发动机缸体铸造气孔缺陷的解决方案

陈俞铭，林志斌，陈俊星

（柳州五菱柳机动力有限公司，广西 柳州 545005）

0 引言

铸造成型是制造复杂零件最常用的方法。中国虽然已是一个铸造大国，但还不是铸造强国，还有大量的小铸造厂，设备落后，技术力量薄弱[1]。中国铸造想要适应时代发展的需求，想要有更大的发展空间，就必须由铸造大国向铸造强国转变，不断提高铸造装备技术，提高铸件生产工艺水平，从而提高铸件的产品质量和附加值。降低铸造成本和扩大铸件的应用范围，消除铸造缺陷是极其重要的一环。根据缺陷的形貌特征，我国将铸件缺陷分为八类：多肉类缺陷，孔洞类缺陷，裂纹、冷隔类缺陷，表面缺陷，残缺类缺陷，形状及重量差错类缺陷，夹杂类缺陷，性能、成分、组织不合格[1]。铸造缺陷中大部分缺陷都是孔洞类缺陷，而孔洞类缺陷主要有气孔、砂孔、缩孔。而气孔又是孔洞类缺陷中最多的，且是让铸造工作者头疼的难于完全解决的问题。气孔按形成原因，分为卷入气孔、侵入气孔、反应气孔、析出气孔[1]。

1 汽车发动机缸体的结构特点及制造工艺

笔者所在的公司的铸造工艺为潮模砂静压造型，覆膜砂热芯盒制芯，感应电炉熔炼铁水，保温炉浇注，同时采用在熔炼炉出铁水时进行包内孕育和浇注时进行随流孕育的孕育工艺。本方案探讨的缸体材料牌号为HT 250，属于直列4缸。缸体结构较复杂，壁厚差较大，壁厚3.5～30 mm，轮廓尺寸为335 mm×258 mm×322 mm，铸件重量约32 kg，铸件结构如图1所示。根据造型线设计一型四件，水平分型，卧浇底注加轴承进水的浇注工艺。

图1 缸体结构

2 生产出现的问题

该缸体结构上在后端面位置存在一个凸起的法兰，采用卧式浇注时，该位置是缸体的最高点，是最后充型位置，同时该位置还是一个孤立的凸起点，是一个容易形成气孔的风险区域。因此在工艺设计时，在该区域增设了一个压边的小溢流冒口，冒口体积为12 cm3，如图2和图3所示。生产时缸体后端面法兰高点处出现孔洞类缺陷，而且概率很大，气孔率达到了约3.51%，严重影响了正常生产。取缺陷样件进行电镜分析，孔洞内壁光滑，无夹砂等异物（图4、图5）。对孔洞及本体进行电镜能谱分析，发现孔洞内（谱图1、谱图2、谱图3）较铸件本体（谱图4）富含O元素，（见图3及表1），O元素是由外来气体带来的元素，同时孔洞内还有少量Al元素，这是由脏铁水带来的渣，综合分析最后判定该缺陷为气孔，缺陷位置如图6所示。该位置出现气孔概率见表2。

图2 溢流冒口三维图示

图4 缺陷电镜图示

表1 能谱分析

图5 缺陷能谱分析区域

图6 缺陷位置照片

表2 发生气孔比例

3 问题解决方案

3.1 气孔形成的原因

气孔由气体而生成，生成气孔的气体主要是CO、CO2、H2、O2、N2等。气体主要来自3个方面，即来自金属、造型制芯材料和大气[1]。铁液熔炼过程中会吸收大气气体，同时加入的各种添加剂也会带入气体进入铁液中；浇注前型腔中原有的部分气体在浇注过程中或浇注后进入铁液内部；被铁液烘烤的造型材料和与铁液直接接触的砂型表层和砂芯发出的气体部分会进入铁液，特别是一些被铁液大部分包围的厚大砂芯，砂芯表层与铁液接触产生的气体进入铁液的阻力要比穿过厚大的砂层进入排气通道要小得多，而这些气体多半是要进入铁液的。因此铁液中肯定是会存在气体的，即使数量不多，如果不能排出，就会在铸件表层或内部形成气孔。根据气孔的大小可以看出，形成气孔并不需要很多的气体；反之，铁液内部即使气体量较多，如果能够在铸件凝固前排出，铸件形成气孔的风险就会大大降低。气体在金属中溶解度，随温度下降而急剧减少。例如，纯铁中N2的溶解度在1100℃时为20.5 cm3/100g，在750℃时只有0.3 cm3/100g。H2的溶解在1 000℃时为5.5 cm3/100g，而在300℃时，只有0.16 cm3/100g。当铁液从液态变为固态时，由于溶解度的原因，气体向铸件较高温度区域扩散，因此一般气孔多存在铸件最后凝固的厚大孤立位置。

3.2 缺陷分析

气孔出现在缸体后端面最高点的厚大法兰位置，该位置尺寸22.5 mm×35 mm（一般壁厚4 mm），是属于最后凝固的厚大孤立位置。充型结束后，铁液中的气体析出聚集在一起形成气泡，在铁液内部压力的作用下，向高温区域的液体表面运动；如果液面没有障碍，可以顺利排出液面，就不会形成气孔。如果铁液表面开始凝固形成氧化膜，就会阻碍气泡排出，铸件凝固后就会形成气孔[2]。由于缸体后端面最高点的厚大法兰位置，是一个高温区域及气体最终的聚集点，而该位置表面又先于气体排出完前开始凝固形成了氧化膜，阻碍气体排出，最终形成了气孔，造成铸件报废。

3.3 改进对策

一般解决气孔问题，最有效的方式就是调整浇注系统或提高浇注温度，但是这两个铸造工艺参数是不能轻易改动的。如果改了浇注系统，也就是整个铸件的铁水流场就改变了，提高了特定区域的温度，解决了该位置气孔问题，但是另外区域有可能产生气孔、砂孔、缩松等缺陷；如果通过提高浇注温度的形式解决该位置气孔问题，又有可能造成缸体产生缩松、石墨粗大、烧结等其他问题。因此针对该缸体后端面最高点的厚大法兰位置的气孔问题，结合本厂的铸造装备及铸造工艺特点，我们首先考虑的是从溢流方面制定相应的改进措施：

（1）方案1：增加溢流块体积，体积由原12 cm3改为50 cm3，如图7所示；

图7 方案1

（2）方案2：溢流块体积不变，改变溢流方式，由侧边溢流改为顶部溢流，如图8所示；

图8 方案2

（3）方案3：增加溢流块体积，体积由原12 cm3改为50 cm3，改变溢流方式，由侧边溢流改为顶部溢流，如图9所示。

图9 方案3

3.4 模拟分析

使用模拟软件对制定的3个方案与原方案在相同设定参数下同时进行模拟分析，并在缸体产生气孔位置设置虚拟传感器，监控模拟过程中该位置的温度变化，模拟分析工艺如图10。设定初始浇注温度为1420℃，模拟充型结束时间为11 s。根据图11的不同溢流方案下传感器的温度曲线可知道冒口在10.5 s时开始充型，原冒口方案缸体形成气孔位置最高温度1333℃，缸体该位置冷却速度较快，在18.9 s时温度冷却到液相线温度1236℃；方案1缸体产生气孔位置最高温度1336℃，在19.5 s时温度冷却到液相线温度；方案2缸体产生气孔位置最高温度1340℃，在20.1 s时温度冷却到液相线温度；方案3缸体产生气孔位置最高温度1341℃，在20.9 s时温度冷却到液相线温度；根据图12对比原溢流冒口方案与方案3，可以看到充型15 s时，方案3发生气孔区域的铁水温度要比原方案高（颜色越接近红色温度越高）。

图10 模拟布局及充型15 s时的温度场

图11 充型15 s时原方案与方案3的温度场对比

图12 不同溢流冒口方案传感器温度曲线

对比3个方案，方案3缸体易产生气孔位置充型结束后温度最高，根据温度变化曲线可以看到，冷却速度最慢，铁水需要较长时间才冷却液相线温度开始凝固，铸件表面才会形成氧化膜，阻碍铁水内部气体的排出。

3.5 验证效果

为解决该问题，我们按方案顺序分别对下面3个方案进行了验证，验证结果见表3。

表3 验证结果

经验证，单纯的增加溢流块体积，并不能很好的解决该气孔问题；单纯的溢流口由侧边溢流改为顶部溢流方式，也不能完全解决该气孔问题；最后叠加了两个方案，增加了溢流块体积并同时将溢流口由侧边溢流改为顶部溢流，基本解决了该位置气孔问题。

4 结语

对于HT250材质的汽车发动机缸体在生产过程中出现气孔问题，在浇注系统及浇注温度不能轻易改动的条件下，可以用以下的方式进行解决：将溢流口从侧边改为顶部，若是还不能完全解决，可以增加溢流块的体积。气体在铁水内部的运动是往压力小的方向运动，溢流口开设在本体的顶部，更有利于往上运动的气体进入溢流冒口；溢流口开设在本体的顶部，可以较好的对铸件进行保温，降低铁液的冷却速度，延缓氧化膜形成的时间，有利于铁液中气体的排出；加大溢流块体积，可以聚集更多的脏冷铁水，一般前面的脏冷铁液中包含较多的气体及杂质，将这些东西都排到溢流块中，可以让铸件本体的铁液更纯净，降低本体形成气孔及渣孔的风险，同时大溢流冒口降温速度慢，保温效果更好，也更有利于对铸件本体表面的保温，延缓铸件本体表面氧化膜的形成，为铁液中的气体排出争取时间，从而降低产生气孔的风险。