冷激球鐵凸輪軸氣孔分析及處理

張為平，陳冬梅，蔡鑫梅

(揚州峰明光電新材料有限公司，江蘇 揚州 225117)

冷激球鐵凸輪軸是發動機中的關鍵部件，工作狀態下受到表面摩擦和壓力的作用，既要求表面硬度高，耐磨損，又要求心部具有一定的韌性[1-2]。在冷激球鐵凸輪軸的生產過程中，最常出現的問題就是氣孔缺陷，并且氣孔缺陷成因多、種類復雜，很大程度上影響著整個生產的質量，導致的廢品率很高，所以對氣孔缺陷的研究是十分有必要的。

1 鑄造工藝簡介

1.1 工藝介紹

生產冷激球鐵凸輪軸上采用的是HJ5型震壓造型機造型，震壓前凸輪部位擺放仿形冷鐵，每小時造型效率26～30箱，圖1為凸輪軸的鑄造工藝圖。利用中頻感應電爐持續熔煉鐵水，保持鐵水等砂型澆注狀態，煉效率每小時1爐，使用400 kg澆包球化孕育后轉澆。凸輪軸鑄造件質量約10 kg，相對外廢率偏高，回爐料是主要的日常爐料，占比45%～55%，廢鋼約占5%～15%，生鐵補充到不足部分。

圖1 鑄造工藝圖

1.2 主要缺陷照片

如圖2、圖3所示，在凸輪軸激冷面附近易產生氣孔缺陷，這是由于熔液內部存在大量的球化劑中的鎂和孕育劑中的鋁，此類元素在高溫熔液中產生了一定量的氣體，澆注后遇到冷鐵激冷凝固，冷卻速度快，氣體來不及排出，屬于皮下氣孔類，一般需在機加工后才能發現。

圖2 皮下氣孔形態1

圖3 皮下氣孔形態2

2 廢品原因分析

2.1 冷鐵的影響

凸輪軸體鑄造模具和冷鐵不配套，在凸輪局部位置成型不良，表面附著型砂，它是鑄件外表面同冷鐵接觸產生的表面氣孔。這是冷激球鐵凸輪軸氣孔缺陷中唯一一種開箱后可以直接目視發現的氣孔缺陷。如圖4所示，外冷鐵表面氣孔一般是在冷鐵使用一段時間以后才會發生。筆者分析認為冷鐵經過反復使用，表面粗糙度增加，易吸潮，澆注時水分快速氣化，形成表面氣孔。

圖4 鑄件圖

2.2 型砂含水率的影響

型砂含水率對凸輪軸鑄件皮下氣孔的影響如表1所示。

表1 型砂水分與氣孔的影響

當型砂含水率低于5%時氣孔生成率偏低，隨著含水率增加氣孔生成率增加了許多。因為型砂含水量大時，澆注液與砂型接觸后表面反應過大，隨之生產的氣體越多(主要是H2和CO)[4]，澆注冷卻后氣體滯留鑄件界面處就形成大量的皮下氣孔。

2.3 澆注溫度的影響

澆注液的溫度越高，液體的粘性下降越快，內部氣泡更容易上浮，同時也遲滯了鑄件表面生成氧化膜的速度，可防止熔渣對鑄件表面的破壞，因此需要嚴格控制澆注溫度。當T澆<1380℃時鑄件表面氣孔較多，一般設置的T澆為1410～1430℃范圍，這是因為T澆>1400后，鑄件表面較為平順光滑，較高的澆注溫度使得烘烤砂型效果好，減低了型砂中的含水量，也可使澆注液內氣體逸出更容易。

2.4 鎂殘余量的影響

表2 鎂殘余量的影響

球化處理后鎂殘余量對皮下氣孔的影響如表2所示，可以看出，當殘余鎂含量高于一定值(約為0.04%)時，氣孔率顯著增加。這是因為鎂元素的脫氧作用，在澆注液內生成了較多的氧化物、硫化物熔渣，大大增加了氣孔生成傾向，同時澆注時析出鎂蒸氣遇到水蒸氣反應生成MgO煙氣和氫氣，顯著增加氣孔生成傾向[4]。Al與Mg在化學周期表中相鄰，同Mg的化學性質相當，在實際生產中，通常Al含量超過0.01%，皮下氣孔含量會急劇上升。

3 結論

綜上所述，冷激球鐵凸輪軸制造過程中氣孔缺陷導致的廢品率較高，遏制措施應從減少鑄件澆注液中的熔渣量，更要降低澆注液型腔反應生成氣體，加快內部氣體的逸出等方面著手。(1)在保證球化率和坯料硬度條件下，盡量減少球化絲和孕育絲加入量，降低鎂殘余量與鋁元素殘余量；(2)控制型砂緊實率37%～41%，從而降低型砂含水量(<5%)，減少皮下氣孔的生成率；(3)澆注溫度應控制在1410℃以上。在應用改進措施后，冷激球鐵凸輪軸鑄件廢品率降低了42.3%，有效地降低了生產成本。