氣缸蓋缺陷分析及預防

馬永威，鄧曉金，任國波

(中車戚墅堰機車有限公司，江蘇常州213011)

長期以來，由于受鑄造缺陷的生成理論和對缺陷的認識及分析儀器等限制，對鑄造缺陷的分析會出現偏差，造成缺陷不能及時得到解決。

本文對氣缸蓋鑄件孔洞類缺陷進行詳細分析，并采取了預防措施，提高產品質量。

1 氣缸蓋缺陷狀況

氣缸蓋孔洞缺陷位于冒口根部與鑄件相接處，大小似黃豆，孔洞內有綠豆大小的鐵豆，鑄造工藝及缺陷見圖1。

2 對缺陷的認識

缺陷性質為氣縮孔，是一種縮孔在前，氣孔在后的缺陷。

2． 1 生成缺陷的過程分析

（1）自澆注結束至鑄件的凝固前期，冒口內金屬液完全處于液態，金屬液溫度下降產生的液態收縮和凝固產生的凝固收縮能夠得到來自冒口的補充。

（2）凝固中期，冒口中金屬液已處于凝固或半凝固狀態，而此時冒口下部由于本身壁厚較大，加上與冒口形成的接觸熱節，該部分仍處于液態或半凝固狀態，仍然產生著收縮，形成了鑄件縮孔并在內部產生負壓，溶解于金屬液中的氣體析出進入縮孔，形成了具有氣孔特征的孔洞。

圖1 氣缸蓋工藝及缺陷圖

（3）凝固末期，由于共晶石墨的析出產生膨脹，將低熔點鐵液擠入孔洞內，形成內滲豆缺陷，圖2分別是氣縮孔和氣孔中的內滲豆。

圖2 氣縮孔和氣孔的內滲豆

2.1.1 形成氣縮孔的原因

由于鑄件缺陷生成部位本身較厚大，設置冒口后因冒口與鑄件接觸處的熱節圓直徑增大，再考慮冒口的金屬液從鑄件厚大部分流過和冒口與鑄件接觸部位尖角砂被加熱以及冒口金屬液帶來大量熱量，大大延長了鑄件厚大部分的凝固時間，因而形成接觸熱節，且由于冒口為冷冒口，冒口中的鐵液溫度低，即接觸熱節（冒口頸下部）晚于冒口凝固，成為整個鑄件-冒口系統的最后凝固單元。鑄件凝固過程，當鑄件薄壁處發生收縮時，首先通過冒口頸從冒口中吸取金屬液，當冒口凝固后，受冒口熱影響而延長了凝固時間的冒口根部一方面本身收縮，另一方面還要供應相應部位的補縮，因此在冒口根部產生縮孔缺陷[1，2]。

2.1.2 氣體析出進入縮孔

熱節金屬液的收縮得不到補充形成縮孔，由于這時冒口頂面已凝固，縮孔部位的殘余金屬液成為孤立溶池，在內形成一定的真空。下式是氫氣泡析出條件[3，4]：PH.f＞P0+ρ.g.H+(2σ/r)

式中 PH.f——氫氣泡析出的分壓力；

P0——型腔內金屬液面壓力；

ρ——金屬液密度；

g——重力加速度；

H——是氣泡以上金屬液面高度；

2σ/r——氣泡需要克服的金屬液表面壓力。

式中的2σ/r、ρ、g為金屬本身特性，可以認為固定不變，而由于縮孔部位殘余金屬液形成的孤立溶池，P0、H已明顯減小，氣泡析出的分壓力隨之減小，為氣體的析出創造了條件。使在正常壓力下不會析出的溶解于金屬液中的氣體容易析出，外來的氣體擴大了縮孔的體積，鈍化了縮孔內典型的樹枝狀結晶，成為既有別于純氣孔的光滑表面，又有別于典型縮孔的樹枝晶表面。該類缺陷在作者公司生產的大型柴油機機體冒口根部及熱節中心（主軸承螺孔和氣缸蓋螺孔）曾多次發生，其他鑄件也常有發生，圖3、圖4分別是蠕墨鑄鐵氣缸蓋氣門導管孔中心缺陷和球墨鑄鐵厚實鑄件熱節部位的孔洞缺陷。

圖3 氣缸蓋氣門導管孔中心缺陷

圖4 厚實部位氣縮孔

2.1.3 確定為氣縮孔缺陷的理由

（1）缺陷的孔洞體積決定于鐵液碳當量，碳當量低，孔洞擴大。有關資料介紹，出現這類缺陷的鑄件，規定部位硬度檢測一般都合格；而碳當量略高、硬度較低時，缺陷消失。說明缺陷的生成與材料的收縮大小有關，屬于收縮類缺陷。

（2）擴大冒口直徑放大到50mm，將冒口形狀設計為倒置酒瓶狀，冒口頸厚度為10mm，大大降低了廢品率，這是因為一方面延長了冒口的凝固時間，提高了冒口的補縮能力，另一方面小冒口頸有效減小了接觸熱節，起到了減少縮孔缺陷的效果。

（3）澆注溫度提高，廢品降低，這是因為雖然提高澆注溫度增加了液態收縮，但也提高了冒口的補縮能力，所以缺陷減少。

（4）使用經過挑選的優質廢鋼并采用電爐高溫熔煉鐵液，大大降低了鐵液的含氣量，雖然孔洞比大量銹蝕廢鋼澆注廢品率下降，但始終不能消除缺陷，充分說明產生缺陷的主要原因不是鐵液中的氣體含量。

圖5 機體減小冒口消除缺陷

（5）如取消冒口改為冷鐵工藝，消除接觸熱節，缺陷可以消除。筆者公司采用減小冒口頸尺寸或冒口頸處設置冷鐵，消除了冒口頸位置的孔洞缺陷；鑄件局部熱節，如大型柴油機機體的氣缸蓋螺栓孔在其外側設置冷鐵后，缺陷消除（圖5）。

（6）缺陷位置較固定，位于鑄件熱節位置，具有收縮虧欠類缺陷特征。而卷入性氣體產生的氣孔缺陷位置一般比較分散，不可能出現在同一位置。

3 氣縮孔缺陷的預防

預防氣縮孔缺陷必須從預防縮孔著手，具體有以下措施。

（1）為有效預防縮孔可優先采用冒口補縮，利用冒口對石墨化膨脹的不足進行補縮，尤其濕型鑄造更應加強冒口的補縮。圖2左圖鑄件在設置側冒口補縮后，缺陷消除。

（2）在鑄件難以設置冒口的孤立熱節設置冷鐵，加快熱節部位的冷卻速度，使鑄件石墨化膨脹與收縮相抵消的均衡點提前，作者公司對圖3的缸蓋熱節位置采用冷鐵后消除了缺陷。

（3）內澆道和冒口盡量設在靠近鑄件熱節而不過熱節的部位，縮短鑄件熱節的凝固時間又能對熱節進行補縮。

（4）嚴格控制鐵液化學成分，在保證力學性能的前提下，盡量提高C、Si含量，并防止Cr、Mo等反石墨化元素的混入，減少金屬液的收縮。

（5）提高鑄型剛度，充分利用石墨化膨脹自補縮，6L280曲軸改用鐵覆砂工藝后轉角處氣縮孔缺陷得到解決。

4 結束語

正確判定缺陷性質，是工藝措施制定和實施的前提。氣縮孔缺陷的預防要從預防縮孔入手，采取補縮和激冷等工藝措施。