降低球墨鑄鐵活塞環鑄造缺陷的工藝措施

徐小光

摘 要：球墨鑄鐵具備糊狀凝固特征，在生產球墨鑄鐵活塞過程中，經常出現一系列問題，比如縮松、夾渣等，這從一定程度上影響了球鐵環使用性能。本文主要從實際生產情況，對球墨鑄鐵活塞環鑄造缺陷產生的原因進行了分析，并提出了相應的工藝措施。

關鍵詞：球磨鑄鐵；活塞環；鑄造；缺陷；工藝措施

中圖分類號：TG255 文獻標志碼：A

在發動機運行中，活塞環是不可缺少的重要部件之一，它應具備耐磨、強度高等優點。目前，隨著發動機正呈現向高負荷方向的發展，人們對活塞環的使用性能也在逐漸提高，由于球墨鑄鐵性能相對較好，所以用球墨鑄鐵制造的活塞環也逐漸增多。本文主要研究了球鐵活塞環鑄造過程中存在的各種問題，進而給出相應的解決辦法。

1 球墨鑄鐵的凝固特征

在球墨鑄鐵活塞環材料中，含碳質量分數為4.9%左右，它屬于共晶成分的一種。眾所周知，過共晶成分的鐵水經過球化處理之后，在冷卻作用下呈現球狀的石墨晶核，并且逐漸長大。當鐵水溫度降到一定程度的時候，液態奧體體層便會隨之凝固，鐵水中的碳原子利用奧氏體殼進入石墨內，加快石墨的生長速度，與此同時，鐵原子通過石墨界面分散開來，從一定程度上增加了奧氏體殼的厚度和性能。在這一運行期間，碳原子運行速度一般。

灰鑄鐵和球墨鑄鐵的冷卻曲線如圖1所示。

圖1明確顯示了球墨鑄鐵的凝固情況。從中得出，在共晶凝固過程中，碳原子朝著石墨球擴散較為困難，并且球鐵的導熱系數和灰鑄鐵相比較而言，要小很多，散熱慢，只有依靠增加過冷度來發展，進而擴大石墨球。從開始凝固到停止環節中，溫度范圍較寬，鑄件表面凝固之后，仍然存有液體。從實際情況來看，整個鑄件內部呈現糊形，它并不是完全固態的外殼。球鐵的共晶轉變過程，只能夠在低溫下開展，從中可以看出，這一球鐵的特點是生長率不高，和共晶團相比較來說，要細得多，并且沒有連貫性，整個鑄鐵斷面呈現相互依存的現狀，這就是所謂的糊狀凝固。

從上面論述可以看出，球鐵件的凝固特點，除了鑄件表面層次之外，同時還在鑄件內部凝固，這樣一來，就導致鑄件在凝固期間，通道堵塞，引起球鐵鑄造缺陷性問題。

2 產生球墨鑄鐵活塞環鑄造缺陷的實質性原因和有效的解決對策

2.1 皮下氣孔

在鑄造簡體的過程中，主要是將皮下氣孔放置在距離外圓面下面的2mm處，并且內圓面表面也有，可是比較少，在進行雙環鑄造過程中，正好相反，則是將其放置在距離上表面1mm的位置處，運行期間呈現球狀，此種形狀只有在加工的時候才會表現出來。從實際情況來看，皮下氣孔形成過程較為復雜，它的氣體為氫氣，來源于兩個方面，分別為外部侵入的氣體以及鐵水內部析出的氣體。

2.1.1 皮下氣孔形成原因

第一，鐵水外部侵入中，氫氣是主要的來源之一。

第二，在鐵水內部的氣體中，主要來源于爐料、材料中所含水分等，澆注期間，這些水分會受到分解和形成氫氣。

其中，鐵水中的鎂蒸氣和型砂內的水發生反應形成氫氣。公式如下：

① Mg+H2→MgO+2{H}

鎂本身作為觸媒，它能夠使碳和型砂水反映到一起，產生氫氣。

② C+H2O→+H2

水和鎂、鐵的碳化物相互作用，形成乙炔氣體，再由乙炔氣體分解成氫氣。

③{Fe·Mg}C+H2O（氣）→（Fe·Mg）O+C2H2

C2H2→2C+H2

第三，在生產鐵球的過程中，鐵水經過球化處理之后，在鎂活化作用的影響之下，鐵水表面出現了薄薄的氧化膜，氧化膜的產生和皮下氣孔有著十分緊密的聯系。產生皮下氣孔的原因是由于氧化膜產生的，因為該膜的出現從一定程度上增加了鑄型和鑄件之間的作用力，所以，便有效預防了鐵水內外部氣體的泄漏，最后，鑄件表層凝固，氣體被引入鑄件表層中，這就是皮下氣孔的形成原理。

2.1.2 避免皮下氣孔的對策

①合理控制住型砂水分，以此避免鐵水和鑄型表面形成氣體，在鑄造簡體的過程中，可以將型砂水分控制在4.5%左右，型砂透氣單位高于80單元，雙環鑄造的型砂水分控制在4.1%左右。

②然后，在使用球化劑、球化處理包之前，將預熱烘烤到200℃左右，以此減少氫氣量。

③最后，鎂和硫能夠從一定程度上提升氧化膜溫度。對此，要從鐵水入手，在提升鐵水球化水平的前提下，需要注意，剩余的型砂水分要保持在0.81%以內，這就說明鐵水中的含硫質量越低，那么呈現的效果越佳。

2.2 夾渣

夾渣作為一種非金屬夾雜物，主要是由氧化物和硫氧化物等物體構成，整體而言較為復雜。

2.2.1 夾渣物形成原因

第一，鐵水經鎂和稀土處理之后，硫氧和稀土發生反應以后，氧化物和硅酸鎂便會形成夾雜物體，這一物體的質量和鐵水相比較而言，要低一些，在處理完球化的扒渣之后，如果處理不干凈或者鐵水溫度低，夾雜物就會殘留在鐵液中，最后生成夾渣。

第二，一般來講，因為鎂自身的原因，時常發生氧化現象，所以在鐵水表面會將多種氧原子吸收進去，從而當鐵水經過球化處理之后，發生氧化情況，產生氧化膜，再加上這一氧化膜一直處于固液情況，無法在扒渣中得到清除。鐵水在鐵包內存留或者流動的時候，不斷和外部空氣相互接觸，從而氧化形成殘渣。

2.2.2 防止夾渣的工藝措施

首先，適當地降低鐵水殘留鎂和原鐵水含硫之間的質量分數，這是因為內鎂和硫結合到一起，會提升鐵水氧化膜的結膜溫度，當處于一致的澆注溫度的時候，便會提升殘留鎂的質量分數和原鐵水含硫量的質量分數，從一定程度上加大了夾渣的嚴重性。然后，要保證殘留稀土質量分數的充足性，由于稀土本身能夠減少氧化膜的結膜溫度，所以如果過度的殘留稀土質量分數，會使石墨形狀固化。最后，將澆注溫度保持在合理范圍內，因為氧化膜自身隨著鐵水溫度降低而逐漸加厚，所以會使夾渣情況明顯。

結語

從以上論述可以看出，要想預防球墨鑄鐵活塞環發生鑄造缺陷，應當從實際情況出發，采取有效的工藝措施，減少貼水氧化膜的結膜溫度，降低其干擾性。

參考文獻

[1]程鳳軍，高順，莫俊超，等.球墨鑄鐵中碎塊狀石墨的形成原因及防止措施[J].現代鑄鐵，2015，35（3）：29-34.

[2]貴傳霞，張鵬，胡元軍.砂型單體合金活塞環鑄造縮松缺陷分析研究[J].內燃機與配件，2012（3）：21-24，27.