發動機缸體鑄造氣孔缺陷的解決方案

陳俞銘，林志斌，陳俊星

（柳州五菱柳機動力有限公司，廣西 柳州 545005）

0 引言

鑄造成型是制造復雜零件最常用的方法。中國雖然已是一個鑄造大國，但還不是鑄造強國，還有大量的小鑄造廠，設備落后，技術力量薄弱[1]。中國鑄造想要適應時代發展的需求，想要有更大的發展空間，就必須由鑄造大國向鑄造強國轉變，不斷提高鑄造裝備技術，提高鑄件生產工藝水平，從而提高鑄件的產品質量和附加值。降低鑄造成本和擴大鑄件的應用范圍，消除鑄造缺陷是極其重要的一環。根據缺陷的形貌特征，我國將鑄件缺陷分為八類：多肉類缺陷，孔洞類缺陷，裂紋、冷隔類缺陷，表面缺陷，殘缺類缺陷，形狀及重量差錯類缺陷，夾雜類缺陷，性能、成分、組織不合格[1]。鑄造缺陷中大部分缺陷都是孔洞類缺陷，而孔洞類缺陷主要有氣孔、砂孔、縮孔。而氣孔又是孔洞類缺陷中最多的，且是讓鑄造工作者頭疼的難于完全解決的問題。氣孔按形成原因，分為卷入氣孔、侵入氣孔、反應氣孔、析出氣孔[1]。

1 汽車發動機缸體的結構特點及制造工藝

筆者所在的公司的鑄造工藝為潮模砂靜壓造型，覆膜砂熱芯盒制芯，感應電爐熔煉鐵水，保溫爐澆注，同時采用在熔煉爐出鐵水時進行包內孕育和澆注時進行隨流孕育的孕育工藝。本方案探討的缸體材料牌號為HT 250，屬于直列4缸。缸體結構較復雜，壁厚差較大，壁厚3.5～30 mm，輪廓尺寸為335 mm×258 mm×322 mm，鑄件重量約32 kg，鑄件結構如圖1所示。根據造型線設計一型四件，水平分型，臥澆底注加軸承進水的澆注工藝。

圖1 缸體結構

2 生產出現的問題

該缸體結構上在后端面位置存在一個凸起的法蘭，采用臥式澆注時，該位置是缸體的最高點，是最后充型位置，同時該位置還是一個孤立的凸起點，是一個容易形成氣孔的風險區域。因此在工藝設計時，在該區域增設了一個壓邊的小溢流冒口，冒口體積為12 cm3，如圖2和圖3所示。生產時缸體后端面法蘭高點處出現孔洞類缺陷，而且概率很大，氣孔率達到了約3.51%，嚴重影響了正常生產。取缺陷樣件進行電鏡分析，孔洞內壁光滑，無夾砂等異物（圖4、圖5）。對孔洞及本體進行電鏡能譜分析，發現孔洞內（譜圖1、譜圖2、譜圖3）較鑄件本體（譜圖4）富含O元素，（見圖3及表1），O元素是由外來氣體帶來的元素，同時孔洞內還有少量Al元素，這是由臟鐵水帶來的渣，綜合分析最后判定該缺陷為氣孔，缺陷位置如圖6所示。該位置出現氣孔概率見表2。

圖2 溢流冒口三維圖示

圖4 缺陷電鏡圖示

表1 能譜分析

圖5 缺陷能譜分析區域

圖6 缺陷位置照片

表2 發生氣孔比例

3 問題解決方案

3.1 氣孔形成的原因

氣孔由氣體而生成，生成氣孔的氣體主要是CO、CO2、H2、O2、N2等。氣體主要來自3個方面，即來自金屬、造型制芯材料和大氣[1]。鐵液熔煉過程中會吸收大氣氣體，同時加入的各種添加劑也會帶入氣體進入鐵液中；澆注前型腔中原有的部分氣體在澆注過程中或澆注后進入鐵液內部；被鐵液烘烤的造型材料和與鐵液直接接觸的砂型表層和砂芯發出的氣體部分會進入鐵液，特別是一些被鐵液大部分包圍的厚大砂芯，砂芯表層與鐵液接觸產生的氣體進入鐵液的阻力要比穿過厚大的砂層進入排氣通道要小得多，而這些氣體多半是要進入鐵液的。因此鐵液中肯定是會存在氣體的，即使數量不多，如果不能排出，就會在鑄件表層或內部形成氣孔。根據氣孔的大小可以看出，形成氣孔并不需要很多的氣體；反之，鐵液內部即使氣體量較多，如果能夠在鑄件凝固前排出，鑄件形成氣孔的風險就會大大降低。氣體在金屬中溶解度，隨溫度下降而急劇減少。例如，純鐵中N2的溶解度在1100℃時為20.5 cm3/100g，在750℃時只有0.3 cm3/100g。H2的溶解在1 000℃時為5.5 cm3/100g，而在300℃時，只有0.16 cm3/100g。當鐵液從液態變為固態時，由于溶解度的原因，氣體向鑄件較高溫度區域擴散，因此一般氣孔多存在鑄件最后凝固的厚大孤立位置。

3.2 缺陷分析

氣孔出現在缸體后端面最高點的厚大法蘭位置，該位置尺寸22.5 mm×35 mm（一般壁厚4 mm），是屬于最后凝固的厚大孤立位置。充型結束后，鐵液中的氣體析出聚集在一起形成氣泡，在鐵液內部壓力的作用下，向高溫區域的液體表面運動；如果液面沒有障礙，可以順利排出液面，就不會形成氣孔。如果鐵液表面開始凝固形成氧化膜，就會阻礙氣泡排出，鑄件凝固后就會形成氣孔[2]。由于缸體后端面最高點的厚大法蘭位置，是一個高溫區域及氣體最終的聚集點，而該位置表面又先于氣體排出完前開始凝固形成了氧化膜，阻礙氣體排出，最終形成了氣孔，造成鑄件報廢。

3.3 改進對策

一般解決氣孔問題，最有效的方式就是調整澆注系統或提高澆注溫度，但是這兩個鑄造工藝參數是不能輕易改動的。如果改了澆注系統，也就是整個鑄件的鐵水流場就改變了，提高了特定區域的溫度，解決了該位置氣孔問題，但是另外區域有可能產生氣孔、砂孔、縮松等缺陷；如果通過提高澆注溫度的形式解決該位置氣孔問題，又有可能造成缸體產生縮松、石墨粗大、燒結等其他問題。因此針對該缸體后端面最高點的厚大法蘭位置的氣孔問題，結合本廠的鑄造裝備及鑄造工藝特點，我們首先考慮的是從溢流方面制定相應的改進措施：

（1）方案1：增加溢流塊體積，體積由原12 cm3改為50 cm3，如圖7所示；

圖7 方案1

（2）方案2：溢流塊體積不變，改變溢流方式，由側邊溢流改為頂部溢流，如圖8所示；

圖8 方案2

（3）方案3：增加溢流塊體積，體積由原12 cm3改為50 cm3，改變溢流方式，由側邊溢流改為頂部溢流，如圖9所示。

圖9 方案3

3.4 模擬分析

使用模擬軟件對制定的3個方案與原方案在相同設定參數下同時進行模擬分析，并在缸體產生氣孔位置設置虛擬傳感器，監控模擬過程中該位置的溫度變化，模擬分析工藝如圖10。設定初始澆注溫度為1420℃，模擬充型結束時間為11 s。根據圖11的不同溢流方案下傳感器的溫度曲線可知道冒口在10.5 s時開始充型，原冒口方案缸體形成氣孔位置最高溫度1333℃，缸體該位置冷卻速度較快，在18.9 s時溫度冷卻到液相線溫度1236℃；方案1缸體產生氣孔位置最高溫度1336℃，在19.5 s時溫度冷卻到液相線溫度；方案2缸體產生氣孔位置最高溫度1340℃，在20.1 s時溫度冷卻到液相線溫度；方案3缸體產生氣孔位置最高溫度1341℃，在20.9 s時溫度冷卻到液相線溫度；根據圖12對比原溢流冒口方案與方案3，可以看到充型15 s時，方案3發生氣孔區域的鐵水溫度要比原方案高（顏色越接近紅色溫度越高）。

圖10 模擬布局及充型15 s時的溫度場

圖11 充型15 s時原方案與方案3的溫度場對比

圖12 不同溢流冒口方案傳感器溫度曲線

對比3個方案，方案3缸體易產生氣孔位置充型結束后溫度最高，根據溫度變化曲線可以看到，冷卻速度最慢，鐵水需要較長時間才冷卻液相線溫度開始凝固，鑄件表面才會形成氧化膜，阻礙鐵水內部氣體的排出。

3.5 驗證效果

為解決該問題，我們按方案順序分別對下面3個方案進行了驗證，驗證結果見表3。

表3 驗證結果

經驗證，單純的增加溢流塊體積，并不能很好的解決該氣孔問題；單純的溢流口由側邊溢流改為頂部溢流方式，也不能完全解決該氣孔問題；最后疊加了兩個方案，增加了溢流塊體積并同時將溢流口由側邊溢流改為頂部溢流，基本解決了該位置氣孔問題。

4 結語

對于HT250材質的汽車發動機缸體在生產過程中出現氣孔問題，在澆注系統及澆注溫度不能輕易改動的條件下，可以用以下的方式進行解決：將溢流口從側邊改為頂部，若是還不能完全解決，可以增加溢流塊的體積。氣體在鐵水內部的運動是往壓力小的方向運動，溢流口開設在本體的頂部，更有利于往上運動的氣體進入溢流冒口；溢流口開設在本體的頂部，可以較好的對鑄件進行保溫，降低鐵液的冷卻速度，延緩氧化膜形成的時間，有利于鐵液中氣體的排出；加大溢流塊體積，可以聚集更多的臟冷鐵水，一般前面的臟冷鐵液中包含較多的氣體及雜質，將這些東西都排到溢流塊中，可以讓鑄件本體的鐵液更純凈，降低本體形成氣孔及渣孔的風險，同時大溢流冒口降溫速度慢，保溫效果更好，也更有利于對鑄件本體表面的保溫，延緩鑄件本體表面氧化膜的形成，為鐵液中的氣體排出爭取時間，從而降低產生氣孔的風險。