1、Good is good, but better carries it.精益求精，善益求善。cylinder defect improvement缸體鑄造缺陷分析與對策中小型乘用車發動機灰鑄鐵汽缸體常見缺陷與對策 缸體鑄造缺陷分析與對策1 氣孔 氣孔通常是汽缸體鑄件最常見的缺陷，往往占鑄件廢品的首位。如何防止氣孔，是鑄造工作者一個永久的課題。 汽缸體的氣孔多見于上型面的水套區域對應的外表面(含缸蓋面周邊)，例如出氣針底部(這時冒起的氣針較短)或凸起的筋條部，以及缸筒加工后的內表面。嚴重時由于型芯的發氣量大而又未能充分排氣，使上型面產生嗆火現象，導致大面積孔洞與無規律的砂眼。 在現代生產條件下，

2、反應性氣孔與析出性氣孔較為少見，較為多見的是侵入性氣孔?，F對侵人性氣孔分析出如下： 1.1 原因 1.1.1 型腔排氣不充分，排氣系統總截面積偏小。 1.1.2 澆注溫度較低。 1.1.3 澆注速度太慢；，鐵液充型不平穩，有氣體卷入。 1.1.4 型砂水份偏高；型砂內灰份含量高，型砂透氣性差； 1.1.5 對于干式氣缸套結構的發動機，水套砂芯工藝不當(如未設置排氣系統或排氣系統不完善；或因密封不嚴，使澆注時鐵水鉆人排氣通道而堵死排氣道；砂芯砂粒偏細，透氣不良；上涂料后未充分干燥；砂芯砂與涂料發氣量太大，或發氣速度不當；涂料的屏蔽性差.)。經驗證明，干式缸套的缸體的氣孔缺陷，很大程度上與水套工藝

3、因素相關連。 1.1.6 孕育劑未經干燥且粒度不當；鐵液未充分除渣，澆注時未擋渣，由此引起渣氣孔。 1.1.7 澆注時未及時引火 1.2對策 1.2.1 模型上較高部位設置數量足夠、截面恰當的出氣針或排氣片；而芯頭部位設置排氣空腔。上述排氣系統均應將氣體引至型外。通常排氣截面應為內澆道總截面積1.51.8倍左右。 1.2.2 澆注系統按半開放半封閉原則設置為宜，且須具有一定的攔渣功能，這樣鐵液充型時比較平穩，不會沖擊鑄型或產生飛濺或卷人氣體。而澆注系統的截面大小以8-lOkgs的澆注速度來計算較為適宜。 1.2.3 鐵液的熔煉溫度應不低于1500，而手工澆注時末箱的澆注溫度應控制在1400C左

4、右(視鑄件大小與壁厚可適當調整）。最好能采用自動澆注，澆注溫度誤差應在20以內。 1.2.4 一個好的適于高壓造型的砂處理系統，型砂水分應控制在2.8-3.2，其時的緊實率應在36-42之間，而溫壓強度應達180-220kpa(均指在造型機處取樣檢測)。為達這些指標，需監控型砂的灰份，輔助材料的添加量，合適的原砂粒度、循環砂的溫度及混砂效率。 1.2.5 注意做好鐵液去渣，澆注時擋渣引火以及孕育劑的干燥等工作。 1.2.6 對于干式汽缸套結構的發動機缸體，至關重要的是要有非常完善到位的水套砂芯工藝： a、水套坭芯用砂的平均細度較之其他砂芯要粗一些，以求有良好的透氣性。 b、設置充分的互相連通的

5、排氣孔網并使之能排出型外，這些孔網盡可能在制芯時生成，亦可在成型后鉆加工形成。對于前者要定期監控檢查孔網是否暢通(當心部芯砂固化不良時易將孔網堵塞)。 c、對砂芯砂性能要綜合考慮，不能片面追求強度。當強度太高時，勢必要增大樹脂用量，從而使芯砂發氣量太高；而當水套芯的結構比較復雜纖薄砂厚不均勻，且又能開出排氣孔網時，就要求砂芯有較高的強度，即使發氣量大些也無妨。 d、當水套芯有排氣孔網時，涂料要有較好的屏蔽性；當水套芯截面不便設置排氣孔網時，涂料要有較好的透氣性，這時砂的粒度也應更粗些。 e、當水套芯布有排氣孔網，且使用屏蔽性涂料時，在浸涂時要防止涂料液進入排氣孔網，更要注意封火措施(可使用封火

6、墊片材料)，以免澆注時鐵水進人排氣孔網，把排氣道堵死； f、涂料的發氣量要低，且施涂后一定要充分干燥。 一個成熟的水套芯工藝，可以將缸筒加工后內表面的氣孔廢品率控制在3o，甚至更低。與缸體水套芯相類似，對缸體的油道芯、挺桿腔砂芯以及缸蓋的水套芯，其工藝方法、工藝措施也可仿照缸體水套芯的工藝思路來考慮。 2 砂眼 砂眼也是汽缸體(汽缸蓋)鑄件的常見缺陷，多見于鑄件的上型面，也有在缸筒內表面經加工后暴露出來的。 2.1原因 2.1.1 澆注系統設計不合理。 2.1.2 型砂系統管理不善，型砂性能欠佳。 2.1.3 型腔不潔凈。 2.1.4 砂芯表面狀況不良或是施涂與干燥不當。 2.2 對策 2.2

7、.1 就澆注系統設置方面來說，為避免或減少砂眼缺陷，應注意以下事項： a、要有合理的澆注速度。截面太小，則澆注速度太慢，鐵液上升速度太慢，上型受鐵液高溫烘烤時間長，容易使型砂爆裂，嚴重時會成片狀脫落。澆注系統的比例，應使鐵液能平穩注人，不得形成紊流或噴射。 b、盡量使鐵液流經的整個通道在砂芯內生成，通常坭芯砂(熱法覆膜砂或冷芯砂)較之外模粘土砂更耐高溫鐵液沖刷。而直澆道難以避免設置在外模的粘土砂砂型中通過，這時可在直澆口與橫澆口搭接處設置過濾器(最好是泡沫陶瓷質)，可以將鐵液在直澆道內可能沖刷下來的散砂和鐵液夾渣加以過濾，從而可減少砂眼和渣眼。 c、澆道是變截面的，因此變截面處應盡可能圓滑光潔

8、，避免形成易被鐵液沖垮的尖角砂。 d、澆道的截面比例宜采用半封閉半開放型式，以降低鐵液進入型腔時的流速與沖擊，而內澆道位置應盡可能避免直接沖擊型壁和型芯，且呈擴張形為好。 2.2.2 為防止鑄件的砂眼缺陷，型砂方面的主要措施是： a、是控制型砂中的微粉含量。型砂在反復使用中，微粉含量會越來越高，這會降低型砂的濕壓強度，水分及緊實率則會提高，使型砂發脆。 b、澆注時砂芯潰散后混入舊砂，未燃盡的殘留樹脂膜，會使型砂的韌性變差，產生砂眼的可能性也增大。為此需要改善型砂的表面穩定性，降低脆性、提高韌性，方法是在型砂中添加適當的曠淀粉，也有的改用FS粉，均可取得良好的效果，也可以在型腔表面施表面安定劑(

9、噴灑)。 2.2.3 在造型、翻箱，特別是下芯、合箱等各環節容易將砂粒掉人型腔，而又未能清理干凈，極易造成鑄件砂眼缺陷。為此，一是要選取恰當的芯頭間隙和斜度并保證下芯和合箱的工裝精度，以免碰壞砂型或損壞型芯而將砂粒散落在型腔內；二是合箱前清理干凈型內可能掉人的砂粒(抽吸法好于吹出法)。 2.2.4 不能忽視的是，砂芯的飛邊毛刺要清理干凈，上涂烘干后待用的砂芯表面的砂?；覊m也要吹凈，否則容易被鐵水沖刷并富集在鑄件某處形成砂眼。同時，需要強調的是，砂芯上涂不能太厚，尤其是當工藝要求個別砂芯的個別部位或全部兩次浸滲涂料時，涂料不能太厚，且須等第一次上涂干燥到一定程度后才能上涂第二層，否則澆注時過厚的

10、涂料會爆裂而形成夾砂(渣)。 3脈紋(飛翅) 通常在鑄件的內表面或熱節部位，如缸體缸蓋的水套腔內，或是進排氣道內，由于澆注時高溫鐵液的作用，使砂芯硅砂發生相變膨脹引起砂芯表面產生裂縫，液體金屬滲入其中，從而導致鑄件形成飛翅狀凸起的缺陷，即“脈紋”。脈紋一旦出現，難以清理。當水套腔內有脈紋時，輕者會影響內腔的清潔度，重者會影響冷卻水的流量，從而降低對發動機的冷卻效果，甚至會引起“燒缸”、“拉缸”嚴重后果；當氣道內出現脈紋時，會影響氣道渦流特性，最終影響發動機的整機工作性能。 生產實踐表明，冷芯工藝產生脈紋的傾向要稍大于殼芯產生脈紋的傾向。 3.1原因 3.1.1如上所述，產生脈紋的根本原因是高溫

11、鐵液作用于砂芯引起硅砂的膨脹裂紋。 3.1.2砂芯材料不具備低膨脹的性能，或者其自身不能吸收這種受熱產生的膨脹。 3.1.3砂芯的韌性或高溫強度不足以克服膨脹應力導致產生裂紋。 3.1.4所用涂料不能抵御砂芯在高溫下產生膨脹裂紋。 3.1.5鐵液未能在砂芯產生裂紋前凝固結殼，從而預防脈紋產生。 3.2 對策 針對3.1所列產生脈紋的原因(或者說脈紋形成的機理)，顯然應采取如下措施： 3.2.1 在保證能得到健全鑄件而又不產生氣孔等缺陷的鐵液充型溫度下，盡可能采取較低的澆注溫度以減輕砂芯受熱膨脹的程度；同時采用較快的澆注速度，以避免砂芯長時間受到高溫烘烤可能產生的膨脹裂紋。 3.2.2 用于易產

12、生脈紋砂芯(如水套芯、進排氣道芯)的芯砂原砂預先進行消除相變膨脹處理，或者在砂芯材料中添加一些輔助材料，降低砂芯材料的熱膨脹率；再就是原砂的顆粒組成以三篩或四篩級配，以求砂芯材料能自身吸收膨脹變形。 3.2.3 必要時，在砂芯材料中使用一定比例的非石英系列砂(如橄欖石砂、鋯英砂等)，第一它們的膨脹率極小，第二其導熱性好，使鐵液結殼時間早于砂芯相變膨脹開裂時間。 3.2.4 提高砂芯材料的韌性和高溫強度。 3.2.5 使用強度、韌性優良，且導熱性能好的燒結型涂料，以增強砂芯表面抗膨脹裂紋的能力。 以上這些措施既適用于冷芯砂，也適用于熱法覆膜砂(殼型砂)。由此看出，預防或減少脈紋缺陷的主要措施是改

13、善砂芯膨脹性能。 4 清潔度 現代發動機對清潔度的要求十分苛刻。對汽缸體(汽缸蓋)鑄件而言，水腔、油腔、挺桿室等部位允許殘留的砂粒和異物，僅限為數克(g)以內。許多企業盡管采取了二次拋丸、強力拋丸，甚至引進了先進的拋丸設備，如鼠籠或機械手拋丸，要完全達到內腔清潔度要求，仍然較為困難，無論是殼芯或冷芯，情形均一樣。 4.1 原因 清潔度達不到要求，從根本上來說是由于鑄件結構方面的原因，上述各腔在拋丸時，因為出砂孔眼少而?。昏F丸所能投射進去的量有限，所以內腔的光潔度與清潔程度均不及鑄件的外表面，也不及曲軸箱和缸筒面等部位。在不能改變鑄件結構的情況下，只能查找影響清潔度其他方面的原因。 4.1.1

14、砂芯表面狀況不良，如充填不緊實；砂芯表面粗糙；粘模等。 4.1.2 施涂不當，如涂料性能差，玻美度不合適，涂層厚度不夠等。 4.1.3 現有強力拋丸裝置對鑄件大部分內外表面都能清理得很干凈，但對狹窄復雜的水腔、油腔仍顯不足。 4.2 對策 4.2.1 改善和提高砂芯表面質量狀況，如選用流動性好的制芯材料(安息角d9e)；合理設置排氣塞并加以維護使其暢通；施用品質好的脫模劑防止粘模等，這些措施的目的是得到表面緊實致密的砂芯。 4.2.2 通常都要對坭芯施以涂料層。涂料玻美度要合適；涂料要有較強的滲透性；涂料層要有一定厚度(一般要達0.2mm)，涂層干燥后不能顯見砂粒為宜；選用的涂料防粘砂性能優良

15、，在澆注溫度下能在鑄件表面形成一低熔點的燒結層，而且在鑄件冷卻過程中因收縮率的不同能自動剝離下來。 4.2.3 如3.0所述，要努力避免防止脈紋缺陷的產生。一旦出現脈紋，鑄件的內腔清潔度情況，就更加惡化。有關措施參見3.2。 4.2.4 對鑄件內腔清理，國內外的主流工藝方法是采用強力機械拋丸的方式，其型式有鼠籠拋丸，機械手夾持拋丸等。對這類拋丸設備，要維護達到額定拋丸電流值，要調整最佳拋射角度，對后一種拋丸型式，還可對難以清理的內腔將程序設置在最佳人射角度時適當延長拋射時間。 此外，還有以下幾種改善和提高內腔清潔度的手段： a、電液壓清理，其原理是將待清理鑄件置于水池中，在高能量放電過程中，所

16、產生的高壓沖擊波將粘附在鑄件上的砂粒振擊脫落。理論上說水能浸入的孔腔內，其粘砂均能清理干凈，但這種方法占地面積大、耗能高、流程長(尚要倒空內腔積水并烘干水跡)、維護量大，也有一定的安全問題。 b、先將鑄件置于爐內焙燒，再進行拋丸。這種方法提高鑄件清潔度的效果還是很明顯的，但同樣是能耗較高、周期長，如以煤炭作加熱爐燃料，則作業環境較差。 c、有的廠家除采用強力拋丸以外，還針對水道腔或油道腔進行噴丸清理。這種方法對提高內腔清潔度最有效，所能達到的清潔度水平最高，但目前僅有此類通用單機產品，尚需人工握持噴丸頭伸進密封的工作室對準有關出砂孔噴射，勞動強度大、環境惡劣。期待著專用的自動噴丸設備在汽缸體(

17、汽缸蓋)清理生產線上應用。 5 滲漏 滲漏是指汽缸體(汽缸蓋)在壓力試驗(水壓氣壓)時的泄漏現象，多發生在汽缸體(或汽缸蓋)的水套腔或是油道腔。 引起滲漏的原因有夾雜和疏松兩大類(機械損傷或鑄造裂紋引起的曲軸箱滲漏的情況極少，在此不加論述)。 5.1 夾雜引起的滲漏 5.1.1 原因 (1)砂芯在修芯時未清除飛邊、毛刺，或砂芯上有松散粘附的大小不一的砂粒、砂團未清除干凈，致使澆注時被鐵液沖刷下來并飄浮富集在水套壁或油道壁，形成夾砂(砂眼)，使腔壁貫通滲漏。 (2)組合好的砂芯被粉塵砂粒污染或型腔內不慎掉人散砂，沒有清理干凈，也會形成砂眼使腔壁貫通而滲漏。 (3)鐵液不純凈，而澆道內又無過濾措施

18、或攔渣效果差，使鐵液中的夾渣進入型腔，使水腔或油腔的腔壁形成貫通性的渣孔而滲漏。 5.1.2 對策 (1)認真清除砂芯的飛邊毛刺，并清除坭芯上附著的砂粒砂團，避免在水腔油腔壁上可能形成的砂眼。 (2)吹凈砂粒與粉塵污染的組合好的砂芯組，清理掉人型腔的砂粒。 (3)直澆道設置高效的過濾器，橫澆道應有良好的攔渣功能，并做好鐵液凈化工作(造渣、除渣)，以防腔壁上產生渣眼。 5.2 縮松引起的滲漏 這種滲漏常發生在水腔(油腔)或噴油嘴等熱節部位。 5.2.1 原因 (1)鐵液成分不恰當，SiC過高，石墨片粗大，組織疏松。 (2)孕育過量，致使共晶團數量過多，微晶間隙難以補縮致密。 5.2.2 對策 (

19、1)在規定的碳當量保持不變的前提下，限制SiC在0.50.6之間。 (2)不得孕育過量，較有效的措施是采用SiSr(含鍶)孕育劑，其石墨化能力極強，用量僅FeSi孕育劑的50，既可充分孕育消除截面敏感性，又可避免產生過多數量的共晶團。 (3)在易產生縮松的熱節部位，局部刷除碲粉醇基涂料，增加該部位的冷卻能力，防止產生縮松。有報道稱，含Pb量達0.0008，即可造成縮松滲漏，須注意使用的爐料中有否鍍Pb材料，或須先行除去鍍層。此外影響縮松滲漏的微量元素還有Ti、A1等，它們都會增加鐵液的收縮傾向，要嚴格控制。 6 材質性能方面的缺陷 縱觀國內外發動機技術發展趨勢；都在追求減薄鑄件壁厚，從而減輕鑄

20、件乃至整機重量，達到降低油耗的目的。目前發動機單位功率的缸體缸蓋重量達到1.8kgkw左右，相應的鑄件主要壁厚僅3.5mm左右，這就對鑄件的材質性能提出了很高要求。概括起來說，主要為： a、干型單鑄試棒的抗拉強度b250MPa，指定本體部位的抗拉強度b200MPa； b、鑄件指定部位的硬度在180HB以上，鑄件厚薄斷面的硬度差在30HB以下； c、鑄件本體的主要部位珠光體含量在90以上，石墨形態應大部分為A型，允許表面有少量B、D型，石墨最大長度應在2501xm以下。盡管我國大多數專業發動機鑄件生產廠家，通過技術改造和技術引進，達到了現代生產條件，但也經常出現達不到上述材質要求方面的缺陷。 6

21、.1原因 6.1.1 鐵液熔煉溫度偏低，過冷度小，使得后續的孕育強化效果差。 6.1.2 爐料(金屬爐料與非金屬爐料)質量差，微量元素及非金屬夾雜物含量高。 6.1.3 合金化措施不當(或合金元素選擇不當，或合金加入量不當，或合金化方法不當)。 6.1.4 孕育措施不當(孕育劑成分、孕育劑形態、孕育量、孕育方法等)。 6.1.5 在保溫爐內處置不當(如頻繁且大幅度調整化學成分，使鐵液在爐內保溫時間過長，元素變化大)，成分控制精度差。 6.2 對策 6.2.1 提高熔煉溫度以提高鐵液的穩定性，增加其過冷傾向，消除原材料的“遺傳性”；并保證出鐵溫度大于1480，以確保初始澆注溫度達到1450，而終

22、了澆注溫度達1400。 6.2.2 加強沖天爐控制，使之爐況穩定，從而保證進入保溫電爐的鐵液成分穩定(減少成份燒損的波動)。這樣可減少電爐內成分調整所需的時間，以免增加鐵液的收縮傾向和白口傾向。 6.2.3 保溫電爐內不得已需要增C操作時，一要選擇吸收率高的增碳劑，二要保證有充分電磁攪拌和充分吸收的時間，否則所取鐵水樣不能反應整個熔體真實含C量，導致實際碳當量發生偏差。 6.2.4 減少碳當量的波動，提高成份控制精度，要求求GE0.05，ASi0.1。 6.2.5 對于形狀復雜、薄壁高強度的缸體、缸蓋類鑄件的鐵液，既要有高強度，也要有良好的鑄造性能。為此通常其成份設計為高碳當量(3.9-4，1

23、)，使其具有良好的鑄造性能，而為了達到較高的力學性能，則采用低合金化措施。 a、根據我國資源情況以及多數企業的經驗與習慣，多采用Cr、Cu等合金元素，有利于增加并細化和穩定珠光體，改善石墨形態，從而得到較高的力學性能。 b、合金的加入量必須加以控制。Cr是一種促進形成并穩定珠光體的元素，且能細化珠光體，因而能顯著提高灰鑄鐵的強度；然而Cr與C又有較強的親和力，是一種強碳化物元素，這就會增加鐵液的白口化傾向；同時Cr元素還會降低鑄鐵的共晶凝固溫度，使鐵液的凝固溫度范圍擴大，因此加大了灰鑄鐵的縮松、縮孔傾向，降低鑄件的致密性，這就可能影響Cr對灰鐵的強化作用。當Cr是在0.2-0.3范圍時，則能避

24、害趨利。 同樣，Cu也是促進并穩定和細化珠光體的元素，Cu又是促進石墨化的元素，這就可以抵消Cr增大白口傾向的不利影響。Cu的適宜加入量為0.40.5。 由此，推薦Cr與Cu組合使用，會取得更好的效果，既保證了良好的鑄造性能，又提高了鑄鐵的力學性能。 這里需要指出的是，由于Cr、Cu元素的作用，增加珠光體并穩定和細化珠光體成片間距很小的層片狀組織，改善石墨形態(呈A型)、分布與大小，因此缸體、缸蓋在熱交變應力作用下抵抗熱疲勞產生裂紋的能力也得到提高(即具有好的熱穩定性)。 6.2.6 采取恰當的孕育處理，可以提高缸體、缸蓋鑄件的材質強度，特別是提高其硬度和顯微組織的均勻性，改善厚薄截面的敏感性

25、，使得硬度差在30HB以內，并具有良好的切削加工性。這里恰當的孕育處理包括： a、選用合適的孕育劑。在眾多孕育劑中，含Ba、Ca、Sr(鍶)等元素的孕育劑，不僅有很好的抗孕育衰退作用，且具有強烈的石墨化作用，可顯著改善鑄件截面敏感性，避免鑄件在最小壁厚處的白口傾向，且顯微組織也更加均勻。 b、合適的孕育方法，在包內孕育、喂絲孕育、型內孕育、隨流孕育等方法中，以隨流孕育最簡便，最適宜于大批量流水生產，效果也最好。推薦粒度為0.5-1.0mm，加入量為0.10.2。 c、需要指出的是，BaSi孕育劑會使鑄件硬度偏低，可加人微量Sn(0。040.06)或Sb(銻)(0.02)，可彌補硬度偏低的不足。

26、 6.2.7 嚴格控制爐料，標準是(1)微量元素低；(2)潔凈；(3)嚴禁混人合金元素。 7 收縮 汽缸體(汽缸蓋)鑄件結構復雜，壁厚差別較大。園弧曲面凸起的厚大部位，大批量流水生產時，工藝上又不便采取冒口補縮之類的措施。當其他工藝處置不當時，這些厚大熱節處往往會產生集中收縮，嚴重時會產生較深的縮裂缺陷。 7.1 原因 7.1.1 上述部位的根部，時有造型充填不緊實，該部位鑄型硬度剛度不足的情形。當鐵液凝固石墨化膨脹時，發生型壁位移。 7.1.2 澆注溫度偏高 7.1.3 鑄液收縮傾向較大 7.2 對策 7.2.1提高型砂的流動性，控制合適的型砂緊實率，對氣沖造型或氣流預緊實的造型方法，模型相

27、應部位增加排氣塞，采取這些措施后，可提高缺陷發生部位的鑄型硬度剛度，使高碳當量鐵液凝固時不會因為石墨化膨脹產生型壁位移，從而能實現無冒口自補縮。 7.2.2在滿足充型要求，不得產生氣孔等缺陷的情況下，切勿盲目提高澆注溫度。(澆注溫度太高，還會引起跑火漏箱和粘砂等缺陷) 7.2.3保證鐵液有良好的鑄造性能，尤其要防止鐵液的白口傾向和收縮傾向。 a)要精確控制碳當量(3.94.1)，低于下限時，則鐵液的收縮傾向加大，在前述部位出現縮孔缺陷的可能性就增大。 b)對高碳當量鐵液低合金化處理時，要控制可能由此引起收縮增大的傾向。一些增大灰鐵白口傾向、收縮傾向的合金元素，要嚴格用量。如前述Cr，會降低共晶溫度擴