缸体渣眼缺陷分析与解决

孙志瑞，王光见，李景峰

（上海通用东岳动力总成有限公司，山东烟台 264006）

T 200缸体是汽车发动机的主要部件，如图1。外形尺寸389 mm×243.5 mm×204 mm，材质牌号为H T 250.该缸体壁厚一般为5mm.进入夏季后的一段时间内，铸件上表面主油道附近位置出现较多的缺陷，见图2。缺陷呈散落状分布，大小和深度不一，内腔表面不规则；严重时使缸体报废，最多时达到0.5%左右。

图1 缸体图

图2 缺陷图

1 铸造工艺

1）造型方式为气冲式，采用湿砂型，水套芯为热芯，其余圆棒芯曲轴箱芯端面芯均为冷芯。

2）浇注工艺：每套砂箱生产两件缸体，曲轴箱面相对布置，水平浇注。横浇道在两缸体之间，由端面芯和曲轴箱芯形成。端面芯横浇道始端安放过滤网；内浇道开在曲轴箱芯盒端面芯中间轴承座上，为中间注入式，见图3横浇道和内浇道。

图3 部分浇注系统图（深色区域）

3）熔炼工艺及化学成分

采用中频炉熔炼铁水，每炉8 t，出炉温度1500℃±10℃.出炉时，将铁水倒入浇包，再转运到自动浇注机中。自动浇注机容量为10t.浇注温度为1415℃～1430℃.

铁水采用包内孕育.随流孕育和型内孕育。化学成分要求如表1.

表1 化学成分要求 （质量分数，%）

2 缺陷检测

1）制作缺陷样品，具体见表2.

将缺陷样品和浇注机炉壁炉渣、型砂砂眼、芯砂砂眼样品分别放在X T L-3400型体视显微镜和Q U AN T E R-600扫描电镜上观察，其外观形貌和微观形貌见表2.

表2 样品形貌

2）检测

在扫描电镜上分别对缸体缺陷、炉壁炉渣、型砂砂眼、芯砂砂眼四种样品的元素含量做定性分析。

3 结果分析

3.1 检测结果

将缺陷样品形貌和能谱分析结果分别与其他三种样品进行比较。

表2 是缺陷和炉壁炉渣、型砂砂眼、芯砂砂眼三种样品在体视显微镜和扫描电镜下的形貌图片，从中可以看到缺陷表面有釉状物质，没有砂粒，与炉壁炉渣极为相似；型砂和芯砂砂眼缺陷则能明显看到砂粒。

另一方面，表3～表6分别列出了缺陷和炉壁炉渣、型砂砂眼、芯砂砂眼的能谱分析结果。

从中可以看出，缸体缺陷和炉渣的元素组成基本一致，均含有C、O、Si、Mn、Al、Fe等 7种元素，说明缺陷中含有氧化物夹杂。缸体缺陷和炉渣的其他几种元素的具体比例有些差别，是因为炉渣样品中所含Fe元素的比例偏高，使其他几种元素比例相应降低。

型砂缺陷的能谱显示砂粒表面含有Na、Mg、Ca等元素，说明砂粒表面有残余的膨润土成分；而芯砂缺陷的能谱显示，所含元素较少，除砂粒SiO2以外，表面还有浇注后树脂燃烧残余的C元素。

通过以上对比分析，可以确认，缸体的缺陷即为渣眼。

表3 缸体缺陷能谱分析结果 （质量分数，%）

表4 炉渣能谱分析结果 （质量分数，%）

表5 型砂砂眼能谱分析结果 （质量分数，%）

表6 芯砂砂眼能谱分析结果 （质量分数，%）

3.2 渣眼缺陷成因分析

渣眼属于夹杂类缺陷。夹杂来源可分为内生夹杂物和外来夹杂物[1]。

3.2.1 回炉料、浇冒口

熔化使用的回炉料表面锈迹较多，锈中的主要成分为Fe2O3，在熔化过程中会生成FeO.

同时铁液中的Mn和Si还会发生下列反应[2]：

由于Mn、Si的氧化烧损，使铁液中除了存在FeO外，同时含有较多的MnO和SiO2内生夹杂物。当铁液表面发生二次氧化时极易形成液态渣，铁水凝固后在顶面产生渣眼废品。

浇冒口系统若抛丸质量差，残砂等物质也会使铁水中增加夹杂物。

3.2.2 浇注设备

浇注铁水使用自动浇注机。在长期使用过程中，因炉壁周围所挂的炉渣较多，容易被刚入浇注机的高温铁液重新熔化冲进铁水中，进入砂型。

3.2.3 浇注系统

该缸体实际的浇注系统，其浇口接近1∶1∶1.由于自动浇注机使用的柱塞直径小于直浇口直径，所以相当于开放式浇注系统。这样的系统具有金属液流速小，充型平稳，冲刷力小的特点[3]；但在浇注过程中，浇口杯始终处于冲不满状态，一方面阻渣效果差，另一方面容易裹挟气体进入铁水，使铁液发生二次氧化；同时，当横浇道处于未充满状态时，其中的铁液流动速度较高，紊流程度增大，使得渣上浮的阻力增大[4]，加之铁液含渣量多时，就会有更多的液态渣或渣滓随铁液流入型腔，沿途不断聚集并上浮，停留在铸件上顶面，导致渣眼废品。

3.2.4 泡沫陶瓷过滤网

横浇道始端放置了SiC材质的泡沫陶瓷过滤网。这种过滤网可以有效拦截液态金属中的夹杂物。其内部有弯弯曲曲的通道，可以机械挡渣。同时夹杂物与固态的陶瓷过滤网更具有相近的“共格对应”关系，从而易于润滑而产生吸附[5]。但是若网孔过大，其滤渣效果就会变差。

4 改进措施

针对渣眼缺陷，加大柱塞直径，使浇注系统呈充满状态，提高浇注系统的阻渣能力是较好的途径，但在实际生产中会有别的问题无法避免。

因此，采取了以下措施：

1）对缸体回炉料及浇冒口进行抛丸处理，除净表面的锈蚀和残砂；并纳入工艺进行控制，防止使用抛丸质量差的回炉料。

2）浇注机重新打结，清除干净炉壁周围附着的炉渣。

3）过滤片网孔变小，规格由10PPI改为20 PPI；并严格控制外形尺寸，减小与砂型之间的间隙，防止渣滓流进型腔。改变规格后，对过滤网入口端进行了横向解剖，发现过滤网网架吸附的物质除了砂粒之外，渣滓等釉状物质明显增多。

5 总 结

采取以上措施后，缸体渣眼废品率由0.5%降低到0.1%以下。

因此，要防止缸体渣眼废品的产生，除了可以对浇注系统等工艺进行必要改进之外，提高铁液的洁净度，对回炉料等原材料进行抛丸，加强对浇注机壁和浇包壁附着的渣滓的清理，合理使用过滤网等措施，同样能够减少氧化物夹杂和渣滓，取得明显的降废效果。特别是夏季高温高湿阶段，回炉料等原材料锈蚀更为严重，更需要采取抛丸等措施。

［1］陈国桢.铸件缺陷与对策手册［M］.北京：机械工业出版社，2003：285.

［2］李湛伟，范洪远，唐正华，等.气缸套渣气孔缺陷成因分析［J］.铸造技术，2010（6）：742.

［3］李魁盛.铸造工艺及原理［M］.北京：机械工业出版社，1987：483.

［4］曹文龙.铸造工艺学［M］.北京：机械工业出版社.1989：234.

［5］曹大力，周敬一，尹国利，等.铸造用泡沫陶瓷过滤器［J］.铸造,2005（3）：292-295.