氣缸體鑄件裂隙狀氣孔產生原因及對策

姜建光，厲運杰，孫志揚，王傳偉，鮑俊敏，王新慧，張其昌，張 杰

（濰柴（濰坊）材料成型制造中心有限公司，山東 濰坊 261199）

氣缸體是高速柴油機中結構比較復雜、機械性能要求很高的鑄件，對鑄造工藝的要求比較高。本文對灰鑄鐵氣缸體鑄件在生產過程中的裂隙狀氣孔缺陷的特征及產生原因進行了分析，并結合實際生產探尋了改進措施，為后續高牌號灰鑄鐵氣缸體裂隙狀缺陷的預防與解決提供借鑒。

1 裂隙狀缺陷的特征

本文介紹的是一種灰鑄鐵氣缸體鑄件產生的缺陷，其鑄件尺寸為915 mm×617 mm×497 mm，造型線采用氣流預緊實加壓實造型，全部采用冷芯盒樹脂砂制芯工藝，砂芯重280 kg，砂芯表面浸涂水基涂料，熔煉采用沖天爐—感應電爐雙聯熔煉組合工藝，澆注系統采用底注與中注相結合的工藝。

裂隙狀缺陷產生在氣缸體鑄件油道部位，位于鑄件的上箱，鑄件加工后才能發現，不合格率高，嚴重影響了鑄件質量。此缺陷為孔洞類缺陷，呈裂隙狀，局部疏松，垂直于鑄件表面，且出現在離鑄件表面3 mm～10 mm 處，與縮松、縮孔缺陷特征極其相似，如圖1 所示。筆者起初也認為是縮松缺陷，通過采用增大氣眼針冒口提高補縮效果，但結果不理想。

圖1 裂隙狀氮氣孔缺陷

為進一步確定缺陷的類型與形成原因，對缺陷區域進行了電鏡掃描，如圖2 所示。通過掃描結果可見，無明顯的樹狀晶，缺陷表面有一層碳膜，而通常縮孔的掃描形態如圖3 所示，其電鏡掃描形態區別于縮松缺陷。灰鑄鐵氮氣孔通常為裂隙狀，區別于滴水狀、橢圓狀等常見的縮松缺陷形態，常見于高牌號灰鑄鐵鑄件的邊角和厚大部位[1]。結合掃描形態及宏觀特征分析結果，認為此缺陷為裂隙狀氮氣孔。

圖2 裂隙狀氮氣孔缺陷掃描

圖3 常見縮松缺陷掃描狀態

2 缺陷產生機理

氮氣在灰鑄鐵的鐵液中的溶解度為150 ppm，一般不會出現裂隙狀氮氣孔缺陷。而氮的化合物在高溫作用下會分解出游離的氮原子，會大量溶于鐵液，溶解度會隨鐵液溫度升高而增大。當鐵液冷卻凝固時，溫度的降低使得鐵液中氮的溶解度減小，在鐵液凝固時氮原子結合并以氮氣泡的形式析出，當氮氣析出的壓力大于氣泡外壓力時，析出初期會向外逃逸，在凝固后期，枝晶的隔離作用導致氮氣無法排出從而形成裂隙狀氮氣孔。在鑄件冷卻凝固過程中只有氮氣析出的分壓力大于氣泡外壓力時，氮才會從液體中析出形成氣泡，當來不及排出型腔時最終形成氮氣孔[2]。而在鑄件生產過程中，氮原子的來源比較廣泛，如砂芯中的樹脂遇高溫鐵水會分解出氮原子、以及沖天爐熔煉的原材料廢鋼也是氮的主要來源。

3 改進措施

基于裂隙狀氮氣孔產生的機理，氮氣孔是由于氮原子在鐵液中的含量超過溶解度，且氮氣析出的壓力大于氣泡外壓力造成，因此考慮從減少氮來源、阻止氮氣泡長大兩個方面進行改進。

3.1 熔煉工藝的影響

本鑄件在兩個不同車間生產，不同車間此缺陷的不合格率相差較大，A 車間采用沖天爐熔煉，B車間采用電爐熔煉，其中A 車間生產鑄件氮氣孔的概率明顯高于B 車間生產鑄件，對兩種熔煉方式鐵水的氮含量采用氮氧分析儀每天取樣進行對比，沖天爐熔煉鐵水氮含量較電爐熔煉高，如圖4 所示。因此也驗證了此缺陷與氮含量高有關，通過分析主要是兩種熔煉方式的廢鋼含氮量不同造成。而且高牌號灰鑄鐵因廢鋼加入比例要高于普通灰鐵，所以更易產生裂隙狀氮氣孔。

圖4 沖天爐熔煉與電爐熔煉鐵水氮含量對比（ppm）

灰鑄鐵中適量的N 可以改善石墨形態，促進基體的珠光體化，因而能提高抗拉強度。但是灰鑄鐵中N 含量過高則會引起氮氣孔缺陷。因此生產過程中要對鐵水氮含量進行監控，如圖5 所示。當氮含量超過100 ppm 時，產生氮氣孔傾向增加，及時調整廢鋼加入量，將鐵水氮含量控制在100 ppm 以下。

圖5 鐵水氮含量監控圖

孕育劑能夠促進石墨化，減少白口傾向，改善石墨形態和分布狀況，增加共晶團數量細化基體組織。理論上，使用含鋯的硅鋯孕育劑，金屬Zr 與N在1 100 ℃～1 200 ℃的溫度下進行直接氮化，形成穩定的化合物ZrN，降低鐵液中游離N 的含量。分別在兩個車間同條件下驗證使用硅鋯孕育劑，與正常工藝對比發現對于裂隙狀氣孔影響不明顯，不合格率變化不大，如表1 所示。

表1 孕育劑驗證

3.2 樹脂加入量的影響

本文所述氣缸體采用潮模砂、冷芯工藝。砂芯主要用于形成氣缸體的內孔、腔，砂芯重達235 kg.樹脂是砂芯的主要黏結劑，在砂芯中的質量占比達1%以上，樹脂中的聚異氰酸酯等合成樹脂的基本化合物為NCO，N 原子與C 原子的結合力差，在鐵液澆注時，受高溫分解形成分子態的氮，當在鐵液中過飽和時，會形成以N2或H2為核心的氣孔。圖6 為驗證砂芯不同樹脂加入量與缺陷的關系，發現裂隙狀氣孔出現數量隨著樹脂加入量的增高有明顯的上升趨勢，如圖6 所示。

圖6 砂芯不同樹脂加入量下鑄件裂隙狀氣孔率

3.3 鑄件結構的影響

壁厚會影響鑄件冷卻速度，薄壁鑄件凝固區域窄，易產生粗大枝晶，隔離液體形成孤立的液相區的傾向小，冷卻速度快。氮氣泡來不及聚積長大故不易形成裂隙狀氣孔缺陷，當鑄件壁厚較大時鑄件表面冷速較快較易形成枝晶，內部冷速較慢，氣泡易于擴散聚積并長大[3]，且逃逸通道被封閉最終形成皮下裂隙狀氣孔缺陷。

采用下芯工藝，減小鑄造熱節，即在上砂型主油道進油孔處下油道芯。砂芯制造使用鉻礦砂制芯工藝，中部增加冷鐵柱，促進快速冷卻、實現均衡凝固。試驗表明砂芯內加冷鐵的工藝對于降低裂隙狀氣孔效果明顯。

通過此措施的實施氣缸體裂隙狀氣孔不合格率降低至0.46%，如圖7 所示。

圖7 改進效果

4 結論

裂隙狀氣孔在灰鑄鐵中是一種常見缺陷，其產生機理是氮氣飽和度高于溶解度并析出造成，實踐證明采取以下措施可以有效降低此缺陷的產生：

（1）熔煉工藝方面，控制鐵水中氮質量分數在100 ppm 以下，可有效減少裂隙狀氣孔的產生；添加硅鋯孕育劑對此缺陷效果不明顯；

（2）適當降低砂芯樹脂含量可減少裂隙狀氣孔的產生，當樹脂單組分加入量為0.75%時，效果較好；

（3）通過改進鑄件結構，盡量減少局部厚大部位，減少熱節傾向，也可以減少裂隙狀氣孔的產生。