高钼高镍气缸套夹砂问题研究

盛举 俞秋景

摘要：扬州五亭桥缸套有限公司在生产高钼高镍材质气缸套的过程中发现毛坯中有严重的夹砂。针对此问题，该厂展开调查研究，采用金相显微镜、扫描电镜、能谱分析等材料研究方法对缺陷部位进行了观察分析。结果表明，这些夹砂主要由Si，Al，Ba等元素形成的高熔点氧化物组成。结合现有的生产工艺知，夹砂的形成原因是高钼高镍材质的铁水成分偏析比较严重，铁水浇注温度偏低，铁水浇注速度偏慢，毛坯冷却速度偏慢。根据分析结果采取了提高铁水浇注温度，加快铁水浇注速度，加快毛坯冷却速度这些工艺调整措施。最终将夹砂造成的铸废率从原来的25%左右降到5%以下。

关键词：高钼高镍气缸套  夹砂  高熔点氧化物  成分偏析  浇注温度

1 概述

在气缸套的生产中，高钼高镍材质气缸套由于合金化程度較高，若工艺控制不当，会出现砂孔、夹渣这样的宏观缺陷。扬州五亭桥缸套有限公司在生产某型高钼高镍材质气缸套时，在毛坯上发现有夹砂。经过长期跟踪统计，因为夹砂而造成的铸废率达25%左右。为了解决此问题，提升高钼高镍材质气缸套的铸造质量，针对该宏观缺陷，取样进行了调查分析。

2 实验方法

随机取两件缺陷气缸套样品进行表面除污净化处理。然后观察夹砂的宏观形貌。再将其纵切，观察纵切面上缺陷的宏观形貌。之后在缺陷部位取样，用扫描电镜观察其微观形态，并对缺陷部位进行能谱分析。

结合工艺记录寻找原因。根据分析结果对工艺进行改进。再对改进工艺后的毛坯进行观察，以确认工艺改进效果。

3 实验结果

（a）1#缸套表面缺陷宏观形貌;（b）2#缸套表面缺陷宏观形貌;（c）1#缸套纵向剖面缺陷宏观形貌;（d）2#缸套纵向剖面缺陷宏观形貌

图1  缸套缺陷宏观形貌

图1所示为缸套缺陷的宏观形貌。图1（a，c）分别为1号缸套的表面和纵切面缺陷的宏观形貌。图1（b，d）分别为2号缸套表面和纵切面的宏观形貌。从图中可见，缺陷呈现比周围部位颜色更深的黑色，且尺寸约在0.5-1.7mm之间。图1（a-c）中显示的缺陷呈圆形颗粒，而图1 （d）中的缺陷呈条形。

（a）缺陷低倍照片               （b） 缺陷高倍照片

图2  缸套表面缺陷微观形貌

图2为缸套缺陷的微观形貌。其中图2（a）是某处缺陷的低倍大视场照片。从中可见缺陷整体呈现一镶嵌在基体中的球形。而从图2（a）可以看出该呈球形的夹杂又由多种形貌各异的部分组成。图2（b）是该处缺陷的局部高倍照片，从中可见夹杂中有一种呈球形的部分镶嵌于其它部分之上。不难看出，图2（b）左下方的凹坑是某一球形夹杂脱落后形成的凹坑，这说明了该球形夹杂易脱落。球形夹杂的尺寸跨度较大，如图2（b）所示，右上方的小球直径仅7μm左右，而中间的大球直径约20μm。

表1是缸套外表面缺陷的微区化学成分。从中可见缺陷部位除个别情况外都具有很高C、O、Si、Ba含量，这些元素在缺陷中的含量远远高出在其铸铁基体中的含量。另外缺陷部位还有少量的P，S，K，Na，Ca，Ti，Mn等元素。

4 夹砂原因分析

图1和图2显示的缺陷区域的渣状和球状物质表明这些缺陷不是在加工过程中形成的，而是属于在铸造过程中形成的夹杂物。而从表1显示的微区化学成分结果，再结合图1和图2显示的形貌可以判断这些缺陷属于氧化钡、氧化铝和二氧化硅构成的复合夹杂物。结合缸套从冶炼到浇铸的整个离心铸造过程可以推断其外层夹砂缺陷形成的原因如下。

高钼高镍材质的缸套合金化程度高，相对于普通材质的缸套，铁水中合金元素和杂质元素的偏析倾向更大。由于氧化物的熔点普遍较高，在成分偏析严重的情况下，氧化物易于在温度尚较高时就先期达到临界状态而析出，在铁水中形成固体夹杂物。浇注钢包里的铁水倾倒时间在10-15秒之间，高熔点氧化物即是在这段时间里形成。铁水倾倒完毕后，之前形成的高熔点氧化物来不及浮到毛坯内壁，周围的铁水已凝固。从而在毛坯中形成了夹砂。

5 工艺调整

根据以上的夹砂原因分析，采取如下的工艺调整。提高铁水的浇注温度，加快铁水浇注速度，加大喷水量以加快毛坯冷却速度。

提高铁水的浇注温度有利于减少铁水中的成分偏析。加快铁水的浇注速度和加快毛坯的冷却速度则可以减少高熔点氧化物时可能析出时间。将这三种措施综合运用可以很大地减少高熔点氧化物的析出倾向。

实际生产表明，调整工艺后因夹砂而造成的铸废率已降到5%以下。

6 结论

经过本次研究可知，高钼高镍材质气缸套的夹砂由Si，Al，Ba等元素形成的高熔点氧化物组成。其形成原因是高钼高镍材质的铁水成分偏析比较严重，铁水浇注温度偏低，铁水浇注速度偏慢，毛坯冷却速度偏慢。根据分析结果采取了提高铁水浇注温度，加快铁水浇注速度，加快毛坯冷却速度这些工艺调整措施。最终将夹砂造成的铸废率从原来的25%左右降到5%以下。

参考文献：

[1]李艳丽，郑华清.欧标气缸套铸造及加工技术[J].内燃机与配件，2014（06）.

[2]王泽民.合金铸铁气缸套铸造工艺[J].内燃机配件，2005（06）.

[3]阎平.国外气缸套制造技术[J].拖拉机与农用运输车，1997（04）.

作者简介：盛举（1984-），男，江苏扬州人，扬州五亭桥缸套有限公司铸造分厂副厂长，助理工程师，研究方向：材料学;俞秋景（1983-），男，江苏扬州人，项目主管，初级工程师，研究方向：材料学。