高牌號球墨鑄鐵差速器殼渣氣孔鑄造缺陷研究

商崇元，焦燕妍，李 飛

（廣西玉柴機器配件制造有限公司，廣西玉林 537005）

差速器殼是汽車零部件中的一個關鍵零件，要求其強度高、延伸率大，所以在國產化之前國內汽車廠完全靠進口滿足裝車需求。隨著近年來汽車市場的火爆，國外進口已經遠遠不能滿足國內汽車廠商的需求，而且進口成本非常高，嚴重制約了國內汽車廠的產品升級和發展進度，因此關鍵零部件國產化成了國內汽車零部件制造商的當務之急。

公司受合作客戶委托開發的某國產化高強度、高延伸率汽車差速器殼，材質要求QT880-5。在國內差速殼生產廠商中，很少能做到QT880-5材質，大多以QT450-10、QT600-10 為主，但在意大利等歐洲汽車工業發達國家生產技術較為成熟。為獲得較高的性能，技術人員充分利用成熟且獲得獨立專利的QT800-6 為技術研發平臺，深度挖掘鐵型覆砂鑄造工藝，通過技術創新和拓展，一舉生產出性能完全滿足客戶要求的產品。但是在性能取得成功的同時，鑄件的外觀質量相對進口件來說較差，表面質量非常不穩定，而且有可能影響到產品的可靠性，生產成本代價過高，同時也受到下級客戶的抱怨和不滿。

1 現狀

該汽車差速器殼單件重量約5.6kg，按照一箱12 件鐵型覆砂工藝生產布局，每箱需鐵水約110kg，開發以來廢品率基本都維持在20%左右，一直未得到改善。零件拋丸后缺陷主要呈孔洞狀（圖1），大小不一，靠近內澆口成片分布，由氣孔和渣眼組成，分布位置相對固定。

圖1 渣氣孔鑄造缺陷

2 原因分析

在產品不良識別中，識別出來的不良缺陷較多，抓住問題重點，制定有效的措施才是關鍵。根據挑選數據統計，渣氣孔占比80%～90%，成為問題攻克的關鍵點；渣氣孔位置分布固定，類似于多年前不經意間改善的某軸承蓋的缺陷，初步判定主導缺陷為渣氣孔。

雜質的來源比較多，如爐料、合金材料、中頻爐及澆注包的耐火材料等。經過研究對比，同樣一包鐵水澆注不同大小的產品，產品外觀質量截然不同，這個結果讓解決差速殼夾渣方案和思路更加清晰。產品的大小預示著鑄件澆注降溫的快慢，鑄件越小預示著鐵水降溫凝固越快，澆注后期，隨著鐵水溫度降低，鐵水中的氧、硫、氮等元素溶解度降低，達到飽和析出，以低熔點共晶或化合物形式殘留在鑄件中[1]。孕育劑和合金添加是球墨鑄鐵鐵水處理的必要手段，為確保獲得更好的強度、硬度和延伸率，長久以來，企業在高牌號球墨鑄鐵生產上大多使用含Al、Ca、Ba 元素的抗衰退孕育劑替代傳統的75#硅鐵孕育，一直比較成功，但Al、Ca、Ba 這些元素與氧元素具有較強的親和力，很容易形成非金屬氧化夾雜物[1]。特別是在進入鑄型前的鐵水中的合金不能完全溶解或者析出[1]，與氧氣等形成的非金屬化合物夾渣風險極大，而Al、Ca、Ba 元素形成的非金屬氧化夾雜物絕大部分都是熔點超過2000℃，在鑄件上形成硬質點或渣點，造成鑄件硬度不均勻，加工性能下降，同時導致鑄件應力集中或應力變大，對鑄件的力學性能影響較大。

氣孔氣體的來源比較多，我們結合企業自身產品的結構覆蓋面大、結構特性覆蓋寬等因素，主要考慮到二次孕育劑回潮，砂芯和鑄型吸潮都會導致高溫發氣氣體產生的機率加大。澆注后期，隨著鐵水溫度的降低，氣體在鐵水中的溶解降低，產生析出性氣孔。

通過以上分析認為：這種差速殼屬于薄壁小件（6.5kg），鐵型覆砂工藝的冷卻快的特點，加上二次孕育使用了含Al、Ca、Ba 元素的抗衰退孕育劑，孕育劑中的Al、Ca、Ba 等元素析出或者未溶解形成氧化物的可能性比較大。

3 整改方案

（1）嚴格控制材料的倉庫管理和使用管理，改變以往孕育劑開包即用，開一次用多天的方法，降低回潮和直接使用潮濕材料的風險。增加了原材料的進貨把關和使用把關，加裝防水、防潮措施，包括包裝、貯存密封，使用前加熱至50～100℃并保溫半小時以上除潮。

（2）嚴格使用低發氣量覆膜砂，改變以前一次性大批量生產，砂芯提前貯存長時間等待排產的現狀。控制砂芯貯存周期，將砂芯的使用周期縮短到72 小時。

（3）嚴格控制鐵水等待時間，減少鐵水對有害氣體的吸收。

（4）一次孕育繼續使用3～8mm 含Al、Ca、Ba元素的抗衰退孕育劑裝包球化。

（5）綜合考慮二次孕育劑中Al、Ca、Ba 元素的活性，減少這些元素對渣氣孔的影響[3]，二次孕育劑由0.2～0.8mm 含Al、Ca、Ba 元素的抗衰退孕育劑調整為自制過篩備用的0.5～1mm 的75# 硅鐵粉。硅鐵粉經過50～100℃充分加熱烘烤，保溫30min 左右冷卻備用，加入量與之前隨流孕育用的抗衰退孕育劑加入量相同。

（6）考慮到零件為薄壁件，且外觀要求極高，為讓孕育劑獲得充分的溶解，改澆注隨流孕育為球化后轉包孕育澆注。

（7）產品不存在高溫燒結粘砂問題，澆注溫度適當調整，由1400～1440℃調整為1420～1440℃。

（8）充分利用鐵型覆砂工藝的冷卻特點，將衰退的風險預防控制在澆注前鐵水的控制，鐵水的澆注期嚴格控制在6min 內。

4 驗證效果

根據以上整改方案完成樣件和小批共20 包120 箱，共澆注1433 件（7 個廢鑄型）。為統一標準，體現整改成效，清理后由原負責半成品和毛坯挑選負責人挑選，并通過加工確認的方式得到反饋單位確認。從整改情況看，原來存在的渣氣孔基本消失，產品外觀質量大幅提升（如圖2），不良率由原來的21.05%下降到整改后的4.85%，達到改進目的。

整改后產品金相檢驗及性能檢驗結果表1 所示。

表1 產品金相檢驗及性能檢驗結果

圖2 產品改善后外觀

經過整改前后產品性能數據對比，改進后產品強度略有下降，硬度和延伸率變化不大，滿足整改需要。產品金相檢驗正常，鑄件沒有出現冷硬質點，加工特性沒有明顯改變，說明工藝改進后鐵水沒有出現衰退和碳化物偏析。