灰铁机体件热裂纹的研究及预防

2022-03-29韩志濂张聚辉许景峰鞠欣宝

中国铸造装备与技术 2022年2期

韩志濂，张聚辉，许景峰，鞠欣宝

（潍柴重机股份有限公司，山东潍坊 261108）

0 前言

裂纹是发动机铸件最危险的缺陷之一。未被发现的裂纹会随着发动机的运行、震动而变大延伸，轻则造成部件漏水、漏油，重则导致整个发动机破损崩溃，造成无法挽回的损失。

按裂纹产生的温度范围，裂纹可分为热裂纹和冷裂纹。金属液在凝固后期，已形成固相骨架，如果此时受到应力，枝晶间裂开且又得不到附近金属液完全补充就会形成热裂纹。冷裂纹是指在金属液完全凝固后，局部受到的应力超过此时铸件的强度而产生的裂纹。热裂纹形成在液固混合期，裂缝较宽，而且呈撕裂状，裂纹的表面被严重氧化而呈氧化色，没有金属光泽。冷裂纹形成在完全凝固后，高温下产生的冷裂纹也会因被氧化而呈黑褐色，且随形成温度的降低裂纹表面的氧化色逐渐变淡，低温下有金属光泽。无论程度多严重的冷裂纹，两裂纹面都可严丝合缝虚拟地合在一起，但热裂纹没有这一特征，这也是快速区分热裂纹与冷裂纹的方法之一。

我公司生产的一种V 型发动机机体毛坯，12缸，重1172kg，HT280 材质，砂芯采用冷芯盒工艺，砂型采用碱性酚醛树脂自硬砂工艺，油底结合面朝上的底注工艺。实际生产中，在铸件油底结合面缸与缸之间连接开档处会经常出现裂纹缺陷，图1、2 分别是裂纹出现的位置和形态。分析裂纹出现在铸件毛坯的厚大处，形态符合热裂纹特征，确认此裂纹为热裂纹。热裂纹有内裂纹和外裂纹之分，V 型发动机机体裂纹裂口向外，属于外裂纹。

图1 裂纹出现的位置

图2 裂纹的形态

1 问题统计分析

为了方便统计，对裂纹出现的位置按图3 方式进行了编号标注。表1 是V 型发动机机体在四个月的生产中出现的裂纹缺陷位置统计。

图3 裂纹位置统计示意图

表1 裂纹情况统计

从统计数据可以看出，右侧出现热裂纹的几率远大于左侧，比例为2.4:1；另外有一台机体左右侧都出现了热裂纹。按时间分析，热裂纹出现几率并不均衡，但8 月13 日与9 月11 日分别发现了4 台和6 台热裂纹的机体，较为集中，裂纹缺陷率为50%。

按照裂纹发生的相对位置进行统计（如图4），热裂纹主要集中在中间两档，占比为72.2%，尤其是第三档位出现15 件，发生率41.7%。

图4 裂纹出现的档位统计柱状图

通过对铁水化学成分、炉前处理和浇注等过程对比排查分析，排除了铁水成分波动对热裂纹产生的影响。

2 热裂形成机理

V 型发动机机体连接开档处深入到芯子内部，散热较慢，与外侧壁相比，铁水浇注后到完全凝固，时间间隔变长，形成热裂纹的几率更大。

V 型发动机机体采用的是底注工艺，顶部的铁水温度低、先开始凝固；底部的铁水温度高且由于铸件的浇注重量主要集中在下部，导致开始凝固时间延迟。先凝固的顶部此时进行线收缩，顶面外侧壁与开档处受到的是收缩应力。下部的铁水温度高、温差大，底部凝固时，液态收缩和固态收缩叠加一起，会产生较大的线性收缩力；此时的顶部基本已完成凝固，但由于中间芯子的存在，底部的线性收缩力因杠杆作用传递到顶面就会变成一个拉伸应力，当顶部的芯子不能完全抵消传递过来的应力时，顶部各部位受到的应力便会变成拉伸应力，若此时连接开档处还未完全凝固，便可能形成热裂纹。

为了进一步确认热裂纹形成机理，对产生热裂纹的连接处的开档厚度进行了检测。图5 是检测方法，表2 是检测数据。