球墨铸铁铁型覆砂工艺产品皮下气孔解决措施

李文生

（山西东鑫衡隆机械制造股份有限公司，山西侯马 043000）

本单位是一家用铁型覆砂工艺专业生产球墨铸铁铸件的企业，主要产品有汽车发动机系列曲轴、载重车系列制动卡钳、汽车空气悬挂铸件、汽车空压机曲轴、汽车发动机平衡轴等。2015 年10 月，公司安排生产436 曲轴产品，在生产至第三班时，连续发生了两整班1 664 支曲轴产品出现皮下气孔的质量事故，直接经济损失高达12 余万元。这种气孔除加工不可消除外，在非加工面也依稀可见，如图1 所示。

图1 产品缺陷图

1 缺陷分析

质量事故发生后，公司先安排停产并立即召集技术、质量、生产等部门相关人员召开专题会，在会上成立了总经理挂帅的攻关小组，并授权攻关小组要不计成本的在一周内找到这次缺陷根本原因，一定要从根本上彻底解决问题，再恢复生产。攻关小组紧急召开缺陷问题诊断会议，在会议上大家对这种缺陷进行了分析，对缺陷形成的原因及影响因素进行了探讨。通过皮下气孔形成的机理，结合公司的生产工艺，攻关小组将可能形成这次缺陷的相关影响进行了排查。

1.1 原辅材料

对突发的质量事故不排除原辅材料中存在影响因素，原辅材料的变化可能会直接影响铁水特性的变化，特别是影响到铁水表面张力的变化，理论表明含一定量N、O 等元素的铁水液体表面张力较大，含一定量F、Si 等元素的铁液表面张力最小，铁水内成分的变化可能造成铁水表面张力的变化。铁水表面张力大，外部气体不易侵入铁液，铁水表面张力小，外部气体则易侵入铁液。所以要特别关注这两班进行生产时原辅材料有没有过变化。

1.2 铁水温度

铁水温度越高，铁水的表面张力会越小，同时铸型内产生瞬间气体的量会越多，这样型内气体侵入铁水中的几率就会增大。

1.3 型砂发气量

型砂质量的变化，可能会导致型砂的发气量增大，型内气体侵入铁水中的几率就会增大。

1.4 铁型排气

铁型排气性差，型内气体压力就会增大，型内气体侵入铁水中的几率就会增大。

1.5 其他过程变化点

突发批量缺陷，生产过程中一定有一个变化点，没有变化点不可能造成这样的后果。

2 生产过程排查

生产分厂根据攻关小组的部署对影响因素组织进行了逐一排查。

2.1 原辅材料的排查

与前两班相比较，原辅材料均没有更换过供应商与批次；查铁水配料与碳当量都符合工艺要求，碳、硅、锰、磷、硫等五大成分，也均没有偏离工艺要求；通过查光谱分析数据，各微量元素也没有明显变化。显然原辅材料与铁水成分不是这次缺陷产生的影响因素；

2.2 铁水浇注温度

铁水温度以及浇注温度都符合工艺要求，与前两班相比较，也没有明显的偏差。

2.3 树脂砂质量

经对树脂砂原辅材料与生产过程的排查，与前两班用树脂砂相比较，配方没有变化，从树脂砂各材料配比记录看也没有丝毫变动，树脂砂也被排除。

2.4 铁型状态

在生产期间对驘型、型板没有进行过任何修缮活动，没有丝毫影响铁型排气的症状存在。

2.5 生产过程记录

从生产记录上看没有发生任何过程异常，向造型工序、合箱工序、浇注工序等相关工序操作工调查也没有感到有任何过程异常发生；从产品金相看石墨球数与大小也满足要求；生产过程也没有异常点。

通过分析，认为造成皮下气孔的原因有两种可能：1）铁水温度偏高；2）树脂砂问题。

3 皮下气孔缺陷验证

3.1 浇注温度验证

一部分人认为铁水温度高是造成缺陷的首要因素，虽然记录体现的不高，怀疑测温枪是否有问题，于是采取了更换测温枪、测温枪交叉实验等措施，结果没有效果。进行降低铁水温度试验，在原工艺上除把铁水出炉温度逐次降低10 ℃，其他工艺项次不变，铁水出炉温度由以前的1 540 ℃逐次降至1 500 ℃，结果因铁水温度降低产品出现了夹渣，但皮下气孔缺陷没有丝毫改观。

3.2 树脂砂问题验证

公司铁型覆砂工艺用的是热固性树脂砂，所用有机粘结剂的固化催化剂乌洛托品［（CH2）6N4］极易造成氢氮混合皮下气孔。产生的原因是由于在铁水浇注后乌洛托品在高温下极易分解出NH3，NH3又继续分解成N2、H2，即2NH3=N2+3H3，这种气孔又小又圆，在铸件表皮下成簇，有的孔封闭，有的孔开口，与公司产品上产生的皮下气孔极其吻合，而乌洛托品也正好是公司用的酚醛树脂砂固化剂。

经分析讨论，认为这种皮下气孔应属于一种侵入性气孔，非析出性气孔，决定在树脂砂上想办法。公司专门有个独立经营的树脂砂分厂，进行废砂回收与覆膜砂生产，先安排专人去树脂砂分厂全程跟踪树脂砂当前工艺加工情况，专做一斗树脂砂用于生产进行验证，结果产品出来后没有一支出现皮下气孔，再重复进行树脂砂小批量加工和产品小批量生产，没有出现皮下气孔，正常生产投入再没有皮下气孔出现。

4 查找缺陷根本原因

根据以上情况，经分析做出结论，导致本批皮下气孔缺陷的因素在树脂砂上。树脂砂分厂立即先隔离所有库存及已输出到生产单位的树脂砂，严格按工艺生产树脂砂，去查出导致那批问题树脂砂的原因。

查那批产品用树脂砂的相关记录，记录都没有问题，而且近半个月相关材料都没有批次更换。考虑到有可能是操作工的问题，于是查了当时的出库记录，经汇总结果发现乌洛托品出的多，但是使用记录记的少，出库量比记录使用量多出23%，发现这一详情后，在树脂砂中按照出库量加入乌洛托品用于生产，结果出现了皮下气孔。

5 制定措施

经批量生产验证，树脂砂厂混砂操作工违犯混砂工艺，作业记录造假，乌洛托品用量过多是本次批量产品皮下气孔质量问题的根本原因，为此公司制定了以下措施：

1）控制乌洛托品用量：技术部在作业标准上规定乌洛托品用量不允许超出树脂量的15%；

2）严格执行工艺：在公司范围内开展严查工艺执行情况的活动，提高所有相关工作人员严格按作业标准执行的意识，明确工艺红线，制定重罚考核制度；

3）过程查找变化点规定：在查过程变化点时，对所有原辅材料要全方位进行核查，一要查材料入库批号与生产实际使用记录批号是否相符，二要查出材料库量与实际使用记录量是否相符。

6 铁型温度影响

2016 年元月，公司又安排生产436 曲轴产品，生产了一个班832 支，又发现有小范围皮下气孔产品85 支，比例高达10.2%，经对问题产品包号（公司用的浇注铁水包是一吨铁水包，一包铁水浇注的产品为一包）进行追溯，锁定在第三包、第四包两包产品上，经排查这两包的产品生产过程，并与后续生产过程进行对比，发现了一个大的非受控点，这两包铁型温度比作业标准要求的最低温度低了将近60 ℃～100 ℃（工艺要求200 ℃～280 ℃，实际为110 ℃～170 ℃），这是因为冬天天冷导致的生产环境温度低而影响到驘型温度低的缘故，经对铁型外加热到工艺温度后使用，皮下气孔消失，再使用温度低的铁型进行生产，皮下气孔出现。由于以前有个别小范围的皮下气孔没有当缺陷对待，这个因素直到现在才被充分识别到。

经分析，铁型温度低，造成造好型的砂子固化不充分，有大量生砂存在，浇注时导致型内砂的发气量就会增大，型内气体量大攻入铁水中形成皮下气孔的几率就增大，所以铁型温度低是造成皮下气孔缺陷发生的一个影响因素。

对于铁型温度低这个风险点，采取了对铁型进行预加热处理的措施，确保正常生产中的驘型温度均满足工艺要求，即使在更冷的天气环境下也没有皮下气孔出现。

7 结语

通过此次皮下气孔质量问题的解决，找到了导致此缺陷发生的根本原因和影响因素，因此严格规定了原辅材料用量的比例，采取了铁型进行预加热处理的措施，并制定了相关考核制度。自此公司经历的用铁型覆砂工艺生产产品皮下气孔缺陷得以圆满解决与控制，至今再没有发生一起批量产品皮下气孔质量事件。