灰鐵連體缸蓋漏水缺陷的原因分析與改進措施

季 托，王 超，伍啟華，劉立強，張其昌

（濰柴動力（濰坊）鑄鍛有限公司，山東濰坊 261061）

我公司生產Y系列四缸輕型柴油機灰鑄鐵連體氣缸蓋，鐵水牌號HT280，單件毛坯重量45kg，年產量40000臺以上。其特點是壁薄、質量輕。本產品采用中頻電爐熔煉工藝，澆注溫度1410～1430℃。造型采用濕型砂造型工藝，一箱四件。上蓋底盤芯采用三乙胺冷芯盒制芯工藝，氣道芯及水腔芯采用覆膜砂熱芯盒制芯工藝。澆注系統為底注式。自供料以來，加工后經濕式氣密試漏檢驗，漏水缺陷廢品占總廢品數量比例90%以上。漏水部位主要集中在噴油器孔，經過電鏡觀察，確定漏水原因為縮松。

1 漏水原因的分析

1.1 漏水原因的確定

漏水位置主要集中在2、3缸噴油器孔（鑄件共4缸），占漏水總數的80%以上。該孔孔徑?30mm，在鑄件上不鑄出，形成結構熱節。經過鉆孔加工后缺陷暴露出來，加工后在內壁可以清晰觀察到灰色蜂窩狀孔洞。使用掃描電鏡觀察缺陷形貌（放大100倍），可以看到樹枝狀結晶組織，局部有疏松的空洞，可以確定為縮松缺陷。

圖1 統計漏水位置的柏拉圖

圖2 缺陷位置鑄件解剖后形貌（左側為缺陷位置，右側為放大圖）

1.2 縮松原因的分析

缸蓋鑄件為薄壁鑄件，平均壁厚5mm，而噴油器孔處直徑30mm（該孔不鑄出），形成厚實的結構熱節，澆注后冷卻過程中冷速不均，缺陷部位最后凝固，因液相、共晶與固相收縮無法相抵，熱節部位比四周薄壁凝固晚，因此薄壁補縮后無液態金屬及時補縮，導致組織空洞出現[1]。

圖3 掃描電鏡觀察缺陷形貌（100×）

2 內冷鐵的設計與應用

內冷鐵適用于薄壁有孤立熱節的中小鑄鐵件（如本文中所述的柴油機氣缸蓋），可以有效地控制鑄件的凝固順序，調整鑄件各部的冷卻速度，促成定向順序凝固或同時凝固。尤其是針對本鑄件澆注系統，難以用冒口直接補縮的情況。

2.1 內冷鐵的材質

內冷鐵材質一般選用與鑄件本體相同或相近的材料。生產驗證未選用本體材質，原因為鋼材價格低廉且進料渠道較多（參考多家柴油機鑄造廠，包括錫柴、天長缸蓋，鋼材冷鐵應用最為廣泛）。驗證選用材質為鍍錫鋼板，是使用冷軋鋼板經沖壓模塑性變形后電鍍錫獲得。內冷鐵對表面質量要求較高，表面不能氧化、銹蝕，因此電鍍錫以防止生銹。

2.2 內冷鐵的形狀與定位

內冷鐵形狀以簡單為宜。復雜形狀，如焊接定位翅等，可能帶來熔合不良等問題，而且冷鐵制作工藝復雜，焊接易變形，電鍍困難，生產效率低，尺寸控制難，進而導致價格昂貴。

表1 光譜儀分析內冷鐵材質 ωB/%

圖4 內冷鐵三維立體圖

內冷鐵形狀設計為中空帶缺口圓筒。厚度為0.8mm，其選擇是根據熱節圓大小確定，過薄起不到冷卻效果，過厚可能造成熔合不良、裂紋等；直徑根據砂芯孔徑，即熱節圓大小確定，稍大于砂芯孔徑，使用時插入砂芯孔中，因圓筒不閉合本身具有彈性，能夠撐住砂芯內表面，達到固定效果；長度以加工后不暴露為準；錐度及缺口角度起到避讓砂芯的作用。此外，缺口可以為砂芯提供排氣路徑，設計錐度也可起到方便下入的作用。

圖5 放入冷鐵后的組芯圖

圖6 實際應用照片

圖7 光學顯微鏡觀察金相（50×）

2.3 內冷鐵的作用機理

2.3.1 金相觀察

可以清晰觀察到鋼板輪廓，僅外表面部分熔化，與鑄鐵之間形成厚度為0.3mm過渡層(鋼板區域寬度0.8mm)。熔合良好，沒有微觀裂縫或氣孔。

2.3.2 硬度檢測

鑄件本體組織為珠光體+石墨，過渡層組織為珠光體，冷鐵組織為珠光體+鐵素體。使用維氏硬度機測量得出中間冷鐵區域270～279HV，灰鐵區域 206～230HV，過渡區域 240～260HV，冷鐵區域硬度較高，鉆孔過程中如果加工到可能出現打刀。

由此說明，內冷鐵的作用為加速熱節部位冷卻，使縮松缺陷的位置由熱節邊緣推向中心（甚至消除）,進而在鉆孔后，去除縮松部位。此外，致密的冷鐵層及過渡層也可起到防止滲漏的作用。

2.4 可能存在的風險

目前解剖樣件雖熔合良好，但隨著日后澆注系統的改進、新工藝的應用等，可能會造成熔合不良，因此需要持續觀察。

此外，內冷鐵未完全熔化，如果組芯時安放位置稍偏，可能會有加工硬點。凝固過程中應力不均可能造成微觀裂紋等。

3 成分控制

3.1 控制碳當量及合金元素的加入量

鐵液成分是影響鑄件品質的主要因素，當澆注鐵液碳當量下降時，鑄件縮松傾向加劇[2]。錫有穩定珠光體，促進石墨化的作用。本產品鐵水牌號為HT280，合金化工藝為Cu-Cr-Ni。適當提高硅含量，同時去鎳加錫，驗證一個批次（48臺），效果較好。

3.2 控制二次孕育

爐前孕育后會出現孕育衰退，為減少衰退現象，需要二次孕育。我公司使用硅鋯孕育劑，在澆注時隨流注入。有文獻指出，孕育效果越好，鑄件凝固時的縮松傾向越大。然而，孕育量過小，達不到孕育效果，自補縮能力差。經過多批次生產驗證，加入量控制在0.06%～0.08%。

4 其他工藝的探究

4.1 涂刷激冷涂料

碲是強烈的反石墨化元素,其熔點452℃，沸點1390℃，可使金屬液急劇冷卻，加快凝固速度，從而阻礙石墨化，細化晶粒[3]。

生產中涂刷碲涂料于砂芯圓孔周圍，調整涂料密度試驗多個批次，激冷效果均不明顯。觀察金相發現，涂刷位置出現明顯的過冷D、E型石墨層，但未出現碳化物（白口層）。分析原因為覆膜砂粒度細（50/100），碲涂料（固含量高，粘度高，滲透性差）不易滲入，涂掛層薄，難以起到激冷作用。碲涂料在本公司另一產品的冷芯上應用時，效果良好。

4.2 改進澆冒系統

本產品采用平組立澆，因缺陷位置處于鑄件中部，難以增設頂冒口，只能增設側冒口。側冒口的補縮工藝在其他產品做過驗證，補縮效果不理想，分析原因為冒口頸形狀不合理導致的難以補入，即補縮通道不暢通，以及冒口模數小或壓頭小導致的補縮不足。

此外，目前澆注系統為底部注入，如果在噴油器搭子處開設內澆道，給清理澆道殘根帶來不便，而且對溫度場變化影響較大，可能影響鑄件冷卻條件，并進一步影響鑄件本體性能。

5 效果

經過內冷鐵的應用及鐵水成分和孕育方式的控制，該系列氣缸蓋鑄件漏水率降低80%，效果顯著。

6 總結

（1）內冷鐵對于解決鑄鐵件熱節縮松缺陷有良好的效果，其設計的主要原則為根據鑄件本體材料選擇材質，形狀需要綜合考慮冷卻效果、排氣、定位、熔合、成本等因素。應用中需要注意芯組內放置內冷鐵后，應盡快澆注，防止冷鐵上聚集水分導致鑄件產生氣孔[4]，而且需要定期監控，解剖鑄件觀察內冷鐵與鑄件間熔合情況，避免日后工藝改動對熔合情況的影響。

（2）對于解決灰鑄鐵氣缸蓋縮松漏水缺陷，調整鐵水成分、增設冒口、優化澆注系統、涂覆激冷涂料等均為可行措施，具體采取哪種手段需要根據產品結構、缺陷位置、澆注系統的設計、型芯材料等鑄造工藝綜合考慮[5]。