WD615气缸盖渗漏缺陷分析

2014-09-04乔进国王安家李孝艳鲍俊敏

中国铸造装备与技术 2014年2期

乔进国，王安家，李孝艳，鲍俊敏

（潍柴动力（潍坊）铸锻有限公司，山东潍坊 261199）

气缸盖是发动机的关键部件之一，气缸盖自身带有燃烧室、进气道、排气道、冷却水腔等，内腔结构极其复杂,壁厚不均匀。铸件技术要求高,铸件极易出现气孔、缩松等缺陷，给铸造工艺设计带来很大难度[1]。渗漏缺陷一般在气缸盖加工完成后的气密性试验工序发现，造成的废品损失大。

1 生产条件

图1 WD615气缸盖铸造三维模型

WD615气缸盖毛坯质量20 kg，一箱6件，砂芯采用潮模砂工艺，除水夹层芯用耐高温覆膜砂外，其余砂芯全部采用冷芯盒工艺，图1所示为铸造三维模型。WD615气缸盖材质为HT250，采用 35 t/h长炉龄热风水冷富氧冲天炉与80 t工频电炉双联熔炼工艺，铸件本体硬度要求HB190～240。气缸盖加工完成后打压进行气密性试验，加压压强为 0.4～0.6 MPa，加压时间 60 s。

2 原因分析

WD615气缸盖渗漏位置位于缸盖侧壁，如图2所示，该位置壁厚10 mm，且位置非常集中，渗漏废品率达到1.1%。渗漏缺陷在加工单位气密性试验工序发现，是加工的末端工序，造成的废品损失大。取样化验成分，均符合工艺要求，MAGMA模拟软件分析缸盖此部位也不易出现缩松缺陷。

图2 WD615气缸盖漏水位置示意图

对WD615缸盖渗漏位置进行解剖，如图3所示。割取渗漏位置缸盖本体，用扫描电镜观察，图4所示即为缺陷部位扫描电镜图片，图片中孔洞类缺陷造成气缸盖压力试验过程中渗漏。

图3 WD615气缸盖解剖图

图4 WD615气缸盖漏水部位扫描电镜图片

割取渗漏位置缸盖本体抛光，用金相显微镜观察，金相组织为石墨A型，片长4级，珠光体98%。孔洞的周围石墨数量明显偏少，脱碳现象明显，如图5所示。

图5 WD615气缸盖漏水部位金相组织

图6 WD615气缸盖渗漏部位扫描电镜图片

从孔洞处断开试样，用扫描电镜观察缺陷断面，如图6所示，标识区域内为缺陷组织，周围为正常灰铸铁断口组织。孔壁形貌特点为：孔壁表面呈现凹凸不平，起伏犹如丘陵，不如肉眼观察下那样平滑，有刚露头的乳状枝晶晶芽，但枝晶不发达。同扫描电镜观察下的晶间缩松孔壁表面相比较，两者表面粗糙度有显著的不同。晶间缩松的孔壁表面是由向三维空间发展明显的枝晶露头形成的。这些枝晶纵横交叉，它们之间则是众多的缩松孔洞，结果使晶间缩松孔壁表面十分粗糙，不同于气孔孔壁。缩孔或缩松是铸铁件常见的缺陷，一般产生在铸件的热节部位[2]。

将缺陷部位放大，如图7所示，可见缺陷部位表面均匀分布着一层黑色膜状物质，能谱分析发现为一层石墨膜，如图8所示。

图7 WD615气缸盖渗漏断面扫描电镜图片

综合上述两方面特征，我们判断该缺陷为气孔缺陷，而不是缩松缺陷，该气孔缺陷为氢气孔还是氮气孔，还难以准确得出结论。借助于扫描电镜观察气孔孔壁表面的微观特征，有助于了解气孔性质及其形成机理，从而能对铸件缺陷类别作出正确的判断，以能有效地防止气孔缺陷。

图8 WD615气缸盖漏水缺陷部位能谱分析

3 解决措施

通过采取下述措施，WD615气缸盖侧壁渗漏率降低到0.3%以下。

（1）炉料要干净和干燥，炉料中尽量避免携带水分、油脂、铁锈、铝锈等含氢材料。

（2）控制炉料中的废钢用量不超过70%。在正常情况下生铁锭本身的含氮量并不高，而废钢的含氮量则显著地高于生铁锭。

（3）生产中应选用低氮增碳剂，在采用电炉熔炼时，由于废钢配比增加，增碳剂的加入量也随之增加，增碳剂中所含的氮也会溶入铁液，。

（4）浇注包使用前必须烘干，浇注前用铁液烫包至红热状态。

（5）严格控制潮模砂水分。因为在浇注后，在金属液作用下，铸型中的水分迅速蒸发并与金属液中的某些组元反应。

Me为能和水蒸气反应的元素，Fe-C合金中的Fe、C、Si、Mn、Al等都能与 H2O（g）发生反应，生产相应的氧化物和H2[3]。

（6）制芯过程中，严格控制树脂加入量。树脂含氮量过高容易引起氮气孔，用酚醛树脂覆膜砂制芯或酚醛尿烷树脂造型也会产生氮气孔，这是因为酚醛树脂覆膜砂所用固化剂的乌洛托品中含有NH2。酚醛尿烷树脂中的聚异氰酸酯的基本化合物为NCO，其中N和C结合力弱，在浇注时形成分子状态的H2，它易从铁液中向砂型外逃逸。但是，聚异氰酸酯在潮湿的环境下使用时，NCO与水发生强烈反应，产生如下式所示的NH2。