砂芯對缸蓋組織的影響

程俊偉，焦耀峰

（中國一拖集團有限公司，河南洛陽 471004）

缸蓋是柴油發(fā)動機上的重要鑄件，隨著發(fā)動機的比功率（kW/排量×升）越來越大，導(dǎo)致發(fā)動機氣缸體與氣缸蓋的工作溫度越來越高，對所使用的灰鑄鐵材質(zhì)提出了更高的要求。缸蓋的缺陷直接影響著鑄件的機械性能和致密性，滲漏缺陷是缸蓋的主要缺陷，而石墨和基體組織異常缺陷會導(dǎo)致缸蓋在使用過程中開裂滲漏，會嚴重影響缸蓋的使用壽命。

1 鑄件組織缺陷的部位與特征

在對滲漏缸蓋的分析解剖中，時常在下水套和氣道處發(fā)現(xiàn)鑄件壁厚只有3mm左右,明顯不符合鑄件圖紙要求，如圖1所示。

圖1 壁薄缺陷位置與特征

對滲漏缸蓋的壁薄部位和同一斷面相連正常壁厚部位檢查基體組織和石墨形態(tài)，不同鑄件上的壁薄部位（3mm）石墨形態(tài)和基體組織如圖2、圖3所示，同一斷面相連正常壁厚部位（6mm）檢查基體組織和石墨形態(tài)如圖4所示。

圖2 薄壁石墨形態(tài)與基體組織(100×)

圖3 薄壁石墨形態(tài)與基體組織（100×）

圖4 同一處正常部位石墨形態(tài)與基體組織（100×）

檢測結(jié)果發(fā)現(xiàn)：壁薄部位石墨形態(tài)為D、E型石墨，基體組織中珠光體量為40%～60%，而同一處壁厚正常部位石墨形態(tài)和基體組織正常，珠光體量在90%以上。缸蓋中過低的珠光體量，在振動使用過程中，鑄件承受的各種作用力會明顯超出該處的強度極限，從而引起鑄件開裂滲漏，影響整個發(fā)動機的使用壽命，因此在缸蓋進行水壓試驗前，必須徹底消除這種壁薄和組織異常缺陷。

2 鑄件的成分檢測與改進

缺陷缸蓋化學(xué)成分的分析結(jié)果如表1所示。

從缸蓋化學(xué)成分分析結(jié)果判斷，鐵液的碳當量基本符合工藝控制要求，個別在控制下限左右，對形成D、E型石墨影響并不大。檢測的化學(xué)成分中銅含量偏低，會導(dǎo)致鑄件中珠光體量偏低，因此在缸蓋生產(chǎn)中進行了銅錫強化試驗，在鐵液中增加了錫的合金處理，目的是提高缸蓋基體中的珠光體量，實際加入量控制在0.06%左右，爐前孕育量控制在0.5%以內(nèi)。雖然提高鑄鐵的孕育效果，也能提高鑄件中珠光體量，但缸蓋的生產(chǎn)實踐已經(jīng)證明[1]：過高的孕育量必定增加缸蓋的縮松傾向，從而引起缸蓋更大的滲漏。

表1 薄壁鑄件化學(xué)成分（%）

對合金強化試驗中出現(xiàn)的滲漏缸蓋進行了批量解剖，其中壁薄部位取樣進行了石墨形態(tài)和基體組織分析，石墨形態(tài)與以前分析結(jié)果一致，基本是D、E型石墨，但50%薄壁樣珠光體量達到了90%以上，仍然有50%薄壁樣珠光體量在70%左右。由此看來，合金不是影響基體珠光體含量的最主要原因，解決這個問題，必須換個思維方法，從根本上消除壁薄缺陷，才能保證珠光體量完全符合要求。

3 鑄件壁薄和組織異常成因分析

3.1 鑄件壁薄成因分析

缸蓋生產(chǎn)主要采用多種砂芯組合一體，再放入型砂內(nèi)澆注。缸蓋底座芯和蓋板芯采用冷芯盒制芯，緊實不足或樹脂加入量少強度不足，砂芯易變形。此外，底座芯實體面刷涂料，水套芯、氣道芯采用覆膜砂制芯，缸蓋砂芯截面如圖5所示。

圖5 缸蓋砂芯截面圖

鑄件壁薄缺陷時常出現(xiàn)在下水套末和氣道上，分析形成原因，主要有以下幾點：

（1）底座芯變形，氣道芯和下水套芯下不到位；

（2）底座芯上氣道芯頭窩座積涂料，氣道芯下不到位；

（3）底座芯上水套芯芯頭窩座積涂料，氣道芯下不到位。

根據(jù)以上產(chǎn)生原因分析，保證砂芯不變形，下芯到位就能解決鑄件壁薄缺陷的問題。

3.2 鑄件組織異常成因分析

石墨形態(tài)異常分析。砂芯變形或下不到位，致使砂芯之間距離達不到要求，鐵液充型后，冷卻速度快，形成D、E石墨。

基體組織異常分析。鑄件薄壁部位基體中珠光體量不足，主要與砂芯的熱作用存在很大關(guān)系，尤其在空班不生產(chǎn)期間，鑄件長時間在砂箱內(nèi)，砂型砂芯降溫較慢，鑄件壁薄部位在熱砂芯長時間作用下，珠光體分解形成較多的鐵素體，而在同一處相距不遠、壁厚在7mm部位，珠光體量大于壁薄處30%～40%以上。有資料介紹[2]，一汽鑄造公司在生產(chǎn)灰鐵鑄件時，把鑄件長時間留在砂箱內(nèi)不開箱，通過砂型砂芯降溫較慢的特點，對鑄件進行去應(yīng)力退火，這也進一步說明了在砂芯較多、砂箱較大的高壓造型情況下，砂型砂芯熱作用對鑄件的影響。而缸蓋由于全部采用砂芯組合成型，高壓造型的型砂保溫效果好，因此說，砂芯的熱作用，是壁薄部位珠光體含量不足的主要形成原因。

4 結(jié)論

生產(chǎn)驗證試驗表明，銅錫合金強化措施，并不能完全消除壁薄部位的基體組織異常，砂芯是導(dǎo)致鑄件壁薄與組織異常的直接原因。砂芯變形或砂芯下不到位引起鑄件壁薄，壁薄導(dǎo)致鐵液冷卻過快，形成D、E石墨，砂芯熱效應(yīng)導(dǎo)致基體組織中珠光體含量下降。

[1]劉佑平.灰鐵冶金質(zhì)量對柴油機缸體縮孔缺陷的影響[J].中國鑄造裝備與技術(shù)，2002（5）：30-31.

[2]逢偉.HT300高強度缸體缸蓋材料熔煉技術(shù)研究 [J].現(xiàn)代鑄鐵，2007（6）：22-26.