V 型機(jī)體鑄件裂紋缺陷分析解決

陳國清，臧加倫，齊 建，杜紀(jì)柱，王 超，任懷喜，劉慶義1，

（1.內(nèi)燃機(jī)可靠性國家重點實驗室，山東濰坊 261061；2.濰柴動力股份有限公司，山東濰坊 261061）

1 產(chǎn)品介紹

本公司新開發(fā)一種V 型12 缸高速柴油機(jī)機(jī)體，鑄件重量近1000kg，長約1500mm，基礎(chǔ)壁厚8mm，本體抗拉強(qiáng)度≥250MPa。鑄件結(jié)構(gòu)復(fù)雜，共由10 種26 顆砂芯組成，如圖1 所示。

圖1 V 型機(jī)體鑄件三維模型

鑄造工藝采用堿酚醛樹脂自硬砂造型、冷芯盒制芯機(jī)制芯、中頻電爐熔煉，澆注溫度控制在1390～1410℃，埋箱18h 后進(jìn)行去應(yīng)力退火熱處理。首輪樣件試生產(chǎn)驗證后，出現(xiàn)7 臺機(jī)體毛坯因為裂紋缺陷報廢，造成較大的經(jīng)濟(jì)損失。觀察裂紋宏觀表現(xiàn)，主要分布在兩缸之間的串水孔底部圓角位置（如圖2）。裂紋從圓角處產(chǎn)生，沿缸孔中心方向向下延伸，外形曲折，長度5mm 到100mm 不等，裂紋內(nèi)壁呈黑的氧化色，表面不光滑（如圖3所示），屬于典型的熱裂紋[1]。

圖2 裂紋位置示意圖

圖3 裂紋形態(tài)示意圖

熱裂紋常產(chǎn)生在鑄件截面厚度有突變或局部凝固慢的熱節(jié)部位，產(chǎn)生的原因主要有：鑄件結(jié)構(gòu)不合理、打箱過早冷卻不足、澆冒口系統(tǒng)不合理、型芯退讓性差、合金線收縮率大、低熔點合金元素超標(biāo)等[2]。

V 型缸體結(jié)構(gòu)復(fù)雜，生產(chǎn)周期長，裂紋缺陷直接導(dǎo)致機(jī)體報廢。分析裂紋成形原因，解決裂紋缺陷成為當(dāng)前首要任務(wù)。本文結(jié)合生產(chǎn)實際情況，重點從產(chǎn)品結(jié)構(gòu)和冷卻時間方面對機(jī)體裂紋缺陷進(jìn)行分析討論。

2 缺陷分析

2.1 凝固理論分析

熱裂紋是鑄件在凝固末期或終凝后不久，鑄件尚處于強(qiáng)度和塑形很低的狀態(tài)時，因凝固收縮受阻而引起內(nèi)應(yīng)力大于結(jié)構(gòu)強(qiáng)度導(dǎo)致的。熱裂紋形成機(jī)制主要有液膜理論和強(qiáng)度理論。

（1）液膜理論是指鑄件冷卻到固相線附近時，晶粒的周圍還有少量未凝固的液體、構(gòu)成液膜。鑄件收縮受阻時，變形主要集中在液膜上，變形達(dá)到某一臨界值時，液膜開裂形成晶間裂紋。

（2）強(qiáng)度理論是指鑄件在凝固期間，因砂型、砂芯、澆注系統(tǒng)和冒口等阻礙而不能自由收縮時，在鑄件內(nèi)產(chǎn)生的應(yīng)力或應(yīng)變超過金屬在該溫度下的斷裂強(qiáng)度或斷裂應(yīng)變，隨即產(chǎn)生裂紋。

對于整個機(jī)體而言中間位置熱量散失速度較兩端慢，凝固相對滯后，熱裂傾向更大。如表1 所示，樣件試生產(chǎn)的機(jī)體裂紋出現(xiàn)在機(jī)體中間位置2-3 缸、3-4 缸、4-5 缸的頻次均為24.3%，約為兩端1-2 缸和5-6 缸出現(xiàn)頻次的2 倍。缺陷位置與鑄件凝固的順序一致。

2.2 產(chǎn)品結(jié)構(gòu)分析

該V 型機(jī)體兩缸之間隔板壁厚8mm，與兩側(cè)相對厚大結(jié)構(gòu)，共同形成“啞鈴狀”壁厚差，如圖4所示。

圖4 機(jī)體局部結(jié)構(gòu)圖

挺桿側(cè)的厚大部位收縮產(chǎn)生的拉應(yīng)力分散到四個方向，而水道側(cè)厚大部位收縮產(chǎn)生的拉應(yīng)力比較單一，集中在大缸之間薄壁上，使得兩端拉應(yīng)力不平衡，更傾向于水道一側(cè)。凝固過程中先在薄壁區(qū)域生成一次枝晶（特別發(fā)達(dá)的柱狀晶）。柱狀晶晶界很脆弱，受到后凝固的兩側(cè)厚大部位的拉應(yīng)力，當(dāng)拉應(yīng)力不能得到及時釋放，表層的柱狀晶層開始斷裂，形成熱裂紋源[3]。串水孔下端的圓角為R8mm，圓角過小不利于應(yīng)力分散，成為裂紋源，在兩側(cè)凝固時產(chǎn)生的體積收縮拉應(yīng)力的作用下，裂紋進(jìn)一步擴(kuò)大，沿晶界迅速延伸。

2.3 鑄造工藝分析

鑄件在砂型內(nèi)的冷卻時間與鑄件的材質(zhì)、重量、壁厚和結(jié)構(gòu)等因素有關(guān)，而冷卻時間短鑄件容易產(chǎn)生變形、裂紋等缺陷[4]，為驗證冷卻時間對裂紋的影響，最后兩臺鑄件延長埋箱時間至24h。試驗表明冷卻時間為18h 的鑄件裂紋很明顯，延伸長度達(dá)到50mm，如圖5a 所示；冷卻時間為24h 的鑄件裂紋很微小，如圖5b 所示?？梢钥闯?8h 時鑄件還未得到充分冷卻，開箱后鑄件冷卻速度加快，裂紋傾向加劇。冷卻24h 后鑄件緩慢平穩(wěn)冷卻，裂紋傾向減小。

圖5 不同時間下裂紋形態(tài)圖

2.4 計算機(jī)模擬分析

結(jié)合凝固原理，對產(chǎn)品結(jié)構(gòu)和鑄造工藝進(jìn)行了分析，基本可以確定產(chǎn)生裂紋缺陷的原因。但鑄件裂紋產(chǎn)生的時間和最佳的冷卻時間都沒有確定，為此進(jìn)行了一次計算機(jī)模擬分析，同時驗證澆注系統(tǒng)的合理性，判定其他潛在的鑄造缺陷。

從模擬過程可以確定：（1）澆注系統(tǒng)設(shè)計合理，鑄件能夠平穩(wěn)充型。（2）鑄件冷卻到900℃左右，鑄件整體應(yīng)力降至220MPa，大缸串水孔應(yīng)力值仍在330 MPa，遠(yuǎn)超過鑄件屈服強(qiáng)度。此時距離澆注時間為14.67h，也就是說裂紋產(chǎn)生在打箱之前，再次說明了熱裂紋缺陷。計算機(jī)模擬結(jié)果如圖6 所示。

圖6 計算機(jī)模擬示意圖

綜合產(chǎn)品結(jié)構(gòu)分析、鑄造工藝分析和計算機(jī)模擬分析，可以確定該V 型氣缸體鑄件裂紋的主要形成原因是產(chǎn)品結(jié)構(gòu)不合理，另外冷卻時間不小于24h。通過修改鑄造工藝，延長冷卻時間和熱處理時間可以減小裂紋擴(kuò)展，但不能徹底解決裂紋缺陷。

3 解決措施

3.1 產(chǎn)品結(jié)構(gòu)改進(jìn)

分析產(chǎn)品結(jié)構(gòu)，兩缸之間截面為中間薄壁區(qū)域與兩側(cè)厚大部位形成啞鈴狀結(jié)構(gòu)，為避免產(chǎn)生裂紋以及抑制裂紋延伸方向，需要盡可能減小鑄件相鄰位置厚度差，改進(jìn)措施包括：（1）將大缸之間的壁厚由8mm 增大為10mm，減小鑄件相鄰位置厚度差，以此加強(qiáng)該處強(qiáng)度。（2）將串水孔圓角有R8 加大到R15，有效地分散兩側(cè)厚大部位產(chǎn)生的拉應(yīng)力。（3）兩側(cè)沿串水孔周邊增加寬10mm 高5mm 的加強(qiáng)筋，以此改變串水孔位置的凝固順序，阻礙裂紋延伸。具體修改效果如圖7 所示。

圖7 產(chǎn)品結(jié)構(gòu)修改效果圖

3.2 工藝優(yōu)化

自硬砂退讓性差、散熱性差，澆注后鑄型冷卻緩慢，內(nèi)應(yīng)力釋放時間長。通過對比分析不同埋箱時間下鑄件裂紋缺陷的嚴(yán)重程度，確認(rèn)目前工藝的埋箱時間太短，結(jié)合生產(chǎn)節(jié)拍，延長埋箱時間至36h。為充分釋放機(jī)體鑄件殘余應(yīng)力，制定如圖8所示的熱處理工藝參數(shù)，進(jìn)行應(yīng)力退火熱處理。

圖8 熱處理工藝參數(shù)

3.3 工藝裝備改進(jìn)及效果驗證

根據(jù)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)修改方案，對大缸芯冷芯盒進(jìn)行了修改，大缸缸壁加厚1mm，修改大缸串水孔圓角，沿串水孔增加高5mm、寬10mm 的加強(qiáng)筋。綜合以上改進(jìn)，組織一輪樣件試生產(chǎn)驗證，順利完成4 臺樣件試生產(chǎn)，4 臺樣件毛坯全部合格，徹底解決了大缸串水孔裂紋缺陷。

4 結(jié)論

（1）產(chǎn)品結(jié)構(gòu)不合理是裂紋缺陷產(chǎn)生的最主要的影響因素。鑄造產(chǎn)品設(shè)計中應(yīng)避免“啞鈴狀”的結(jié)構(gòu)出現(xiàn)，將大缸之間的壁厚由8mm 增大為10mm，使得鑄件壁厚均勻過渡；串水孔圓角由R8加大到R15，可有效分散應(yīng)力。

（2）根據(jù)產(chǎn)品大小和結(jié)構(gòu)復(fù)雜程度優(yōu)化工藝參數(shù)，將埋箱時間由18h 增加到36h，制定合理的熱處理工藝，充分釋放鑄件殘余應(yīng)力。徹底解決了大缸串水孔裂紋缺陷。