鐵型覆砂球墨鑄鐵曲軸夾渣缺陷原因分析及措施

王旭東，黃健強

（山西東鑫衡隆機械制造股份有限公司，山西 侯馬 043000）

曲軸作為發動機的核心部件之一，在工作過程中主要承受彎曲、扭轉載荷，其主要失效形式為彎曲和扭轉疲勞斷裂。根據其功能和工作條件，要求曲軸具有較高的剛性和疲勞強度以及良好的耐磨性。鐵型覆砂鑄造工藝具有冷卻速度快、鑄型剛度好等特點，生產球墨鑄鐵時能夠促進珠光體生成和細化晶粒，充分利用石墨化膨脹實現自補縮，從而獲得組織致密的高強度、高韌性鑄件。因此，鐵型覆砂工藝是生產球墨鑄鐵曲軸的一種比較理想的鑄造生產工藝。

夾渣缺陷是球墨鑄鐵曲軸生產中常見的一種鑄造缺陷，曲軸受力部位若存在夾渣缺陷，會成為潛在的裂紋源，將破壞組織的連續性，使鑄件塑性、韌性和疲勞強度下降，且曲軸強度要求越高，夾渣對基體組織連續性破壞作用越明顯，曲軸因疲勞強度下降導致疲勞斷裂的風險增加。

我司采用鐵型覆砂鑄造工藝為某主機廠生產A型號的四缸發動機高牌號（QT850-5）球墨鑄鐵曲軸，在客戶加工過程中，在曲軸的連桿頸和主軸頸外圓部位發現存在夾渣缺陷，如圖1、圖2 所示，缺陷呈單個或幾個細小點狀或不規則線狀。由于缺陷的形態以及出現的位置，未加工前無法發現，加工后肉眼也很難發現，往往加工后磁粉探傷時或強光下外觀檢驗時才能發現，發現時機滯后，無法及時提前圍堵和止損。

圖1 曲軸連桿頸磨削后的線狀夾渣形態

圖2 曲軸連桿頸磨削后的點狀夾渣形態

缺陷發生的比例也不穩定，通常在1.2%～2%左右。但2019 年4 月份，有一批產品加工后廢品率突然升高。經過統計，客戶共加工A 型號曲軸11 970支，發現夾渣料廢584 支，料廢率4.9%，直接造成很大的經濟損失，嚴重影響顧客的產線運營，質量風險增大。針對此鑄件夾渣缺陷造成的批量質量問題，我司立即將缺陷產品委托湖北汽車工業學院進行了微觀金相分析及缺陷處的微觀能譜成分分析，從夾渣形成的機理及技術設計、原輔材料、工藝控制、質量檢驗等生產工藝過程方面進行了分析研究。

1 鐵型覆砂球墨鑄鐵曲軸鑄造生產工藝流程

球墨鑄鐵曲軸鑄造生產主要分為：熔煉、球化、造型、澆注、清理等部分，其中熔煉、球化和澆注是影響鑄件夾渣的關鍵工序。

1.1 熔煉

熔煉分為鐵水熔化和球化孕育處理兩部分。

1）鐵水熔化：采用1 t 中頻感應加熱電爐進行鐵水熔煉，使用的爐料主要有球墨鑄鐵專用生鐵、廢鋼（成分為中低碳鋼）、回爐料（澆道及澆冒口）以及加入的合金元素（銅、錳等），加熱熔煉過程中，按工藝要求依次加入。各種爐料成分的準確度直接影響產品的化學成分，爐料中含有的雜質也將直接影響鐵水的純凈度，因此，爐料的成分應符合原材料技術標準要求，同時應保證成分的一致性和爐料的純凈度。為了保證鐵水質量，入爐前應對生鐵廢鋼等入爐料中的有害成分（S、P、Ti 等）、回爐料上的粘砂、廢鋼中的雜料雜質以及各種爐料的生銹、受潮等進行嚴格檢驗與控制。

2）球化孕育處理：本產品采用蓋包法進行球化孕育處理。球化前依次將球化劑、硅鐵、鐵屑（鐵屑主要作用為防止高溫鐵水直接與球化劑接觸，降低球化元素燒損，保證球化效果）放入鐵水包反應坑內壓實到一定程度。待鐵水熔煉到工藝溫度、成分檢測合格后，即可使鐵水出爐注入包內進行球化孕育處理。球化反應結束后進行充分扒渣，純凈的鐵水即可進行澆注。

1.2 造型

鐵型覆砂造型，是通過操作射砂機用壓縮空氣將覆膜砂（酚醛樹脂砂）通過鐵型背部射砂孔射入鐵型與模型之間的空腔，經過具有一定溫度的模型和鐵型加熱固化，獲得5 mm～8 mm 的覆膜層，脫模后形成鑄型型腔的造型方法。造型過程主要包括鐵型殘砂清理、射砂、固化、脫模、修型、合箱、澆口杯放置等部分。

1.3 澆注

澆注是將球化反應后的鐵水依次澆入鐵型型腔內獲得完整鑄件的過程，包括：鐵水澆注、二次孕育、型內冷卻等。

1）鐵水澆注：澆注過程主要控制的參數有鐵水澆注溫度和澆注速度。

2）二次孕育（瞬時隨流孕育）：由于鐵水進入型腔后冷卻速度快，鐵水在凝固過程中容易形成滲碳體，在澆注過程中對鐵水進行二次瞬時隨流孕育可有效提高單位面積石墨球數，細化石墨，改善球化效果，防止滲碳體的產生。二次孕育的主要控制參數為孕育劑的粒度和孕育量。

3）型內冷卻：澆注后的鐵水以一定的冷卻速度進行凝固，獲得相應的基體組織和完整的鑄件。主要通過開箱時間實現型內冷卻控制。

1.4 清理

鑄件清理主要是去除鑄件分型面殘留的飛邊毛刺和鑄件表面附著的殘砂。

2 夾渣缺陷分析

2.1 夾渣形成機理

結合球墨鑄鐵曲軸鑄造生產過程，主要從渣源和夾渣形成路徑兩個方面進行分析。

1）形成鑄件夾渣的渣源主要有：入爐材料銹蝕，熔化過程中氧化，形成氧化物夾渣；入爐材料含渣量大，熔煉過程無法順利去除；Mg 殘余量過大，球化元素與氧、硫形成難熔的硫化物（MgS）夾渣物和氧化物（MgO）夾渣物；孕育劑粒度選擇不當、孕育量過大，或澆注溫度過低孕育劑不能充分熔化，在鑄件凝固時聚集形成夾渣物。

2）夾渣形成路徑：澆注系統未能充分發揮其擋渣作用，渣子隨鐵水進入型腔；澆注時加入的孕育劑粒度小于過濾網的孔徑，可以隨鐵水進入型腔。

2.2 存在問題分析

1）入爐材料管理：對入爐材料進行排查，發現生產期間使用的生鐵、廢鋼存在銹蝕現象，廢鋼中摻雜雜質，A 型號曲軸鑄造過程使用的回爐料為該產品的澆注系統和澆冒口，其表面附著的殘砂沒有經過處理。

2）球化劑加入量：通過對球化過程的排查發現本次產品為保證鑄件具有良好的球化效果，加入了過量的球化劑，由于多余的球化元素在鑄件凝固過程中與硫、氧結合形成了硫化物和氧化物夾渣。通過對夾渣缺陷部位制樣進行能譜分析，分析結果見圖4，發現缺陷部位含有高濃度的鎂元素（鎂濃度為0.67），說明球化劑過量。

圖3 入爐材料

圖4 夾渣缺陷部位制樣進行能譜分析情況

3）二次孕育時孕育劑選擇：通過對孕育劑的檢查，發現選用的0.2 mm～0.85 mm 的FeSi75 孕育劑粒度分布不均勻，有70%左右在0.2 mm～0.4 mm，細小粒度的孕育劑在隨鐵水進入型腔后來不及擴散被高溫鐵水氧化，形成氧化物。由于其密度小于鐵的密度，在鐵水凝固過程中不斷聚集上浮形成夾渣。

4）澆注系統擋渣效果：充型過程中，由于密度原因，鐵水內的雜質會不斷上浮，當內澆道截面積之和大于直澆道截面積時，橫澆道設計不利于將上浮于橫澆道頂部的雜質阻擋在橫澆道內，雜質隨鐵水進入型腔，形成夾渣。當內澆道截面積之和小于直澆道截面積時，鐵水在流經內澆口時產生飛濺，飛濺的液滴表面迅速形成一層氧化膜，這些氧化膜面積大，密度小能夠被迅速浮起形成氧化渣。

3 改進措施

3.1 加強對使用材料的管理

1）對各種入爐材料進行純凈度管控：對使用的回爐料進行拋丸處理，去除其表面殘砂，降低其對鐵水純凈度的影響；不使用含銹、含渣的廢鋼和生鐵；使用的壓包鐵屑在使用前進行篩選，去除其在加工過程混入的合金刀頭等雜質。

2）確定合理的球化劑加入量，并根據生產時檢測的殘余量結果（實際控制值）和金相檢測結果調整球化劑加入量。在保證球化效果的基礎上，盡量減少球化劑的加入量。

3）調整瞬時孕育劑粒度范圍：由0.2 mm～0.85 mm調整為0.4 mm～0.85 mm，并在使用前進行篩選確認。

3.2 優化澆注系統設計

1）對澆注系統進行優化：充分發揮橫澆道的擋渣作用。

2）對內澆口尺寸進行調整：原內澆口尺寸13mm×14 mm×7 mm 先后調整為16 mm×17 mm×8 mm和16.2 mm×17 mm×6 mm.

3）二次過濾：在內澆口前放置纖維過濾網的基礎上，再在澆口杯內加泡沫陶瓷過濾器，加強過濾作用，增強過濾效果。

4 措施驗證

4.1 加強入爐料管理

通過加強對使用材料的管理（入爐材料的純凈度、球化劑的加入量、孕育劑的粒度），夾渣缺陷出現比例明顯下降，由5%左右下降到1.97%（采取措施后客戶共加工A 型號曲軸19 281 支，發現夾渣料廢381 支，料廢率1.97%），但是還是不能達到客戶要求的料廢指標1.5%以下。

4.2 優化澆注系統

第一，加大了下箱橫澆道到上箱橫澆道的坡度，上箱橫澆道靠近直澆道方向處增加了一個緩流角，集渣包的高度增加了10 mm，增加鐵水在橫澆道內的爬坡距離，減緩了鐵水流速，便于鐵水內的雜質在流經橫澆道上浮并粘在橫澆道頂部和集渣包頂部，優化前澆注系統如圖5 所示，優化后如圖6所示；第二，在澆口杯內加泡沫陶瓷過濾器，與型內置于內澆道處的纖維過濾網，對鐵水進行兩次過濾，使得鐵水在流經澆注系統時更加平緩，減少渣子由于紊流被卷入型腔。修改后料廢率很不穩定，在0.5%～1.8%范圍內波動。

圖5 原設計A 型號曲軸澆注系統

圖6 改進后A 型號曲軸澆注系統

4.3 優化內澆口尺寸

對原有內澆口進行兩次修改，發現內澆口尺寸的合理設計有利于鐵水擋渣。

4.3.1 第一次調整內澆口實驗

通過測量將原內澆口尺寸為13 mm×14 mm×7 mm 調整為16 mm×17 mm×8 mm 增加內澆口截面積，減少鐵水飛濺。為確保實驗效果同一批次使用兩種不同尺寸的內澆口進行生產（用原內澆口生產5 520 件，用調整后的內澆口生產4 617 件），以減少其他生產條件對實驗結果的影響。

經過客戶加工驗證：調整前后因夾渣而料廢件數分別為61 件（料廢率1.1%）件和67 件（料廢率1.45%）.從料廢情況看內澆口調整后料廢率上升0.35%.

分析調整內澆口前后夾渣缺陷比例變化的原因：原內澆口截面積為94.5 mm，調整后內澆口截面積為132 mm,鐵水在澆注過程中存在內澆口不能完全充滿現象，無法起到調節鐵水進入型腔的流量，橫澆道內不斷上浮的渣子未能超過內澆道吸動區，隨鐵水進入型腔形成夾渣。橫澆道擋渣原理如圖7所示。

圖7 橫澆道的擋渣原理

4.3.2 第二次調整內澆口實驗

通過內澆口第一次調整后實驗驗證分析，將內澆口的高度由8 mm 降低為6 mm（即將內澆口的尺寸調整為16.2 mm×17 mm×6 mm）進行再次實驗。調整后組織生產8 256 件，經過加工驗證因夾渣而料廢的58 件（料廢率0.7%），料廢好于同期生產的鑄件。

4.3.3 內澆口尺寸調整結果

采用第二次調整后的內澆口（內澆口的尺寸為16.2 mm×17 mm×6 mm），進行批量生產，目前料廢率穩定在0.5%左右。

5 結論

1）減少渣源是解決夾渣最直接、難度最小、也最有效的方法。在熔煉前期應對原材料進行嚴格控制，合理配料，控制化學成分，防止渣的產生，渣子一旦產生并存在于鐵水中，很難在后道工序被徹底去除。

2）合理設計澆注系統，增強澆注系統的擋渣能力可有效降低夾渣缺陷的發生頻率。本次夾渣缺陷解決過程中對澆注系統和內澆口尺寸進行了合理優化，同時在澆口杯中增加泡沫陶瓷過濾器，進行鐵水的二次過濾，使得其擋渣篦渣作用得以充分發揮，有效降低了夾渣缺陷的發生。