球墨鑄鐵機體縮孔分析和防止

何輝，王建榮，楊儉

（中車戚墅堰機車有限公司，江蘇常州 213011）

某公司生產的大型柴油機機體自試驗開始至批量生產的較長時期，在鑄件厚大部位的氣缸蓋螺栓孔內發現有孔洞缺陷，在此其間，為防止缺陷產生采取了改進澆注系統、控制澆注溫度等一系列工藝措施，但始終未能消除，造成多個機體在機加工后報廢。

1 產品結構和生產工藝

柴油機機體材料為QT500-7，鑄件輪廓尺寸3940mm×1462mm×1297mm，重量8.5t。機體澆注位置為氣缸平面朝下、油底殼安裝面朝上；鑄型（芯）開始階段為粘土砂型，2000年改為樹脂砂；鑄造方法為劈箱造型，砂型分為上型、下型、左側型、右側型和前、后端型六個砂型；澆注系統最初為鐵液從主軸承座上方引入的頂注式澆注系統（圖1）；在主軸承和氣缸蓋螺孔等厚實部位設置內冷鐵（圖2）。

2 缺陷的分布和形貌

氣缸蓋螺栓孔部位結構為在?90mm圓柱體中心加工緊固氣缸蓋的螺孔，孔的構成是上部為?52mm×55mm的光孔，下部M48×90mm的螺孔（圖3）。孔洞缺陷大多發生于螺紋的前幾牙，少量出現在螺紋中部；缺陷為分散點狀，造成螺紋斷牙和缺牙（圖4）；在機體64個氣缸蓋螺栓孔內均發生過缺陷，曾經在機加工前對氣缸蓋螺栓孔部位進行超聲波檢查，判定52個螺栓孔內有縮松，說明幾乎所有螺栓孔均會產生缺陷，只是因為大部分位于熱節中心的缺陷已在機加工鉆孔時去除。

圖1 機體澆注工藝簡圖

圖2 機體內冷鐵設置

圖3 機體氣缸蓋螺栓孔結構

圖4 氣缸蓋螺栓孔內缺陷

3 缺陷分析

該缺陷之所以在長時間多次發生后才得到有效控制，主要是前期對球墨鑄鐵的收縮特性認識不足，對缺陷的性質判斷不準確。

3.1 第一階段

缺陷發現初期分析認為對熱節已采取內冷鐵激冷，不可能產生收縮虧欠性缺陷，認定缺陷為氧化夾渣。產生原因是頂注式澆注系統的飛濺氧化鐵液與生銹的冷鐵產生化學反應，即因飛濺氧化的鐵液在上升過程遇到生銹的冷鐵發生化學反應，產生氧化夾雜物，傾斜的冷鐵阻擋夾雜物的上升，在冷鐵周圍集聚形成缺陷。采取的改進措施是澆注系統由頂注式改為直澆道穿過缸孔芯，進入下型再返入型腔的底注式（圖5），并取消內冷鐵，缺陷沒有得到消除。

圖5 底注式澆注系統

3.2 第二階段

依據缺陷具有較光滑的氣孔特征，認為缺陷主要原因是氣體侵入，分別采取了改進烘烤工藝、增加砂芯及型腔排氣、增加澆注溫度等措施，結果缺陷發生概率和嚴重程度均未改善，且在提高澆注溫度時缺陷有增加趨勢。

3.3 第三階段

進一步對缺陷部位結構、產生規律等進行統計和分析，總結如下：

（1）由圖3可以看出氣缸蓋螺栓孔的部位壁厚較厚，在鑄件中成為孤立熱節，加上側面多條立壁的連接，影響了金屬液的散熱，鑄件凝固時該部位較周邊其他部位凝固時間長，容易產生收縮虧欠類缺陷。

（2）粘土砂型（芯）改呋喃樹脂自硬砂后缺陷發生概率增高，因為澆注后樹脂燃燒發熱延長鑄件的凝固時間，所以樹脂自硬砂型（芯）較粘土砂型（芯）的凝固時間長，相當于氣缸蓋螺栓孔部位壁厚增加。

（3）增加澆注溫度，缺陷發生概率和缺陷嚴重程度同時增加。

（4）頂注和底注式澆注系統對缺陷發生沒有影響。

綜合以上特點分析，缺陷發生于鑄件最后凝固的熱節處，且凡是延長凝固時間的因素均會使缺陷產生機率增加。初始工藝中雖然在熱節中心設置了內冷鐵，但由于冷鐵尺寸偏小、球墨鑄鐵凝固時間長，鑄件澆注至凝固期間熱量的傳遞，使冷鐵與鐵液溫度已基本相近，形成的激冷能力較小，基本失去消除縮孔缺陷的能力。所以，缺陷是由收縮沒有得到補充造成的，而內部的氣孔特征是由于在鑄件內部形成縮孔的同時，縮孔周圍產生一定的負壓，使氣體在金屬液中的溶解度下降，溶解于金屬液中的氣體析出進入縮孔并將縮孔擴大。因此，缺陷性質是一種縮孔在前、氣孔在后的氣縮孔缺陷。

4 改進措施和效果

針對熱節部位凝固時間長，防止縮孔縮松缺陷的主要措施是加快熱節部位的冷卻速度，即氣缸蓋螺栓孔平面和氣缸孔內的搭子外圓設置外冷鐵，冷鐵按式（1）確定。

式中W——冷鐵重量（g）；

Vo——應安放冷鐵部位體積（cm3）；

Mo——應安放冷鐵部位模數（cm2）；

Mr——安放冷鐵后的模數（cm2）。

其中應安放冷鐵部位體積Vo=1140cm3；通過計算并考慮側面連接板影響鑄件冷卻，應安放冷鐵部位模數Mo=2.5cm；安放冷鐵后應保證熱節在周圍大體凝固完了時,熱節處殘留金屬液必須小于30%，確定設計冷鐵后的模數為周邊壁的1.1倍，Mr=1×1.1=1.1（cm）；W=10.3×1140×（2.5－1.1）/2.35=6849（g）。

圖6 熱節部位外冷鐵

依據以上計算確定在鑄件底部設置?90×80mm外冷鐵，側面設置厚度為55mm的成形外冷鐵（圖6）。

氣缸蓋螺栓孔部位設置外冷鐵后，加快了該部位的冷卻速度，基本消除了局部熱節，生產至今未出現過相同缺陷。

5 結論

機體氣缸蓋螺栓孔部位的孔洞缺陷性質是收縮得不到補充形成的縮孔，通過設置外冷鐵，平衡了鑄件壁厚，消除了鑄件局部熱節，有效防止了缺陷的產生。