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蠕铁气缸盖气缩孔的成因分析及克服措施 摘要 蠕墨铸铁作为一种新型铸铁材料，是发动机配件的理想材料，但其生产工艺难度大， 长期以来生产质量一直不稳定，一度以来我厂废品率严重，最多时废品率高达3 1 4 7 ， 其中犹以气缩孔缺陷最为严重。本文以6 m 6 l 蠕铁气缸盖气缩孔缺陷为技术攻关主题， 在对气缩孔成因进行了深入分析的基础上，提出了克服蠕墨铸铁气缸盖气缩孔产生的工 艺措施，使气缩孔缺陷废品率由最高时的3 1 4 7 下降为0 6 9 。 气缩孔产生的根本原因是“气”和“缩 共同作用的结果，如果凝固前期形成了缩 松，在“气 和“缩 共同作用下，则形成密集型小空洞气缩孔缺陷。反之，如果凝固 前期形成了缩孔，在“气”和“缩”共同作用下，则形成大空洞气缩孔缺陷。生产中铁 水质量差、炉料不纯净、化学成分不稳定、蠕化率不稳定，浇注系统和排气系统设计不 当、铸件厚大及热节处局部过热等都是导致气缩孔产生的因素。 通过采取浇注系统优化设计、排气系统优化设计、加强净化处理提高铁水质量、严 格控制蠕化率、加快热节部位冷却速度等工艺措施后，取得了明显的效果， 6 m 6 l 蠕铁气缸盖基本消除了气缩孔缺陷。 关键词：蠕墨铸铁气缸盖气缩孔 v e r m i c u l a ri r o nc y l i n d e rh e a dg a sa n a 【y s i sa n d o v e r c o 匝t h ec a u s e so fs h r 肌 a g em e a s u r e s a bs t r a c t c o m p a c t e d 铲a p h i t ec a s ti r o na san e wc a s ti r o ni sa ni d e a lm a t e r i a lf o r e n g i n ep a r t s ，b u ti t sp r o d u c t i o np r o c e s sd i m c u l t ，l o n gp r o d u c t i o nq u a l i 够h a s b e e nu n s t a b l es i i l c et h ef a c t o 巧w a sas e r i o u sr e j e c t i o nr a t e ，u pt o31 4 7 、v h e n t h er 巧e c t i o nr a t e ，w h i c hs t i l ls h i n k a g ed e f e c t si nt 1 1 em o s ts e r i o u sa i li nt h i s p 印e r ，6 m 佑lv e r m i c u l a ri r o nc y l i n d e rh e a df o rt 量1 eg a ss m n 玉。a g ed e f e c t s t e c h n o l o g yr e s e a r c ht 1 1 e m e ，c a u s e ss h i m ( a g ei nt 1 1 eg a s - d e p t ha n a l y s i sb a s e do n t h ep r 叩o s e dc o m p a c t e dg r 印h i t ei r o nc y l i n d e r h e a dt oo v e r c o m et h es h r 扯a g e g a sp r o d u c t i o np r o c e s sm e a s u r e st om a k ea i rm eh i g h e s tr a t eo fs h i n k a g e d e f e c t sw h e nt h e 、v a s t ed o w n31 4 7 a n do 6 9 t h er o o tc a u s e so fg a ss m n k a g ei st l l e g a s ”a n d s h r i n k i n g t h er e s u l to f j o i n ta c t i o n ，i ft h ee 砌yf o m a t i o no fs o l i d i f i c a t i o ns m n k a g ei nt i l e 。g a s ”a n d s h r i i 墩i n g t o g e t h e r t h e nt h ef o m l a t i o no fs m m ( a g ed e f e c t si ng a s i n t e n s i v e s m a l lc a v i t i e s c o n v e r s e l y ，i ft h ee a r l yf i o 瑚a t i o no fs o l i d i f i c a t i o ns m n k a g e 洫 t h e ”g a s ”a n d h r i n k i n g ”t o g e t h e r t h ef o n l l a t i o no fl a r g ee m p t yg a ss m n k a g e d e f e c t s h o tm e t a lp r o d u c t i o no fp o o rq u a l i t y ，c h a r g ei sn o tp u r e ，c h e m i c a l c o m p o s i t i o no fi n s t a b i l i 劬c r e e pr a t eo fi n s t a b i l i 吼t h eg a t i n gs y s t e ma n d e x h a u s ts y s t e m sa r ep o o r l yd e s i g n e da n dc a s ts e c t i o na tm e h e a v ya n dh o ta r e t h er e s u l to fl o c a lo v e r h e a t i n gp r o d u c e dg a ss h r i n k a g ef a c t o r u g a t i n gs y s t e mt h r o u 曲t h ea d o p t i o no fo p t i m a ld e s i g n ，o p t i m a ld e s i g no f e x h a u s ts y s t e m st oe n h a n c ep m i f i c a t i o nt oi m p r o v em eq u a l i t yo fh o tm e t a l ，a n d s t r i c t l yc o n t r o lt h er a t eo fc r e e p ，h o ts e c t i o np a r t st os p e e du pm ec o o l i n gr a t e a n do t h e rt e c h n o l o g ym e a s u r e s ，a n da c h i e v e d s i g n i f i c a n tr e s u l t s ， 6 m 6 l v e r m i c u l a ri r o nc y l i n d e rh e a db a s i c a l l ye l i m i n a t i n gt h eg a ss m n k a g ed e f e c t s k e y w o r d s ：c o m p a c t e dg r a p h i t ec a s ti r o n ；c y l i n d e r h e a d ；g a sr i n l ( a g e i i i 广西大掌工程硕士掌位论文 蟠铁气匐口电气缩元的成因分析刀。乞服措施 上- j 一 刖菁 我厂是大中功率柴油发动机的专业生产厂家，6 m 、6 l 发动机是我新开发的机型， 它们适用于重型载重车、大型客车、快艇、货船、渔船、发电机组、装载机等，是一种 高功率的重型发动机，从2 0 0 4 年开始，我们使用蠕墨铸铁( r t 3 4 0 ) 生产气缸盖等发动 机零配件。 由于蠕墨铸铁生产工艺较之于同类材料中的灰铸铁、球墨铸铁相对难度要大，蠕墨 铸铁生产过程的控制非常困难，加上我厂生产蠕墨铸铁气缸盖时间不长，因此，一度以 来废品率严重，最多时高达3 0 的废品率，其中犹以气缩孔缺陷最为严重。生产过程废 品率高、生产成本过大成了制约我公司生产系统完成销售订单的瓶颈，严重影响了公司 年度产销计划的完成。 为了从根本上解决6 m 6 l 蠕铁气缸盖废品率高、生产成本过大的问题，我们对6 m 6 l 蠕铁气缸盖气缩孔缺陷进行了技术攻关。通过对蠕铁这个新项目的研究，必将能够大幅 度提升公司跟进国际先进工艺的步伐，提高公司科研水平，同时也是公司科研人员获得 更多铸造领域先进的理论知识以及应用于实际生产的一个难得的机遇。 广西大学工程硕士掌位论文蠕铁气缸盖气缩虱的成因分析a o 乞服措施 第一章绪论 蠕墨铸铁是一种新型的铸铁材料，出现在2 0 世纪6 0 年代。作为蠕墨铸铁研究最早 的国家之一，我国在蠕墨铸铁的形成机制、蠕墨铸铁的处理工艺、铁液熔炼、炉前质量 控制、蠕墨铸铁常温和高温性能研究等方面均进行了广泛、深入的研究，特别在蠕墨铸 铁的形成机制等方面的研究，处于领先地位。 蠕墨铸铁具有良好的综合性能、较高的力学性能、较高的高温强度、氧化生长较小、 组织致密、热导率高以及断面敏感性小等特点，是一种很有开发应用前景的新型工程材 料。 我国稀土资源丰富，为发展我国蠕墨铸铁提供了非常有利的条件和物质基础。可以 预期，发展蠕墨铸铁必将取得良好的社会效益和技术经济效益。 1 1 蠕墨铸铁简介 石墨呈蠕虫状形态的铸铁称为蠕墨铸铁，蠕墨铸铁是2 0 世纪6 0 年代中期研制成功 的。蠕墨铸铁的石墨形态介于片状石墨和球状石墨之间，蠕墨铸铁的力学性能也介于普 通灰口铸铁和球墨铸铁之间。蠕墨铸铁的化学成分一般为：w c = 3 0 4 0 ，w s i = 2 0 3 0 ，w m n = 0 4 o 8 ，w p p 静+ p 阻+ p 腔，气缩孔才有可能 形成。通常，金属液体具有抵抗气体侵入的阻力，即一般情况下： p a - p 静+ p 阻+ p 腔，此时气缩孔不会形成。但是当厚大、热节部位凝固收缩产生 缩孔缩松时，会产生真空，造成p a p 静+ p 阻+ p 腔，在这种真空状态下的缩孔缩松会 “强行吸入气体，平衡孔内负压，从而形成气缩孔。 通过对气缩孔形成机理的分析可以知道，减少型( 芯) 的气体量、创造条件如改变 温度场的分布、改变气孔形成的环境从而减少气孔缺陷发生的机会等，都是防止气缩孔 产生的重要措施。 2 26 m 6 l 蠕铁气缸盖气缩孔缺陷的类型 我厂6 m 6 l 蠕铁气缸盖气缩孔缺陷分为两种类型，一种属于大空洞气缩孔缺陷，孔 洞存在于铸件的厚大部位，如图2 2 、图2 3 所示。另一种属于密集型小空洞气缩孔缺 陷，同样也产生于铸件的厚大部位，如图2 4 、图2 5 所示。 图2 - 26 m 气缸盖大空洞气缩孔缺陷示意图 f i g u 陀2 26 ml 嘴ee m p t ) ，g 嬲c y l i n d e r h e a dd i a 舶珊o fs 1 1 r i n k a g ed e f e c t s 广西大学工程硕士掌位说吁舅 铁气害【j 龟气缩孔的成因分析a j 己服措施 图2 36 l 气缸盖大空洞气缩孔缺陷示意图 f i g u r e2 36 ll a 唱ee m p 钞g 硒c y l i n d e r h e a dd i a 莎姗o fs h r i n k a g ed e f e c t s 图2 - 46 m 气缸盖密集型小空洞气缩孔缺陷示意图 f i g u r e2 - 46 m i n t e n s i v es m a l le m p 够g 勰c y l i l l d e rh e a dd i a g r a mo fs m l l l ( a g pd e f e c t s 图2 56 l 气缸盖密集型小空洞气缩孔缺陷示意图 f i g u r e2 56 l - m t e n s i v es m a l le m p t yg 雒c y l i n d 盯h e a dd i 砸；i 狮o fs h r i n i ( a g ed e f e c 协 1 2 广西大掌工程硕士掌位论文棚 铁气缸蕾气缩孔的成因分析乃j 已服措施 2 36 m 6 l 蠕铁气缸盖大空洞气缩孑l 缺陷的成因分析 6 m 6 l 蠕铁气缸盖为组芯造型，组芯造型的排气能力通常比普通铸型差。由于水套 砂芯和气道砂芯是由三乙胺法冷芯砂芯制作，顶杆室砂芯由覆膜砂制作，砂芯发气速度 较慢，发气量大。浇注过程中在金属液剧烈的热作用下，使型芯砂中的水分、粘结剂、 附加物等氧化、分解和燃烧，生成大量气体，这些气体存留于壁厚热节位置，由于组芯 造型，排气能力较差，聚集的气体未能及时排出型外，当铁水凝固收缩时，由于气体的 存在又阻碍了补缩的正常进行，促进了缩孔的形成，最终导致形成大空洞气缩孔。另一 方面，从图2 6 可以看到，蠕墨铸铁生产过程的控制非常困难，生产蠕墨铸铁时，蠕化 剂加入量的范围非常窄，生产中如果控制不当，蠕化剂加少了会导致蠕化率偏低甚至不 蠕化，得到灰铸铁。而蠕化剂加多了就变成球铁，增加了收缩率，促进气缩孔的形成。 生产中我们发现，当组织中球状石墨接近二份之一时，气缩孔缺陷趋于更为严重。此外 还有铁液在充满型腔的过程中，铁液全部被砂芯覆盖，此时即使砂芯表面的发气量不高， 但对于铁液也是正压力，而热节厚大部位由于凝固收缩，本身存在较大的缩孔，当气体 的正压力大于热节缩孔处负压的时候，气体就有可能穿过尚未凝固的热节表层进入缩孔 并将孔洞扩大而形成大空洞气缩孔。 畚 越 礤 稿 霸 ，。稀土合金加入量 0 1 5 0 2 5l ( 单位：) i 一灰铁 蠕铁一球铁 图2 6 蠕化剂加入量与铸铁种类关系图 f i g u r e2 - 6v e 珊i c u l 撕z i n gi r o nd o s a g e 柚dt y i ) eo f g r a p h 图2 7 是某炉次生产的气缸盖大空洞气缩孔缺陷示意图，其理化分析结果如 广西大学工程硕士学位论文蛔 铁气匐u 电气缩孔的成因分析及克强措施 图2 8 、图2 9 、图2 一1 0 及表2 1 所示。 图2 7 某炉次生产的气缸盖大空洞气缩孔缺陷示意图 f i g u r e2 7h e a 协p r o d u c e dal a 曙ee m p t yg 舔c y l i n d e r h e a dd i a 蓼姗o fs m n k a g ed e f e c t s ( 1 ) 石墨形态 从缺陷处取样检验，结果如下：石墨形态 石墨蠕化率7 0 ，见图2 8 图2 8 缺陷处的石墨形态1 0 0 f i g u i e2 - 8g r a p h i t em o r p h o l o g yd e f e c t sl0 0 1 4 广西大掌工程硕士掌位论文舅 铁气缸蓝气缩_ 孑l 1 盼成因分析及克服措施 ( 3 ) 基体组织 基体组织 6 0 珠光体，缺陷表面贫碳，见图2 9 图2 9 缺陷处的基体组织l o o f i g u r e2 9d e f e c t sa tl0 0 m a c r i x ( a ) ( b ) 图2 1 0 气缩孔缺陷处s 删图 f i g u r e2 一l os e m 舯p hg a ss h r i n k a g ed e f e c t s ( 3 ) 化学成分分析( 质量分数) ： 化学成 分分析 ( 质量分 css im npc uc r c e m g s na s 数) ： 元素 实测值 3 4 90 0 1 22 2 50 4 1 00 0 5 30 5 0 40 0 5 70 0 1 80 0 1 20 0 4 0 0 0 0 2 从图2 1 0 ( a ) 可见，孔内某处光滑，并有龟背状石墨覆盖，此处具有气孔的特征。 广西大学工程硕士掌位论文奠 铁气缸葺气缩虱的成因分析因j 乞服措施 从图2 - l o ( b ) 可见，孔内某处的形状不规则，表面不光滑，可以看到发达的树枝晶末梢， 具有缩孔的特征。理化分析结果同时表明了，在缺陷表面处存在贫碳现象 根据气缩孔的判断依据，金相组织存在贫碳现象且又明显有枝晶特征。可以判断， 蠕铁气缸盖的此种缺陷属于气缩孔。 2 46 m 6 l 蠕铁气缸盖密集型小空洞气缩孔缺陷的成因分析 蠕铁气缸盖密集型小空洞气缩孔缺陷的成因与大空洞气缩孔缺陷的成因基本类似， 缺陷产生的原因都是“气 和“缩 共同作用的结果。由于气体在金属液中的溶解度随 温度的下降而减少，且往往存在着偏析，这将大幅度地提高热节处凝固末期铁水中的含 气量。当气体分压大于残余铁水及凝固层的变形阻力时，铸件内部就会产生空隙，也即形 成大空洞气缩孔或密集型小空洞气缩孔。 气缩孔形成的特点是先有缩孔( 缩松) 产生，气缩孔则是在缩孔( 缩松) 形成后在 气体作用下由缩孔( 缩松) 演变过来的。众所周知，形成缩松的基本原因和形成缩孔的 基本原因一样，都是由于合金的液态收缩和凝固收缩大于固态收缩。如果合金的结晶温 度范围较宽，倾向于糊状凝固方式，缩孔分散，或者是在缩松区域内铸件断面的温度梯 度小，凝固区域较宽，合金液几乎同时凝固，因液态和凝固收缩所形成的细小孔洞分散 且得不到外部合金液的补充，则形成缩松。 很显然，如果凝固前期形成了缩松，在“气”和“缩 共同作用下，则形成密集型 小空洞气缩孔缺陷。 图2 1 1 所示是我厂蠕铁气缸盖密集型小空洞气缩孔通常产生的部位，该处背面是一 凸台，形成热节，散热较慢，铸件断面的温度梯度小，故此处易形成密集型小空洞气缩 孔。 图2 一1 1 蠕铁气缸盖密集型小空洞产缩孔缺陷形成部位示意图 f i g u 2 - l lv e 咖i c u l 孤i r o nc y l i n d e rh e a dg 嬲- i n t e n s i v es h r i n k a g ed e f e c t si nt h ef 1 0 m l a t i o no f s m a l lc a v i t i e sp a r t sd i a g 舢 1 6 广西大掌工程硕士掌位论文舅 铁气訇u t 气缩孔的成因分析及克服措施 2 5 实际生产中导致蠕铁气缸盖气缩孔产生的主要原因 实际生产中导致蠕铁气缸盖气缩孔产生的主要原因如图2 1 2 示意图所示。 铸型刚度不够。 铁水质量差：蠕化率低等。 缩孔的因素 浇注系统设计不合理。 铸件局部过热。 蠕铁气缸盖气缩孔成因设计不合理，导致排气不畅。 铸型排气能力不足。 气孔的因素泥芯发气量过大。 铸型发气量过大。 铁水 0 等发气物质多。 图2 一1 2 蠕铁气缸盖气缩孔成因示意图 f i g u r e2 - l2v e m i c u l a ri r o nc y l i n d e rh e a dd i 婶狮o fg 嬲c a 吣e ss 埘n k a g e 结合我厂生产实际，以下因素可以排除： 1 、铸型刚度不够。属于：非主要因素。依据：我厂蠕铁类气缸盖属于组芯造型，芯 组之间利用螺杆锁定，铸件全部由泥芯组成，铸件浇注形成过程基本上不存在型壁胀大 问题。 2 、泥芯发气量铸型发气量过大。属于：非主要因素。依据：根据检测结果，我厂 目前铸型发气量只有1 0 1 2 单位，而砂芯水分 s 内， 8 浇注系统类型根据第7 点计算结果，符合s 横 s 直 s 内，判 定该浇注系统属于半封闭式浇注系统。 优点：具有一定得挡渣能力，浇注系统出于充 半封闭式浇注系统的 满状态，对铸型的冲刷不大。缺点：充型还是 9 优点 较快，不平稳，易产生飞溅，充型过程中容易 卷入气体。 优点：金属液冲击小，充型平稳。缺点：充型 过程中金属液上升过程易与中层内浇口的金 l o 阶梯式浇注优缺点 属液产生冲进，液体紊流容易卷入气体，充型 速度一般。 l 、根据公式计算理论浇注时间： f = 州垅= 1 7 2 2 1 嬲+ 2 1 2 腼泓= 2 2 9 5 s ，其中s 一系数，铸件主要壁厚5 8 ，取 1 7 2 ，m 一铸件浇注质量( 每件2 1 2 埏，6 件 箱) 。 2 、根据公式计算理论内浇口总截面积：f 内 1 1浇注时间= m ( o 3 1ut 坳) 其中f 一内浇道总截面 积，i i 一流量系数( 底中注，取0 3 0 ) ，卜浇 注时间( s ) ，h 一均压力头( c m ) ( h p 即为 砂箱高度即4 0 c m ) ： f 内硼( 0 3 1pt 坳) = 2 1 6 x 6 x 1 4 ( o 3 1 x o 3 0 x 2 2 9 5 x 丽) _ 1 3 1 9 3 m m 2 。 3 、实际浇注时间在20 25s 之间。 根据表3 一l 的分析，可以清楚地看到，原浇注系统明显存在以下几方面的 2 l 广西大掌工程硕士掌位铭吁蠕铁气缸蕾气缩孔的成因分析a o 电服措施 不足： 1 、底中注以及半封闭式的浇注系统，浇注过程中容易产生飞溅以及卷入气体，容易导 致产生气缩孔缺陷； 2 、浇注时间无论从实际上还是从理论上，均值为22s ，为缩短浇注铁水对砂芯局部 过热的影响，薄壁铸件倾向于快浇。对于铸件重量为1 2 7 2 k g 以及铸件壁厚一般在5 8 咖 来说，均值在1 8 s 是一个比较理想的浇注速度。有利铁水快速充满型腔，同时避免长时 间烘烤砂芯，避免泥芯发气过多过长。同时铁水快速充满型腔，保证了铸件的致密性。 3 、实际内浇口总截面积( 6 0 2 x 2 4 x 1 2 = 1 3 7 7 6 ) 比理论( 1 3 1 9 3 ) 还高，但同时浇注时 间总体过长，证明内浇口仍满足不了铁水进水需求。 在表3 1 和上述分析的基础上，提出了如表3 2 所示的改进方案。 表3 26 m 蠕铁气缸盖浇注系统改进方案表 序号项目原方式改进方式 理由 底注单排内浇口能够减 少铁水紊流，减少对砂芯 的冲击，同时能够快速平 工艺特 侧浇双排内浇口，单侧浇单排内 稳的的进水，减少收缩性 1 滤网，阶梯式底中浇浇口，双滤 大的蠕铁缩孔缩松的产 点改进 生；双滤网能够更合理的 注。 网，底注。 分布铁水，减少浇注过程 卷起，能够更加均匀的进 水。 利于提高浇注速度，缩短 浇注系开放式浇注 2 半封闭式浇注系统。 浇注铁水对砂芯局部过 统类型 系统。 热的影响。 根据表3 2 的改进方案，6 m 蠕铁气缸盖浇注系统改进后的工艺参数如下： ( 1 ) 内浇道截面积 根据公式计算理论内浇口总截面积：f 内叫( o 3 1i it 坳) 其中 f 内一内浇道总截面积； u 一流量系数( 底注，取0 3 8 ) ； t 一浇注时间( 取均值1 8 s ) ； 广西大掌工程硕士掌位论文螂铁气匐【j t 气缩孔的成因分析及克服措施 h ，平均压力头( c m ) ( h p 即为砂箱高度即4 0 c m ) 。 f 内吲( o 3 1 | it 西) - 2 1 6 x 6 x 1 4 ( o 3 l x o 3 8 x 1 8 x 丽) = 1 4 4 0 i l 吼2 。 考虑铸件为6 件箱，使用1 2 个内浇口分布，即每个内浇口为：1 4 4 0 1 2 = 1 2 0 嘞。 ( 2 ) 浇注系统各组元截面积 s 外直：s 外横：s 分直：s 下横：s 内= 1 8 0 0 ：1 0 0 8 x 2 ：8 0 3 8 x 2 ：4 3 2 x 2 ：1 2 0 x 1 2 = 1 ： 1 1 2 ：o 8 9 ：o 9 6 ：o 8 。 ( 3 ) 内浇口布置型式及特点 考虑到铸件的结构特点，内浇口布置为5 x 2 4 的长方形竖排进水方式。m 3 0 0 0 缸盖 铸造工艺主要特点仍为侧浇单排内浇口，双滤网，滤网规格为1 0 0 x 6 0 姗。 ( 4 ) 浇注时间 由于三乙胺法冷芯砂芯、覆膜砂砂芯发气速度较慢，因此适宜的浇注速度也很关键， 浇注速度过快，内腔气体排出较为困难，易造成气孔。 4 浇注速度过慢则出现浇不 足等缺陷。经反复试验，最后确定，对于本厂现行的生产工艺，浇注速度应控制在1 5 2 0 秒箱为宜。此外，浇注时金属液应连续，不能断流，浇口杯充满而不外溢，以利于 型腔内的气体顺利排出。根据实际生产中实验结果，浇注速度能够控制在1 5 2 0 s 之间， 均值为1 8 s ，符合了设计的要求。 6 m 蠕铁气缸盖改进后的浇注系统示意图见图3 2 。 图3 26 m 蠕铁气缸盖改进后的浇注系统示意图 f i g u r e3 26 mv e 咖i c u l a r 衲nc y l i n d e r h e a d si m p r o v e dp o 嘶n gs y s t e md 堍眦n 2 3 广西大学工程硕士掌位论文奠 铁气蕾溘气缩孔的成因分析及克服措施 3 1 26 l 蠕铁气缸盖浇注系统的优化设计 6 l 蠕铁气缸盖浇注系统的原设计方案如图3 3 所示，该方案同样是参考灰铁的要 求所设计的，对该浇注系统的分析见表3 3 。 图3 36 l 蠕铁气缸盖原浇注系统示意图 f i g 嗽3 - 36 lv e m i c u l 盯c a s ti 啪c y l i i l d e r h e a do fm eo g i r i a ls y s t 咖d i a g 舢 表3 36 l 蠕铁气缸盖原浇注系统分析表 序号项目分析 1 工艺特点顶注式，双滤网，滤网规格为l o o x 6 0 咖 s 井直：s 井横：s 片_ ：s 一= 1 2 5 6 ：8 3 2 x 2 ：3 4 8 x 6 ： 2 各组元比例 3 1 4 x 6 = l ：1 3 ：1 7 ：1 5 。 3 浇注系统类型 根据s 直 s 横 s 内，判断为开放式浇注系统。 顶注优点是有利于金属液流入型腔，利于充 满，利于铸件自下而上的顺序凝固，补缩效果 好，缺点是对型腔冲击大，金属液易产生喷溅、 4 浇注系统优缺点氧化；开放式浇注优点是有利于充型，减少了 对型腔的冲击，缺点是不易充满型腔，呈无压 流动状态。两者刚好是一个优缺点互补的浇注 系统。 蠕墨铸铁碳当量高，加入稀土合金后又使铁液得到净化，因而具有较好的流动性， 广西大掌工程硕士掌位论文睁铁气缸盖气缩孔的成因分析反克服措施 在碳当量相同的情况下，蠕墨铸铁和灰铸铁的流动性相差不大。根据我厂 6 l 蠕铁气缸盖使用的牌号，其碳当量比灰铁要高，所以6 l 蠕铁气缸盖浇注系统按灰铁 设计原理进行设计是可行的。 在上述分析的基础上，提出了如表3 4 所示的改进方案。 表3 46 l 蠕铁气缸盖浇注系统改进方案表 序号原方式改进方式理由 对于平浇的大型蠕铁气缸盖， 1 顶注保留 底注有利于铸件的补缩。 2双滤网保留 利于进水以及铁水的净化。 圆形内浇口 有利铁水的平稳进入铸件。 3 使用压边进水 进水 4 开放式保留 大孔进水使用蠕铁气缸盖。 由砂芯顶部放置到避免铁水的过热以及有利于 5横浇道位置 铸型分型面 铁水的净化。 根据表3 4 的改进方案，6 l 蠕铁气缸盖浇注系统改进后的工艺参数如下： ( 1 ) 浇注时间 由于三乙胺法冷芯砂芯、覆膜砂砂芯发气速度较慢，因此适宜的浇注速度很关键。 浇注速度过快，内腔气体排出较为困难，易造成气孔。浇注速度过慢，则出现浇不足等 缺陷“3 。经反复试验，并结合本厂现行的生产工艺，浇注速度应控制在1 4 1 8 秒箱为 宜。故改进后的6 l 蠕铁气缸盖实际浇注时间取在1 4 1 8 s 之间，均值为1 6 s 。 ( 2 ) 内浇道截面积 l l ：南： 1 0 6 x 1 4 0 。3 1 0 。5 5 1 6 腰 = 9 。3 1 c 孵= 9 3 1p 1 n 2 f 内内浇道总截面积 u 流量系数( 根据浇注系统类型，取o 5 5 ) t 浇注时间( s ) h p - 斗均压力头( 属于顶注，浇注系统高度即为h p _ 3 2 9 c m ) ( 3 ) 浇注系统各组元截面积 s ，嚏：s - ：s 内= 1 6 6 l ：9 3 6 x 2 ：6 2 0 x 3 = 1 ：1 1 2 ：1 2 0 广西大学工程司n 掌位论文舅 铁气缸薯气缩孔的成因分析及克服措施 6 l 蠕铁气缸盖改进后的浇注系统示意图见图3 4 。 图3 - 46 l 蠕铁气缸盖改进后的浇注系统示意图 f i g u r e3 46 lv e m i c u 协的nc y l i n d e r h e a d si i l l p r 0 v e dp o 嘶n gs y s t e md i a 驯n 浇注系统优化后，浇注速度提升了5 “s ，浇注速度提升后，有利于气体的及时排出， 减少铸件气孔产生的概率；同时，浇注速度提升后，利于铸件的补缩，降低缩孔产生的 倾向。经过浇注系统优化后，气缩孔废品得到了明显的下降，比原来下降了5 6 。 3 26m 6 l 蠕铁气缸盖型腔( 型芯) 排气系统的优化设计 从第二章对气缩孔的形成机理分析知道，“气”和“缩”是形成气缩孔的两个主要 因素。因此，要消除气缩孔缺陷，减少铸型中的气体量是重要手段之一。 铸件中的气体通常来自于三个方面：( 1 ) 侵入性气体。即砂型材料表面聚集的 气体侵入金属液体中。这类气体主要来源于造型材料中水分，粘结剂，各种附加物。侵 入性气体往往使铸件形成侵入性气孔，侵入性气孔体积较大，形状近似梨形，常出现在 铸件上部靠近型芯壁或浇注位置处，梨形气孔小端位置表明气体由该处进入铸人件。( 2 ) 析出性气体。即溶于金属液中的气体在冷凝过程中，因气体溶解度下降而析出。这类气 体主要由于金属在熔炼过程中吸收的气体( h 。0 ：n oc o 等) 在凝固前未能全部析出，在 广西大掌工程硕士掌位论文 铁气缸蕾气缩孔的成因分析技克服措施 冷凝过程中，因气体溶解度下降而析出，使铸件形成气孔。( 3 ) 反应性气体。即金属液 与铸型材料，型芯撑，冷铁或溶渣之间，因化学反应生成的气体。反应性气体往往使铸件 形成反应性气孔，反应性气孔分布均匀且往往在铸件表皮以下卜3 6 处( 有时在一层氧 化皮下面) 出现，所以又称为皮下气孔。又由于这种气孔多呈细长形针孔状，其长轴与 铸件表面垂直，又可将其称为针孔。 无论何种类型的气体，都是促使气缩孔形成的因素，因此必须尽量排除或减少到 最低限度。 3 2 16 m 蠕铁气缸盖型腔( 型芯) 排气系统的优化设计 6 m 蠕铁气缸盖使用的是覆膜砂型芯( 三乙胺气硬冷芯盒法制备) ，覆膜砂型芯的特 点是发气速度较慢，发气量大。浇注后在金属液对铸型剧烈的热作用下，使型砂中的水 分、砂芯中的水分、粘结剂、附加物等氧化、分解和燃烧，生成大量气体，如果排气通 道设计不当，大量气体凝固时不能及时排出，则极易形成侵入性气孔。 据文献介绍，当排气总截面积与内浇口总截面积之比满足下列不等式时，型腔中的 气体才能减少到最低限度，即 s 捧气总截面积：s 内浇口总截面积1 5 0 。 ( 式3 一1 ) 图3 5 是原工艺造型时使用的排气针示意图。其根部直径为1 4 册，共1 2 根。 图3 56 m 气缸盖原排气针示意图 f i g u r e3 56 mp i nd i a g 眦no f t h ec y l i n d e rh e a do ft h eo r i g i n a le x h a u s t 则排气总截面积为：s 捧气息囊醐= 3 1 4 x ( 1 4 2 ) 2 木1 2 = 1 8 4 6 删n 2 而内浇口总截面积为：s 内舞口詹舳积= 1 4 4 0 舢2 ( 见本章3 1 1 ) 所以s 捧气总彻积：s 内浇口总t 确= 1 8 4 6 ：1 4 4 0 = 1 2 8 很显然，不满足式3 一l ，所以原排气通道是不合理的。 图3 6 是改进工艺后造型时使用的排气针示意图，其根部直径为1 8 姗，共1 2 根。 2 7 广西大掌工程硕士掌位论文蠕铁气缸气缩孑，的成因分析及克服措施 图3 _ 6 改进后的6 m 气缸盖排气针示意图 f i g u r e3 6i m p r o v e dc y l i n d e r h e a de x h a u s tp i nd i a g r a u m6 m 改进后排气总截面积为：s | 气总绷= 3 1 4 x ( 18 2 ) 2 事1 2 = 3 0 5 2 n u n 2 。 内浇口总截面积为：s 内蠢口篁獭= 1 4 4 0 咖2 ( 见本章3 1 1 ) 贝0 ： s 捧气总簟面积：s 内洗口息面积= 3 0 5 2 ： 1 4 4 0 = 2 1 2 满足不等式3 1 ，该设计可以满足6 m 蠕铁气缸盖生产的排气要求。 图3 7 是生产中采用原工艺时浇注后6 m 蠕铁气缸盖出现了铁水封堵排气孔现像的 示意图。由图3 7 可以看出，在原工艺中，排气通道的设置是不合理的。铁水封堵排气 通道后，型内气体无法排出，将大大增加了形成气缩孔的可能性。 图3 7 浇注后铁水封堵排气孔示意图 f i g u r e3 7 蚯e rp o u m gm 0 1 t e ni r o nb l o c kd i a g r a mv e n t 采取的改进措施： 1 、增加压砂环 图3 8 是工艺改进后的铸型示意图，由图可见，在外型浇注系统根部排气孔根部的 周边增加了压砂环，这就有效地避免了铁水浇注时跑出封住排气通道。 广西大掌工程司n b 掌位论文蠕铁气缸蓝气缩孔的成因分析乃j 已服措施 图3 86 m 蠕铁气缸盖改进后的铸犟示意图 f i g u r e3 - 86 mv e 加i c u l a ri r o nc a s t i n g o f t t l ec y l i n d e r h e a dd i a g r 锄o f t h ei m p r 0 v e d 2 、重新合理布置外型砂芯排气通道，增加排气槽 图3 9 是改进后的外 排气系统更合理，能有效 进后的 图3 9 改进后的外型砂芯排气通道和排气槽示意图 f i g u 他3 9i m p r o v e da p p e 跏c eo fs 锄dc o r ed i a 黟锄o f t h ee ) 【i l a u s td u c t 锄de ) 【h a u s td u c t s 3 2 26 l 蠕铁气缸盖型腔( 型芯) 排气系统的优化设计 6 l 蠕铁气缸盖的生产工艺与6 m 蠕铁气缸盖类同，此处不再赘述，具体可以参看第 三章3 2 1 部分。 采取的改进措施有： 1 、将根部直径为1 4 舳的排气针改为根部直径为1 8 舯的排气针，以增大排气通道面 积。改进后，s 捧气总瓤积：s 内崔口总觚积= 4 0 6 9 ：1 8 6 0 = 2 1 8 ( 1 5 0 ) ，满足蠕铁生产工艺要 求。 2 、增加压砂环，防止铁水浇注时跑出封住排气通道。 3 、重新合理布置外型砂芯排气通道，增加排气槽。 广西大掌工程硕士掌位论文螺 铁气缸薯气缩孔的成因分析刀j 己服措施 3 3 加强净化处理，提高铁水质量 加强铁水净化处理，提高铁水质量是克服气缩孔产生的另一个重要措施。经验告诉 我们：铁水的质量是影响气缩孔产生的一个重要因素。铁水质量由铁水温度、化学成份 和铁水纯净度三大指标构成，由于冲天炉技术的发展，电炉以及双联熔炼技术的应用， 可以轻易地获1 5 0 0 度左右的高温铁水；现代炉料技术和现代检测技术的发展及广泛应 用，可以对铁水的化学成份实施在线调控，从而获得化学成份准确和稳定的铁水。显而 易见，铁水纯净度是影响铁水质量的关键因素。尤其在蠕墨铸铁生产中，进行蠕化处理， 铁水中熔渣及非金属夹杂物特别多，因此，加强铁水净化处理，提高铁水质量对获得无 气缩孔缺陷的优质铸件非常关键。 在第二章已经介绍，理化检验表明，生产中铁液o 含量偏高，s 量不稳定。o 和s 是影响铁液质量的两个主要因素，铁液中含o 量高，铁水氧化严重，极易造成气孔渣孔 的产生，为气缩孔的形成创造了条件。此外，蠕化铁水在高温保持过程中，由于氧活度 不断增加，干扰和破坏了蠕状石墨生长过程，加速了蠕化衰退。硫是消耗蠕化剂的元素， 生产中希望硫越低越好，硫越低蠕化效果就越稳定。如果铁水中的s 量不稳定，这就给 生产过程控制带来极大的困难，主要原因是蠕铁稳定区非常小，仅在含镁量为0 0 0 8 的范围内。微量的，如0 0 0 1 镁的损耗，就会产生片状石墨，使机械性能直线下降2 5 至4 0 。而另一方面，如果球化率超过2 0 ，又会导致一系列不利因素，比如收缩 量过大，形状复杂的部件如缸盖特别容易出现缩孔乃至气缩孔。因此，铁水净化，首要 的是降低铁水中的o 和s 含量。 在理论分析的基础上，结合本厂的生产实际，采取了如下净化处理，提高铁水质量 的措施： 1 、采用冲天炉与感应电炉双联熔炼，并严格控制出铁温度不超过1 4 8 0 。图3 一1 0 为铁 水温度与氧的溶解度关系图。 图3 1 0 铁水温度与氧的溶解度关系图 f i g 陀3 10h o tm e t a lt e m p e 咖r e 觚do x y g e ns o l u b i l i t yd i a g r a m 3 0 广西大掌工程硕士掌位论文螂 铁气匐口t 气缩3 l 的成因分析a j 乞服措施 图3 1 0 表明，随着温度降低，氧元素的溶解度相应下降，在1 4 8 0 以下铁液中o 明显减少，大部分转移为非金属夹杂物。这可以大幅度减少蠕化处理时o 与蠕化剂反 应而减少蠕化剂量以及减少渣孔气孔的产生，从而减少蠕铁气缩孔的形成。 2 、加强脱s 措施，确保s 量稳定 如上所叙，蠕化剂的加入量是随原铁水中含s 量的变化而浮动的。下图是含硫量与 蠕化剂加入量的关系曲线。 从上图可见，两者呈线性关系，也就是说，原铁水中的硫量越多，需要加入的蠕化 剂就越多。因此，原铁水中s 量的稳定是获得良好蠕化效果的关键。生产中采取的工艺 措施是：精选原材料。使用的原材料是：生铁：q l o 或q 1 2 生铁，硫量 o 0 2 ；回 炉铁：蠕墨铸铁件废品、浇昌口、披锋等。0 0 l s 0 0 2 ；废钢：碳素钢( 边角料) ，s 0 0 4 ； 焦炭：云南铸造焦，硫量 o 0 2 。减少层焦量，以减少原铁水的增s 量。采用的铁焦 比为1 2 ：3 ，即8 0 0 蚝层铁，6 5 埏层焦。提高铁焦比，虽增加了熔炼过程的操作难度， 但对减少原铁水含硫量有利。采用稀土硅蠕化剂或纯碱作为脱硫剂进行炉外脱硫。脱 硫工艺都是先将铁水在工频炉提温到1 4 8 0 度左右，在包底加入合金或胶卷脱硫剂，出 满铁水后充分搅拌，待反应结束后扒渣，再将铁水倒回工频炉精炼。 3 、严格生产过程控制 蠕化工艺采用二次倒包，二次孕育，1 # 、2 # 蠕化剂混合蠕化处理。 生产中严格控制原铁水的含s 量，精确度达到0 0 0 0 5 。 蠕化剂称量准确，不粘包，包内少渣，出铁重量和出铁温度合格，起爆不早不晚，扒 渣干净。 在外浇口( 浇口杯) 处加过滤网，提高液态金属的纯净度。 金属液面复盖一层熔剂，使上浮的夹杂物被其吸收，以利于排除。浇包要干燥、清洁， 浇注前加入集渣剂使渣增稠，以便于扒除。增加扒渣次数，提高铁水纯净度。 ， 浇注过程中，不允许补加孕育剂。 广西大学工程硕士掌位论文蠕铁气缸蓝气缩孔的成因分析a j 乞服措施 3 4 严格控制蠕化率 前已述，蠕墨铸铁生产过程的控制非常困难，生产蠕墨铸铁时，蠕化剂加入量的范 围非常窄，生产中如果控制不当，蠕化剂加少了会导致蠕化率偏低甚至不蠕化，得到灰 铸铁。而蠕化剂加多了就变成球铁，增加了收缩率，促进气缩孔的形成。 图3 1 l 是根据我厂的生产记录整理出来的蠕化率与气缩孔废品率的关系图。由图 3 1 1 可以看出，当蠕化率大于8 5 时，气缩孔废品率大幅度下降，当蠕化率小于7 5 时， 气缩孔废品率大幅度上升。为什么当蠕化率大于8 5 时，气缩孔废品率大幅度下降呢? 因为此时材料蠕化率高，基本保持灰铸铁的性质，故气缩孔废品率低。我们攻关的目的 在于，既要得到高的蠕化率，生产出优质的蠕墨铸铁件，又要将气缩孔废品率控制到最 低。 图3 1 1 蠕化率与气缩孔废品率关系图 f i g u r e3 一llc r e e ps m n k a g e 船t eo f s c r a pa n dg 签g r 印h 蠕化率与诸多因素有关，其中犹为主要的是铁水中的合金元素。图3 1 2 、3 1 3 、3 1 4 、 3 一1 5 、3 1 6 是根据我厂长期生产总结整理出来的各元素与蠕化率的对应关系。 图3 1 2 残c e 与蠕化率的关系图 f i g u 他3 一1 2r e s i d u e so