆道的末端加大集渣包，可以使鐵液流速下降，使小密度的細渣上升并留在集渣包內；同時增加一級橫澆道截面積（加大40 mm2），使阻流澆注單元及時建立充型壓力頭，保證充型能力。

（3）內澆道

內澆道的設計需注意鐵液進入型腔有無噴射，飛濺和紊流現象，保證鐵液快速充型、便于排氣和除渣[3]，從內澆道的設計上考慮，內澆道不宜過大，尤其不能過后，盡量考慮往偏薄方向設計，這樣可以提高橫澆道的阻渣效果，降低型腔進入初期渣概率，因此，通過減薄內澆口，微調內澆口截面積（內澆口減小30 mm2），提高內澆口浮渣/擋渣能力。

圖8 改善后的澆注系統示意圖

3.4 改進效果

通過改善鐵液純凈度、優化頂面溢流冒口設計，改善澆注系統（如圖8），提高了鐵液的純凈度，澆注系統的改善，改變了型腔內鐵液的流場及溫度場分布，適當提高直澆道、橫澆道的鐵水進入量，將內澆道減薄、截面積減少，鐵液對于型腔的沖刷小，充型平穩，減少了澆注過程中產生的二次渣，通過增加充型能力，提高了排渣、溢渣能力，將渣溢出至溢流通道，而溢流冒口的增大、搭接口加深、加寬，也增加了溢渣排氣的能力，減少渣、氧化夾雜物在頂面的聚集，從而可以有效的降低渣孔的產生。

改善后，加工驗證8600件，總料廢率為2.3%，其中頂面渣孔缺陷比例由改進前的5.31%下降至0.52%，下降幅度達到90%，有相當明顯的效果，后續加工持續穩定在這個料廢水平，滿足了客戶的要求，極大地提升了質量水平，也產生了巨大的經濟效益，贏得了客戶的信賴。

4 結論

綜上所述，通過改善鐵液純凈度，優化頂面溢流冒口設計，改善澆注系統中的阻流單元截面積，使其充型更加平穩、在澆注初期能夠快速建立壓頭，有效地提升了排渣溢渣能力，可以明顯降低頂面的渣孔，滿足客戶的要求，并穩定在可控水平，提升了產品的品質，為公司帶來了巨大的經濟效益，實踐證明，澆注系統及溢流方式的設計，必須根據產品的實際情況進行優化調整，使其與產線設備狀態，產品結構特征等符合，才能達到較高的良品率，做到質量水平的穩定。