（材料加工工程专业论文）基于发动机缸体的铸铁件渗漏缺陷研究.pdf

基于发动机缸体的铸铁件渗漏缺陷研究 摘要 本文结合合肥江淮铸造有限公司生产的4 d a l 型高强度铸铁发动机缸体的 生产实际 对该型发动机缸体的渗漏缺陷成因 影响渗漏的因素及影响规律 防治措施等进行了研究 并提出了以下生产建议 经过对渗漏件的统计 渗漏缺陷主要发生在铸造的热节部位 如水套芯紧 邻的螺栓孔处 油道和水套 但是后两个所占渗漏件的比例很小 在螺栓孔处 的渗漏缺陷是由于缩松所引起的 浇注温度对铸件的液态收缩率具有显著地影响 经过分析发现 随着浇注 温度的不断提高 铸件的渗漏废品率随之升高 在浇注温度高于1 4 0 0 以后 废品率随温度升高而增加的趋势略有降低 综合考虑各个因素 将浇注温度定 为1 4 1 0 1 4 2 0 孕育工艺也是影响渗漏的一项重要因素 不同类型的孕育剂对渗漏的影响 是不同的 采用o 2 s i b a 孕育剂加普通7 5 s i f e 补充 渗漏率最低 孕育 剂加入量增加将会引起渗漏废品率的增加 经过大量的实验及对实验结果的分 析 我们最终决定孕育剂加入量为o 4 其中s i b a 孕育剂与7 5 s i f e 孕育 剂各占一半 微量元素p b 也会对渗漏产生很大的影响 我们对渗漏取样 发现在缩松 区的含p b 量明显高于缩松区紧邻的致密区的含p b 量 p b 强烈的改变着石墨的 形态 随着其含量的不断增加 渗漏废品率呈现明显的上升趋势 因而要严格 的控制元素p b 的含量 铁液的化学成分中c r 及c 对渗漏的影响最为显著 其中c r 是一种反石墨 化元素 它强烈的阻碍着石墨的析出 而含c 量的高低直接影响着石墨的析出 因而在生产中应尽量减少c r 的加入 而c 的含量控制在3 3 0 3 3 5 之间 将 s i c 控制在0 6 4 附近 从而能使c 在凝固形成石墨的过程中有效的发挥其自补 缩作用 形成致密的金属组织 从而减少渗漏缺陷的形成 关键词 发动机 缸体 渗漏 铸造 s t u d yo nt h el e a k a g eo ft h ec a s ti r o nb a s e do n t h ee n g i n ec y l i n d e rb o d y a b s t r a c t t h et h e s i si sb a s e do nt h ep r o d u c t i o no fc y l i n d e rb o d ya n dh e a do fj i a n g h u a i a u t o m o b i l ec o m p a n y a f t e rs t u d y i n gt h ei n f l u e n c ef a c t o r r u l ea n dt h ep r e v e n t i o n m e a s u r eo ft h el e a k a g e f l a w w eg e tt h ef o l l o w i n gr e s u l t s t h r o u g ht ot h el e a k a g es t a t i s t i c s t h el e a k a g ef l a wm a i n l yo c c u r si nt h ec a s t i n g h o tf e s t i v a ls p o t l i k ew a t e rj a c k e tc o r ec l o s en e i g h b o r sb o l th o l ep l a c e o i ll e a da n d w a t e rja c k e t b u tt h el a t t e rt w oi n s t i t u t e sa c c o u n tf o rt h el e a k a g ep r o p o r t i o nt ob e v e r ys m a l l t h ef l a wo c c u r r e di nt h eb o l th o l ep l a c el e a k a g ei sa c c o u n t sf o rt h ev e r yg r e a t p r o p o r t i o n i nt h eb o l th o l ep l a c el e a k a g ef l a wi sb e c a u s es h r i n k st h ep i n et oc a u s e t h ep o u r i n gt e m p e r a t u r eo b v i o u s l ya f f e c tt h el i q u i ds t a t es h r i n k a g e a f t e r a n a l y s i s w ef i n dt h et h a tt h ec a s t i n gl e a k a g e r a t ee l e v a t e sa l o n gw i t hp o u r i n g t e m p e r a t u r e su n c e a s i n gi n c r e m e n t t h et e n d e n c yr e je c t i o nr a t ew h i c hi n c r e a s e s a l o n g w i t h t e m p e r a t u r e i n c r e m e n t s l i g h t l yh a sr e d u c e sw h e nt h ep o u r i n g t e m p e r a t u r e i sa b o v e14 0 0 c o v e r a l le v a l u a t i o ne a c h f a c t o r t h ep o u r i n g t e m p e r a t u r ew i l ld e c i d ea s1 4 1 0 1 4 2 0 c t h eb r e e d i n gc r a f ti sa l s oa f f e c t st h el e a k a g ei n t e n s e l y t h ei n f l u e n c eo ft h e d i f f e r e n tt y p e si n o c u l a n tt ot h el e a k a g ei sd i f f e r e n t t h ei n c r e a s eo ft h ei n o c u l a n t w i l lc a u s e l e a k a g er e je c t i o n r a t ei n c r e a s e a f t e rm a s s i v e e x p e r i m e n t s a n d a n a l y s i s i n gt h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t w ef i n a l l yd e c i d e dt h a tt h eq u a n t i t yo ft h e i n o c u l a n ti s0 4 t h es i b ai n o c u l a n ta n dt h e7 5 s i f ei n o c u l a n to c c u p yh a l f r e s p e c t i v e l y t r a c ee l e m e n tp bw i l l a l s oh a v et h e v e r yt r e m e n d o u si n f l u e n c et ot h e l e a k a g e a f t e rs t u d y i n gt h es a m p l et h ep bq u a n t i t yo ft h el o o s ea r e ai so b v i o u s l y h i g h e rt h a nt h ec o m p a c ta r e aw h i c hc l o s en e i g h b o rt ot h el o o s ea r e a p bi n t e n s e c h a n g eg r a p h i t es h a p e t h el e a k a g er e je c t i o nr a t ep r e s e n t st h eo b v i o u st r e n do f e s c a l a t i o n a l o n gw i t hi t sc o n t e n t su n c e a s i n gi n c r e a s e t h e r e f o r ew es h o u l ds t r i c t c o n t r o lt h ec o n t e n to ft h ee l e m e n tp b i nt h ei r o nl i q u o rc h e m i c a lc o m p o s i t i o n c ra n dci n f l u e n c et h el e a k a g em o s t r e m a r k a b l y c ri s o n ek i n do fh i g d e r e d g r a p h i t ee l e m e n t i t si n t e n s ei m p e d e g r a p h i t es e p a r a t i o n b u tt h eq u a n t i t yo ft h ech e i g h ti m m e d i a t ei n f l u e n c eg r a p h i t e s e p a r a t i o n t h e r e f o r ew es h o u l dr e d u c ec ra sf a ra sp o s s i b l e b u tt o t a lc a r b o n b e t w e e n3 3 0 3 3 5 a n dc o n t r o lt h es i cn e a r b y0 6 4 t h ei r o nl i q u i d f o r m st h e c o m p a c tm e t a lo r g a n i z a t i o n t h u sr e d u c e dl e a k a g ef l a wf o r m a t i o n k e yw o r d s e n g i n e c y l i n d e rb o d y l e a k a g e c a s t i n g 插图清单 图14 d a l 缸体六个方向的视图 a b c d e f 1 0 图24 d a l 缸体的剖面图 a b c 1 1 图3 取样的螺栓孔位置 1 4 图4 取样局部图 一1 4 图5 螺栓孔渗漏 17 图6 水套渗漏 18 图7 油道渗漏 18 图8 渗漏区显微形貌 18 图9 所取试样尺寸示意图 1 9 图l o 与试样紧邻的水套芯 2 0 图1 1 浇注温度对渗漏的影响 2 2 图1 2 孕育剂加入量对渗漏率的影响 2 6 图1 3 孕育剂种类对渗漏的影响 2 6 图1 4 共晶团数量与孕育剂加入量之间的关系 2 8 图15 缩松区与邻壁区化学成分对比 31 图1 6 渗漏区与正常区部分元素含量对比 3 3 图17c r 的含量对渗漏的影响 3 4 图18 渗漏率与含铅量之间的关系 3 5 图1 9 不同含铅量时石墨的形态 3 7 表格清单 表1 亚共晶铸铁的液态收缩率ev l 6 表2 铸铁的凝固收缩率 v s 6 表3f e c 合金的自由线收缩率 6 表4 该部位有关参数计算 1 9 表5 浇注温度对渗漏的影响 2 2 表6s i b a 孕育剂对渗漏率的影响 2 5 表77 5 s i f e 孕育剂对渗漏率的影响 2 5 表8 孕育剂种类对渗漏率的影响 2 6 表9 孕育量对共晶团数的影响 2 8 表1 0 缩松区与邻壁区化学成分对比 3 1 表1 1 渗漏区与正常区部分元素含量对比 3 2 表1 2c r f e 加入量对渗漏的影响 3 4 表1 3 渗漏率与含铅量之间的关系 3 5 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究 j 作及取得的研究成 果 据我所知 除了文中特别加以标注和致谢的地方外 论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果 也不包含为获得金蟹 些厶堂或其它教育机构的学位或证书而 使用过的材料 与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的 说明并表示谢意 学位论文作者签名 差支役 签字日期 7 9 0 t 年 角 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解金日巴王些太堂有关保留 使用学位论文的规定 有权保 留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘 允许论文被查阅和借阅 本人授 权金胆工些厶堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索 可以采 用影印 缩印或扫描等复制手段保存 汇编学位论文 保密的学位论文在解密后适用本授权书 学位论文作者签名 耋 乏嫂 签字日期 铀砸 年驹日 学位论文作者毕业后去向 工作单位 通讯地址 导师虢 司丕 签字日期 年月日 电话 邮编 致谢 本论文是在周老师的悉心指导和亲切关怀下完成的 周老师渊博的学识 热诚而 严谨的科学态度和平易近人的风度给我留下来深刻地印象 周老师兢兢业业的工作态 度 对事业的执着追求更是值得我一生学习 本论文的完成 包含着周老师的心血和 汗水 没有周老师的教诲与启发 没有周老师的鼓励与支持 就不可能有我目前的成 绩 在此谨向恩师致以我最衷心的感谢 在近三年的硕士学习和工作中 本人得到了本研究组江贤波同学 何来圣同学 黄俊同学 于娜红同学的支持和帮助 在此 向我的好朋友兼同学表示诚挚的谢意 还要感谢铸造实验室熊振茵老师 何源祥老师的支持与帮助 感谢合肥江淮铸造 有限责任公司的张京伟主任 黄光伟高工 张经宏师傅 巩师傅 感谢他们在实验过 程中给予的大量支持和帮助 也要感谢上面未曾提及但却一直在关心 鼓励 帮助我 的老师 同学和朋友们 真心的谢谢您们 最后要特别感谢我的父母 回首过去的时光 一直是他们在背后默默无闻的支持 我 帮助我 使我不断的取得进步 衷心的感谢他们为我所付出的一切 还要感谢女 友闫冬梅 谢谢他对我论文工作的鼓励与支持 谨以此文献给他们 作者 董文波 2 0 0 8 年4 月 第一章绪论 近年来 我国汽车产业得到了迅速的发展 到2 0 0 7 年产量达到了创纪录的 8 8 8 2 4 万辆 同比增长2 2 0 2 比上年净增l6 0 2 7 万辆 而根据国务院发展研究 中心预测 国内汽车保有量将在2 0 10 年达到5 6 6 9 万辆 2 0 2 0 年将过亿辆 达到 1 3 1 0 3 万辆 随着汽车工业的迅速发展 国内的发动机缸体生产也得到了长足的 进步 2 0 0 5 年全年我国共生产汽车发动机4 7 10 6 6 1 台 比上年增长8 6 5 全 年共销售汽车发动机4 7 2 5 0 4 3 台 同比增加了8 9 9 全年产销率为10 0 31 销量略大于产量 库存有所减少 其中汽油机2 0 0 5 年年产量为3 4 3 3 6 5 2 台 同 比增加1 3 5 9 该年年销量为3 4 4 9 6 7 3 台 同比增加1 3 8 5 柴油机2 0 0 5 年年 产量为1 2 7 4 0 5 6 台 同比减少2 9 4 年销量为l 2 7 2 5 3 6 台 同比减少2 5 1 2 0 0 6 年1 6 月 国内汽车发动机总计生产3 18 9 6 万台 比2 0 0 5 年同期增长3 4 7 6 总计销售3 1 8 6 7 万台 同比增长3 4 7 2 发动机缸体 缸盖是发动机零件中最为重要和复杂的铸件 发动机被誉为 汽车的 心脏 铸件占发动机总重的6 0 8 0 缸体是发动机中重量最重 复 杂程度最高 生产难度最大的一个关键铸件 因此被称为 铸造之花 l 本文以合肥江淮铸造有限公司生产的4 d a l 缸体为研究对象 主要针对铸铁 缸体 缸盖的铸造渗漏缺陷及其形成机理预防治措施进行了较为深入而全面的 研究 在该缸体 缸盖的铸造生产过程中 因为其结构复杂 铸件热节部位多 如油道 螺栓孔等 各个部位的壁厚又很不均匀 厚壁处超过4 0 m m 薄壁 处却仅有3 4 m m 铸件渗水率竟高达6 0 以上 少时也有2 0 左右 大部分均 为小漏水 而且一直居高不下 1 1 国内外渗漏缺陷研究现状 发动机缸体作为高精密铸件 其自身特性 薄壁 复杂 结构紧凑 体积 小 内外在铸造质量要求高等 决定了其必将会很难铸造 在生产过程中会出 现很多问题 由于该工件壁厚上的不均匀性 大批量流水生产时圆弧曲面突起 的厚大部位不便采用冒口补缩之类的措施 当其他工艺处置不当时 导致了易 于出现渗漏的缺陷 这受到了国内外铸造工作者的重视 并且采取了很多有效 措施 1 1 1 国内研究现状 国内企业生产发动机已有很长时间了 特别是在改革开放以后 国内企业 引进国外先进技术 生产设备 是我国缸体铸造业取得了飞速发展 某些企业 的某些技术方面甚至达到国际水平 但是我国企业发动机生产毕竟起步较晚 虽说引进了国外先进生产线 却很难得到其关键技术 技术攻关上还需要很长 时间 因而 国内企业在缸体铸造生产中 技术水平与国外厂家存在一定差距 所生产的缸体在铸件质量 尺寸精度等方面均达不到国际水准 仍须努力 提 高铸件质量 减少废品损失 是缩小与发达国家差距 发挥引进设备效能 提 高企业效益的重要途径 2 国内厂家生产缸体存在各种铸造缺陷 特别是渗漏 缺陷始终得不到很好的解决 这严重的影响了生产计划和企业效益 可喜的是 国内部分厂家通过长时间的技术攻关 降低了渗漏废品率 以下是国内几家具 有代表性的发动机生产厂家 它们在生产实际中遇到的问题以及它们所采取 得解决措施 东风汽车公司铸造一厂生产的康明斯缸盖是一种复杂的铸件 该厂引进了 一条自硬砂无箱生产线 专门生产该铸件 向柴油机发动机厂供货 从反馈回 来的加工信息看 渗漏率异常 加工数量2 5 9 4 件 漏水工件竟然有7 1 6 件 漏水 率约达2 7 6 在对漏水件采用渗补镶套等手段不健全的情况下 造成了巨大 的浪费 为了解决该问题 该公司技术组对渗漏部位及原因进行了分析 发现 漏水主要集中在螺栓孔处 并且还发现该渗漏处外观呈密集点小孔洞状 有时 呈裂纹状 金相试样在磨平抛光后 有些用肉眼就能看到细小孔洞 有的在显 微镜下可以观察出来 金相照片显示渗漏处石墨长 呈树枝晶组织 有明显孔 洞存在 因此可以判断导致缸盖螺栓孔渗漏原因是缩松缺陷 该技术组从缩松 渗漏成因着手分析 认为浇铸工艺不合理 壁厚不均匀 热节部位较多 铁水 化学成分不合理及铁水高温过热时间长而使其极易产生缩松缺陷 并且提出了 工艺改进措施 调整铁水化学成分 升铜降铬 为减少铬对铁水收缩性影响 将该元素加入量降低 同时提高铜的含量以保证铸件的性能和组织 加强炉料 管理及分流生产 设计补缩冒口 优选原材料 采取以上改进措施后 效果显 著 该厂渗漏率稳定在1 3 6 水平 3 j 山东潍柴动力股份有限公司生产的w d 6 15 气缸盖材质h t 2 5 0 采用感应电 炉熔炼 感应电炉可获得高温过热铁液 铁液中氧化夹杂物少 合金元素烧损 小 成分均匀且易于控制 但类铁液具有较大的过冷倾向 白口倾向大 易在 铸件的厚壁处产生缩孔 缩松缺陷 在铸件薄壁处易产生白口和硬边等铸造缺 陷 该铸件2 0 0 0 年曾一度因缩松缺陷导致气缸盖漏水 漏水率高达4 0 以上 该厂技术组从生铁中微量元素 浇铸系统 化学成分 孕育量等方面着手 认 为该原材料本溪某厂生铁含有少量导致缩松的微量元素 浇铸系统不尽合理 造成局部过热 化学成分不合理 特别是c 低 s i 高 孕育量太大 并且该厂提 出了改进措施 换用新生铁 修改浇铸系统 缩松渗漏区砂芯上刷t e 涂料 调 整铁液的c s i 量 改变孕育方式 由原包底孕育改为随流孕育 减少孕育量及 炉内增硫 采取了上述措施后 效果显著 明显降低了渗漏率 基本将其控制 在5 以下 4 1 2 江苏常柴股份有限公司铸造厂生产的多缸柴油机缸盖材料为h t 2 0 0 j j i j 合余 铸铁 加入c u c r 加工后进行水压实验 发现渗漏率高达6 0 以上 少时 也有2 0 左右 严重影响了柴油机的生产计划 分析其原因为缸盖铸件上分布 着较多的压紧孔 挺杆孔 均为不铸出孔 加工后孔径为 13 m m 壁厚5 m m 搭子直径 4 3 m m 而缸盖本身是内腔复杂的薄壁铸件 最小壁厚3 m m 这些 搭子无疑成为了缸盖铸件的热节部位 而且被砂芯包围 凝固收缩得不到铁液 补充 易形成缩松 引发渗漏缺陷 该公司先后采取了下述措施 改进铸造工 艺 控制铁液化学成分 选取合适碳当量 合适s i c 比 加强对原材料的检测 控制铁液中p 元素含量 选取合适的孕育剂以及在易渗漏区刷涂t e 涂料 有效 的控制了渗漏率 将其稳定在6 左右 5 1 1 1 2 国外研究现状 国外企业经过几十年的研究和生产实践 为了较好的消除缸体 缸盖渗漏 的缺陷 也采取了很多有效的措施 对比国外各厂家的缸体 缸盖生产技术条 件 主要都是从提高铸件致密度 控制铁液合金成分的角度解决渗漏问题 对 缸体铸件的材质基本上已经规范化 在化学成分 材质牌号 本体硬度和金相 组织等方面变化不大 各个厂家实际生产中往往根据自己的生产条件和用户的要求来选定更窄的 成分范围 以确保铸件的质量和性能 不能指望按照技术标准中规定的成分便 能稳定生产出合格的铸件 英国s t e r l i n g 铸造厂生产缸体 缸盖时 铸铁的 含碳量偏差控制在 0 0 6 范围内 含硅量的偏差控制在 o 0 8 范围内 6 1 缸 体 缸盖的金相组织均毫无例外的要求以a 型石墨为主 要求基体的珠光体含 量在9 5 以上 为了保证这样的含量 硅含量就不宜过高 这就是硅含量的偏 差控制在o 0 8 范围内的原因 通过各国生产厂家的技术研究可知 缸体渗漏的原因是铸件内部显微组织 有缩松 磷对缩松的影响是很敏感的 尽管国外缸体 缸盖技术条件普遍规定 磷含量允许达到0 12 0 15 但实际许多厂家在生产中对磷含量都有严格的 限制 如英国的s t e r l i n g 铸造厂磷规定为0 0 5 0 0 6 1 7 j 在知道渗漏的原因是组织中有缩松之后 国外各个厂家都开始对如何消除 这种缩松缺陷进行了研究 他们所得到的结果基本上都是在控制铁水的浇注温 度 提高孕育效果以及铁水成分等方面作防止工作 国外十分重视浇注温度的控制 英国l e y l a n g s t e r l i n g l i s t e r 三 家铸造厂生产缸体 缸盖均控制浇注温度在13 9 0 1 4 4 0 范围内 b c i r a 认为 对大多数缸体 缸盖来说 最适宜的浇注温度在为1 3 9 0 1 4 2 0 悼j 若浇注温 度太高 则铁水收缩时 促使铸件内部产生缩松 浇注温度太低时 铸件会产 生气孔缺陷 3 各国对铸铁中微量有害元素的控制也十分重视 灰铸铁中的p b 能使石墨组 织恶化 大大降低其机械性能 b c i r a 的研究指出 灰铸铁中哪怕只含有p b o 0 0 4 随机械性能的有害影响就会显示出来 如西德大众缸体要求p b 0 0 0 5 a 1 也是必须控制的元素之一 过量的p b 将使逐渐出现针孔缺陷 金相组织有过 量的铁素体 机械性能不合格 国外有些铸造厂家在缸体 缸盖生产中还控制 氮含量 当铸铁中含氮量为0 0 0 6 一0 0 0 8 时 氮可是片状石墨钝化并促使珠 光体的形成 使机械性能提高 当含氮量超过0 0 0 9 时 则会促进形成裂纹状 缺陷 关于缸体 缸盖中的合金元素含量 各个常见规定的技术条件下不一样 美国某发动机公司的缸体和缸盖只提出常规五种元素含量与金相组织 机械性 能的要求 而对合金元素并未作处规定 但是在实际中 从国外引进的该公司 缸体 缸盖 均含有诸如c r n i c u s n 之类的元素 这些合金元素有的是铸 造厂为保证金相组织和机械性能故意加入的 大多数厂家的技术条件明确规定 了合金元素的含量 如法国的雪铁龙轿车缸体要求s n 含量为0 0 5 0 1 0 西 德的大众缸体要求c r 含量为0 1 5 0 2 5 c u 含量为0 2 0 一0 3 0 对缸体 缸盖来说 孕育处理是十分重要的环节 孕育是消除白口 改善 加工性能 细化共晶团 获得a 型石墨 使石墨细化及分布均匀 改善基体组织 提高机械性能 减小断面敏感性的的重要工艺措施 孕育也有副作用 细化共 晶团的结果常常导致缩松的增加 从而增加渗漏的危险性 国外缸体 缸盖生 产中普遍采用随流孕育工艺 即在铁水浇进浇扣杯时随流加入孕育剂 英国 l i s t e r 柴油机厂与法国雪铁龙生产缸体均采用这种孕育工艺1 9 1 2 渗漏成因分析 引起渗漏的原因有夹杂和缩松两大类 机械损伤或铸造裂纹引起的曲轴箱 渗漏情况极少 夹杂引起的渗漏原因 1 砂芯在修芯时未清除飞边 毛刺 或砂芯上有松散粘附的大小不一的砂粒 砂团未清除干净 致使浇注时被铁液冲刷下来并漂浮富集在水套壁或油道壁 形成夹 砂 砂眼 使腔壁贯通 并导致渗漏 2 组合好的砂芯被粉尘砂粒污染或组合时型腔内不慎掉入散砂 并且在清理时 没有清理干净或是根本就没有清理 此时 这些砂粒也会形成砂眼使腔壁贯通而渗漏 3 浇注所用铁液不够纯净 而浇道内又没有过滤措施或者拦渣的效果差 使铁 液中的夹渣进入了型腔 使水腔或油腔的腔壁处形成贯通性的渣孔而最终导致渗漏 缩松引起的渗漏 1 铁液的成分不恰当 s i c 过高 引起了石墨片的粗大 最终导致组织疏松 2 孕育过量 致使共晶团数量过多 微晶间隙难以补缩致密 4 经过对油道 螺栓孔处渗漏部位解剖取样观察分析 渗漏区呈蓝色或黑色 形状呈不规则断续的蚯蚓状 大面积的块状 有的己和油道加工钻孔部位或和 水套内 外壁相连通 其形貌粗糙 贯穿部位肉眼可见一些粗大枝晶的露头 在电子显微镜下观察 可以清晰的看到渗漏区存在着许多细小而分散的孔洞 有些也呈现出较大孔洞 与缩孔 缩松外观一致 该缺陷是由于缩孔 缩松所 引起的 而缩孔 缩松则是由于铸件的收缩引起的 因而有必要对其收缩进行 研究 1 0 一13 1 1 2 1 缩孔 缩松形成的简要机理 铸件在液态 凝固态和固态的冷却过程中将会发生体积减小的现象 这就 是所谓的收缩 收缩现象实质是原子间距离随温度下降而缩短 原子间的空穴 数量减少1 1 4 1 收缩是金属本身的物理性质 也是引起缩孔 缩松 应力 变形 热裂 和冷裂等缺陷的基本原因 因此收缩是铸件产生缩松的基本原因 它又 是决定铸件质量的重要铸造性能之一 金属从高温t o 冷却n t l 时 其体积收缩率 和线收缩率e 各为 v o v 1 v o 1o o qv t o t 10 0 l 1o 1 1 10 0 q1 t o t 1 x1 0 0 av 丝3c l l 丝381 式中v v 一一金属在t t 时的体积 l l 一一金属在t t 的长度 q q 一一金属在t t 温度范围内的体收缩系数和线收缩系数 1 任何液态金属注入铸型后 从浇注温度冷却到常温都经历三个相互关联的 收缩阶段 即液态收缩阶段 凝固收缩阶段和固态收缩阶段 在不同的阶段 金属具有不同的收缩特性 液态收缩阶段 自浇注温度冷却到液相线温度 金属完全处于液态 金属体积减小 表现 为型腔内液面降低 凝固收缩阶段 自液相线温度冷却到固相线温度 包括状态的改变 对于一定温度下结 晶的纯金属和共晶成分的合金 凝固收缩只是由于合金的状态改变 而与温度 无关 故具有一定的数值 凝固收缩不仅与状态改变时的体积变化有关 也与 结晶温度范围有关 某些合金在凝固过程中 体积不但不收缩 反而会产生膨 胀 故其收缩率为负值 液态收缩和固态收缩是铸件产生缩孔和缩松的基本原因 固态收缩阶段 自固相线温度冷却至常温 铸件各个方向都表现出线尺寸的缩小 对铸件 一 5 的形状和尺寸精度影响最大 也是铸件产生应力 变形和裂纹的基本原因 常 用线收缩率来表示固态收缩率 纯金属和共晶合金的线收缩率是在金属完全凝固以后丌始的 对于具有一 定结晶温度范围的合金 当枝晶彼此相连而形成连续的骨架时 合金则丌始表 现为固态性质 即开始线收缩 实验证明 此时合金中尚有2 0 4 5 的残留 液体 铸铁的液态收缩率 凝固收缩率和固态线型收缩率分别见表1 2 3 表1 亚共晶铸铁的液态收缩率 v l 1 4 la b 1l i q u i dc o n t r a c t i o nr a t eo fh y p o e u t e c t i c c a s t c a s ti r o n v l 表2 铸铁的凝固收缩率 m s 1 4 t a b 2s o l i d i f i c a t i o ns h r i n k a g er a t e o f t h ec a s ti r o n v s 碳含量 22 533 54 v s 白口铸铁 5 14 64 23 73 3 灰铸铁 4 32 81 40 1 1 5 表3f e c 合金的自由线收缩率 1 4 t a b 3f r e el i n e a rs h r i n k a g er a t e o f t h ef e ca l l o y 铸件在凝固过程中的液态收缩和凝固收缩阶段 往往在铸件最后凝固部位 出现孔洞 称为缩孔 缩孔形状不规则 孔壁粗糙 常伴有粗大树枝晶 夹杂 物 气孔 裂纹 偏析等缺陷 缩孔上方或附近的铸件表面有时会出现缩陷 容积大而集中的孔洞称为集中缩孔 或简称缩孔 细小而分散的孔洞称为 分散性缩孔 简称缩松 缩松的宏观断口形貌呈海绵状 有时借助放大镜才能 发现 缩松铸件密封性能较差 进行液压或气压试验时易渗漏 缩松严重的铸 件在凝固冷却或热处理的过程中容易产生裂纹 疏松又称为显微缩松 是铸件凝固缓慢的区域因微观补缩通道堵塞而在枝 晶间及枝晶的晶臂间形成的细小孔洞 疏松的宏观断口形貌与缩松相似 其微 观的形貌表现为分布在晶界和晶臂间 并伴有粗大树枝晶的显微孔穴 6 缩孔 缩松 疏松的形成与合金的凝固特性关系非常密切 凝固温度间隔 窄的合金在顺序凝固条件下容易形成集中性的缩孔 补缩容易 凝固温度间隔 宽的合金具有糊状凝固的特性 补缩困难 容易形成分散性的缩松和疏松 铸件中产生集中缩孔的基本原因 是合金的液态收缩和凝固收缩值大于固 态收缩值 产生集中缩孔的基本条件是 铸件由表及里逐层凝固 缩孔就集中 在最后凝固部位 缩孔容积v 等于所形成的薄壳冷却到某一温度t 的体积v 减去由薄壳紧紧 包围的液态金属所形成的致密固态金属的表面冷却至同一温度t 时的体积v 即 v v k v 即铸件中致密的固态金属体积等于原液态金属体积减去全部收缩量 缩松按其形貌可分为宏观缩松 简称缩松 和微观缩松 显微缩松 两类 缩松常分布在铸件最后凝固部位 铸件壁的中心区域 厚大部位 冒口根 部和内浇道附近 形成缩松的基本原因和形成缩孔一样 是由于合金的液态收缩和凝固收缩 大于固态收缩 但是 形成缩松的基本条件是合金结晶温度范围较宽 倾向于 体积凝固方式 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 铸件的凝固区域越宽 就越容易形成缩松 显微缩松产生在晶间和树枝之间 与微观气孔很难区分 且经常是同时发 生 显微缩松在各种合金中或多或少都存在 对于一般铸件往往不作为缺陷 如果要求铸件有较高的气密性 高的力学性能和物理化学性能时 则必须设法 减少 对于一定成分的合金 缩孔和缩松的数量可以互相转化 但它们的总容积 基本上是一致的 即 v 缩总 v 缩孔 v 缩松 总的缩孔容积决定于合金的收缩特性曲线 也受其他条件影响 铸件的凝固和补缩特性与合金成分有关 同时也受浇铸条件 铸型性质以 及补缩压力等因素的影响1 1 4 提高浇注温度 合金的液态收缩增加 缩孔容积增加 但对缩松的容积影 响不大 铸型的激冷能力强 铸件的凝固区域变窄 缩松减小 缩孔容积相应 增大 缩孔的总容积不变或有所减小 在凝固过程中增加补缩压力 可减少缩松而增加缩孔的容积 若合金在很 高的压力下浇注和凝固 则可以得到无缩松和缩孔的致密铸件 1 5 8 1 1 2 2 缩孔和缩松成因及解决措施 首先应分析一下该类缺陷成因 7 1 金属的液态收缩和凝固收缩值大于固态收缩值 并且金属液凝固时间 长 2 浇注的温度控制不当 当温度过高时易产生缩孔 当温度过低时则易 产生缩松和疏松 3 由于金属液凝固温度间隔过宽 造成其糊状凝固的倾向增强 低熔点 成分在最后凝固的时候得不到充分补缩 最终导致形成了缩松和疏松缺陷 4 金属液中溶解的气体过多 在凝固的阶段析出 阻碍补缩 加重缩松 和疏松 5 金属液中没有或缺少晶粒细化元素 孕育过量 致使共晶团数量增多 微晶间隙难以补缩致密 凝固组织晶粒粗大 易形成缩松和疏松 6 浇铸系统 冒口 冷铁 补贴等设置不当 不能保证铸件在凝固过程 中获得有效补缩 7 铸件结构设计不合理 例如壁厚变化太突然 孤立的厚断面得不到补 缩 8 冒口数量不足 尺寸太大 形状不合理或冒口与铸件连接不当 补缩 效果差 9 内浇道过厚或位置不当 造成热节 1 0 金属液成分不当 s i c 比过高 石墨片粗大 组织疏松 杂质含量过 多 使凝固温度间隔增大 例如铸铁中硫 磷含量过多时 形成低熔点共晶 凝固后期得不到补缩 在铸件内造成疏松 1 1 砂箱 芯骨刚度差 型 芯紧实度低而不均 强度低 使铸件在产生 涨型缺陷的同时 在内部形成缩孔和缩松 对于球墨铸铁件 由于凝固过程中 石墨化膨胀产生的压力作用于铸型 使铸件的涨型 缩沉 缩孔和缩松缺陷更 加严重 1 9 2 4 针对于上述原因 提出如下解决方法 1 改进铸型工艺设计 通过合理设置浇铸系统 冒口 冷铁和补贴 保 证铸件在凝固过程中获得有效的补缩 2 认真清除砂芯的飞边 毛刺 并清除砂芯上附着的砂粒 砂团 避免 在水腔 油腔上可能形成的砂眼 3 吹净砂粒与粉尘组合好的砂芯组 清理掉入型腔的砂粒 4 直浇道设置高效的过滤器 横浇道应有良好的拦渣功能 并做好铁液 净化工作 5 改用补缩效率高的保温冒口 发热冒口 压力冒口和电热冒口 6 改进铸件结构设计 减小壁厚差 铸件厚壁与薄壁部位的连接应平滑 过渡 尽量减少和避免形成孤立热节 在铸件孤立热节等难以用冒口补缩的部 位 采用内 外冷铁以加快该部位的凝固速度 8 7 j 重要铸件 优化铸件结构利铸造 l 8 力 强令属液精炼 净化金属液 质的含量 以利于凝固补缩 9 采用悬浮铸造技术 在浇铸过程r f l 往会属液中随流加入晶粒细化剂或 微冷铁 加快金属液凝同速度并细化品粒 10 提高铸型刚度和强度 防止型壁化移和抬型 对球翠铸铁件 可采用 均衡凝固l 艺 充分利用凝固时的石翠化膨胀抵消铸铁的液态收缩和凝同收缩 1 1 降低铸铁中的硫 磷含量 进行合金化处理时 注意适当提高碳 硅 含量 12 适当降低浇注温度和浇注铸速度 l3 调整金属液成分 在规定的碳当量保持不变的情况卜j 限制si c 进 行良好的变质或孕育处理 不得孕育过量 缩小合会的凝固温度区问 提高其 铸造性能 2 5 2 9 1 1 34 d a l 缸体简介 4 d a1 型缸体是合肥江淮铸造有限公司丌发研制的t 1 1 小型发动机的重要组 件 其铸件最大外形尺 j 为4 7 0 m mx 2 8 0 m m 2 9 0 m m 材质为h t 2 5 0 最小擘厚 4 r a m 最大壁厚4 0 r a m 属于典型的高强度薄壁复杂铸件 其各个方向视图及 剖面图如图1 2 所示 a 顶面 9 b 底而 c 左端面d 彳i 端面 e 前侧面f 后侧 丽 图14 d a i 缸体六个方向的视图fa b c d e f f i g1v i e wo ft h es i xd i r e c t i o no ft h e 4 d a l c y l i n d e r a b c d e f j b 1 3 2 材质要求 c 图24 d a l 缸体的剖面图 a b cj f i g2p r o f i l ev i e wo ft h e4 d a lc y l i n d e r a b c 1 机械性能 铸件本体的抗拉强度6 b 2 0 0 m p a 在缸体上表面 1 4 缸孔对角线两处 硬度要求在h b19 5 2 3 5 之问 气缸孔表面 2 3 缸d l 2 0 m m 处 共两处 硬度 要求在h b 2 0 0 2 3 5 2 问 厚薄断面的硬度差在30 h b 以下 2 余相组织 铸件本体主要部位 包括薄断面处 的珠光体含量在9 0 以上 石墨形态应 大部分呈a 型 允许表面有少量b d 型 石墨最人长度应在6 0 2 5 0 9 m 之间 碳化物s 1 磷共晶s 2 1 4 课题来源和研究该课题的现实意义 本课题是结合江淮汽车4 d a l 型发动机缸体 缸盖的 卜产实际进行的 也是 本课题组和江淮汽车厂的合作项目 4 d a1 缸体是江淮汽车有限公司投入 三产的一种新型发动机 它属于中小型 发动机 该发动机缸体进行水压试验时 在0 4 m p a l j 力下 历时3 m in 不得有渗 漏现象 f 嗵是在陔缸体实际生产过程r f l 缸体铸件出现了较严重的渗漏缺陷 在实际中 发现缸体渗水率竞高达 1 0 以上 少时也有2 0 左右 大部分 均为小漏水 而且一直居高不下 缸体渗漏 导致漏水 漏机油 尤其是冷却 水 渗漏到机油内 影响发动机i f 常工作 甚至造成缸体报废 虽说对渗漏 部位补修后有些可以回用 但这严重影响了发动机生 总计划 并且造成了成本 提高 资源浪费 缸体足发动机中最大的一个零件 一般占到了整个发动机总体重量的1 3 随荷发动机结构的同益紧凑 体积不断缩小的发展 埘缸体要求也随之提高 不仅要有好的内在质黾 提高其使用寿命 而且还要有好的外在质量 包括尺 寸精度 形位公差 清洁度等 特别足对于整体式 不镶缸套 发动机而言 其要求更高 缸筒部位除要有良好的耐磨性能外 还要耐压 缸筒内表面不允 许有丝毫的铸造缺陷 发动机缸体生产中 最关键的问题是渗漏缺陷的解决 国内外缸体生产厂家一直在不懈努力 并且取得了相当进展 有部分厂家成功 控制了渗漏废品率 1 2 3 0 3 4 j 如江苏常柴股份有限公司铸造厂 笔者在 合肥江淮铸造有限公司 根据对实际生产观查 分析取自生产现场的试样 并 对其进行了详尽细致的分析 广泛查阅相关文献 资料 学习其他公司的先进 经验 针对缸体结构中极易产生缩松以至渗漏部位进行了详尽细致讨论 从铸 造工艺 铁液成分 孕育剂加入种类及其数量 碳当量 c e s i c 比的影响 金相组织形态的变化等方面着手来分析渗漏部位 成因以及采取得解决方法 以获得一些对实际生产有益的措施 这对于降低实际缸体铸件渗漏率 本文中 将渗漏件数目与铸件总数之比简称为渗漏率或渗漏废品率 有重要意义 利于 提高铸造水平 节约了生产成本 提高经济效益 1 2 第二章试验条件和试验方法 江淮铸造有限公司生产的4 d a l 缸体的渗漏率一直居高不下 作者针对导致 铸件产生缩孔 缩松和疏松等缺陷的因素展开实验 研究渗漏与这些因素缺之 间的联系 力求降低渗漏率 生产出合格铸件 试验条件和主要试验方法分述 如下 2 1 生产设备及实验装置简介 1 d f m a a d 型k w 水平静压造型线 由主造型机 翻箱机 铣浇口机 钻气眼机 移箱机 合箱机 铸工小车 液压站等组成 全线采用自动化控制 p l c 为西门子s 7 4 0 0 采用气流预紧实加高压多触头压实造型 生产率为10 5 型 小时 压实力1 4 8 5 k n 砂箱尺寸为1 1 0 0 x 9 0 0 x 3 5 0 m m 2 中频感应保温电炉 生产效率1 0 t h 3 外水冷长炉龄大排距冲天炉 生产效率7 t h 曲线炉膛 4 q 3 8 4 d 1 型双行程吊链式抛丸清理室 5 光学金相显微镜 6 抛光机 7 德国蔡司m m 6 大型光学金相显微镜 2 2 原材料 1 合肥产z 18 生铁 回炉料 废钢 铸造焦 石灰石等 2 7 5 硅铁孕育剂 粒度5 1 0 m m 3 铬铁 硫铁 锡等 2 3 主要试验方法 由于本文是建立在生产实际基础上的 故实验大部分来源于生产第一线 根据生产出来不同批次缸体 统计其渗漏率 认真进行记录 并分析生产中采 用的不同工艺对渗漏率的影响规律 研究二者之间的联系 找出各个不同因素 与缩孔 缩松和疏松等各缺陷之间的关系 力求通过此项措施达到降低铸件废 品率的目的 并形成较为合理的工艺规范 用于指导生产实践 在生产中 密 切记录生产一线所采取得各项工艺参数 在废品缸体上取样进行观察 取样位 置 取样原则见下一章 主要集中在缩松渗漏集中的螺栓孔部位 该部位具体位 置见图3 4 1 3 图3 取样的螺栓子l 位置 f i g 3l o c a t i o n so ft h es a m p l i n gb o l th o l e 图4 取样局部图 f i 9 4l o c a lm a po ft h es a m p l e 取得渗漏废品试样后 对该试样进行金相分析 分析其该部位组织成分 对其致密度进行分析 观察它的石墨形态 找出它与铸件渗漏二者之 j i 内在的 关系 并分析该类因素对渗漏的影响规律 经过大量的取样分析 笔者发现 在各个工艺参数中 对渗漏率有很大影 响的冈素主要集中在以一卜 儿个方面 结构设计 铁液的化学成分 浇注温度 微量元素含量 孕育剂的种类 加入量 本文针对以卜各个凶素分别进行了分 析 各个试验方法为 2 3 1 缸体渗漏的检测方法 检测缸体渗漏检测有时也称密封性检测 它属于工件性能检测范畴 常常 采用气压检测法 气压检查法是检测气缸渗漏的有效方法 除用于检查缸体 缸盖渗漏外 还可用来检查气缸套与缸体的密封 因为湿式气缸套安装好之后 一般情况下必须进行气压试验 以检查气缸套与缸体的密封状态和耐压情况 利用气压检查法进行检测时 先将气缸盖和衬挚装在气缸体卜 除留1 个气 孔与气压机接通外 将其余气道和气孔都堵塞住 准备就绪后 打丌气压机丌 关 在4 0 岁e 帕的压力下 持续供气3 分钟左右 便可确定气缸体渗漏的情况 进 而确定裂纹的位置和大小 1 4 2 3 2 微量元素铅对渗漏率的影响 对渗漏部位取样 然后对渗漏部位及其相