发动机缸体顶面渣孔分析与改进措施

何宗南，曾华宾，唐丽巧，魏五洲

（柳州五菱柳机动力有限公司，广西 柳州545005）

0 前言

缸体作为发动机3C件（China Compulsory Certification即强制性认证产品）之一，其铸造生产是一个工艺复杂，生产环节多的过程，B15缸体（牌号为HT250合金铸铁）作为汽油发动机缸体是我公司生产的主要产品，属于薄壁、复杂、高强度的箱体式铸件。铸件毛坯重约42 kg，最大外形尺寸为358 mm×250 mm×360 mm，最小壁厚3.5 mm。笔者公司发动机缸体缺陷区域主要位于顶面，且多数是在客户加工完才显现，处于皮下，比例较高，客户对此严重抱怨。

我司发动机缸体的主要造型及熔炼设备如下：

1）造型设备：采用意大利SAVELLI公司双面压实静压水平有箱造型线，一型四件，相互交错布置，采用湿型黏土砂造型，砂芯采用覆膜砂热芯盒制作。

2）熔炼设备：熔炼设备为4台6 t中频感应电炉，熔炼一炉铁液时间约为60 min，一炉铁液分包出水，每包约1 600 kg，浇注采用保温浇注，浇注一箱铸件时间约为10 s～13 s，浇注温度为1 410～1 440℃，采用包内孕育和随流孕育。

我司发动机缸体的浇注系统设计思路如下：采用两级直浇道、横浇道，第二级直浇道、横浇道、内浇道在缸筒芯、端面芯、油道芯上形成，缸筒芯直浇道开始处放置过滤网，内浇道设置在缸筒芯底部，两侧各有一处由端面芯形成的浇口，浇注系统为底注式，为半封闭半开放式。

针对发动机缸体在集中区域出现的缺陷，本文通过对铸件缺陷描点、分布区域特征分类，采用显微观察定性，电镜能谱定量分析确认缺陷类型，分析缺陷产生机理及影响因素，通过提升铁液纯净度，优化溢流冒口设计，改善浇注系统等措施，有效地降低缸体顶面缺陷率，为分析、降低缸体集中区域缺陷提供了解决思路。

1 缺陷分析

1.1 缺陷情况简介

客户要求缸体铸件表面及客户机加工后要求不能有砂孔、渣孔、气孔等铸造缺陷，但缸体铸造缺陷类型较多，如砂孔、气孔、冷隔、砂芯断等，有时候铸造缺陷的出现在表皮，但有时候也会隐藏在皮下，在客户机加工完后才显现[1-2]，如我公司生产的缸体顶面渣孔缺陷就属于这种情况，该区域缺陷很少出现的铸件表面，在客户端加工后，缺陷开始显现，如下图1所示，顶面渣孔缺陷率高达5.31%，占总料废的比重为71%，为主要分布区域，实物缺陷如图1所示。

图1 典型顶面渣孔缺陷

1.2 缺陷位置分布分析

顶面渣孔缺陷，大部分处于铸件工艺结构分型面的上型侧，铸件分型示意图如图2所示，通过对顶面缺陷数分布具体位置进行坐标对应，结果如图3所示（将铸件顶面区域实行网格划分，d1～d6表示划分的网格代号；并将每一件故障件缺陷位置与网格对应，统计各个网格中缺陷数量，网格中标示的数字代表该区域发生的缺陷样本数，数字越大，表示该区域发生缺陷越集中），缺陷分布在分型面以上，主要处于缸孔的上方、水道芯脚位置附近。

图2 铸件分型示意图

图3 顶面缺陷分布缺陷数

1.3 缺陷显微、能谱分析

（1）显微分析：取典型顶面缺陷样件，使用德国徕卡倒置金相显微镜，型号为DMI3000M观察，形貌如下图4所示，缺陷位置下凹，局部孔洞位置较光滑，其连接区域无明显规则、深度较浅，孔洞内有光泽和色彩，有类似渣孔特征，从显微特征分析，基本确定其为渣孔。

图4 典型缺陷显微镜100倍形貌

（2）电镜、能谱分析（如图 5）：使用 JSM-5610LV扫描电镜和EDAX能谱仪分析发现缺陷区域缺陷特征：内壁明显氧化，局部深凹、光滑，其他区域较粗糙、不规则、较浅，有类似渣粒的残留物质，分析其主要元素为 O、Al、Si、Mn、Ca，并且其中 O 元素含量很高，说明该缺陷中含有氧化夹杂物。

图5 典型缺陷电镜分析形貌及定量分析结果1

通过对缺陷样块宏观表面、显微镜微观观察，电镜、能谱分析缺陷组分，确认了缺陷类型为渣孔。

2 缺陷产生原因分析及对策

2.1 渣孔缺陷成因分析

渣孔缺陷属于夹杂类缺陷，而夹杂类缺陷来源大致可分为内生夹杂物和外来夹杂物。铁液中本身含有的熔渣等夹杂属于外来夹杂物，而孕育或浇注时生产的氧化夹杂物属于内生夹杂物[3]。

2.2 铁液的纯净度

（1）熔炼除渣：铁液熔炼完成后，要在中频炉中撒除渣剂进行炉内扒渣，一般进行2次左右扒渣，若渣过多，则需增加扒渣次数，需保证在出铁液前炉内液面干净，扒渣后要升温静置。

（2）铁液中转扒渣：笔者公司使用1.6 t茶壶包从中频炉转运铁液至保温浇注炉，每炉铁液分4次转运，每次转运时，需撒除渣剂进行二次除渣，保证铁液的纯净度，中转茶壶包需要定期清理包壁残渣，减少转运过程将残渣带入铁液中。

2.3 顶面溢流设计

顶面的溢流冒口设计较小，冒口与本体搭接较低，且冒口上未设置通气孔，导致排渣溢渣能力较弱、排气效果较差。

2.4 浇注系统

该铸件采用底注式浇注系统，第一级直浇道截面相对较小，第一级横浇道相对比较封闭，铁液不能快速充满，铁液在第一横浇道会产生涡流及高速紊流区，易引起渣，砂和氧化夹杂物的聚集，内浇口比较开放，弱化对铁液的挡渣能力，当铁液紊流程度增加时，铁液中的夹渣上浮的阻力增大[3]，细小的渣粒或者夹杂物随铁液进入型腔，滞留在铸件的上型顶面区域，从而导致渣孔集中出现，造成加工废品。

3 改进措施及效果

3.1 改善铁液纯净度

（1）明确铁液熔炼完后静置升温温度及静置时间要求

升温要求为1 520～1 530℃后断电静置处理，让细小的熔渣能够与铁液分析并上浮，静置时间要求为大于10 min，除掉浮出的细渣。此外，规定熔炼完调整成分时加入预处理剂、增碳剂、合金以及生铁和废钢等材料时，同样需要升温至1 520～1 530℃后断电静置处理，静置超过10 min后方可出铁水。

（2）增加保温浇注炉除渣

保温浇注炉每次进水后或者停线超过30 min不浇注时，需要将塞杆及进出水口铁液表面的浮渣清除干净；浇注过程中不允许清理出水槽浮渣，若需清理，必须停止浇注，待清理干净后再恢复浇注。

每班开始浇注前将水槽和浮子表面的渣清除干净，每一个月进行一次炉内除渣，将保温炉内部的渣清除干净。

3.2 优化顶面溢流冒口设计

（1）增加顶面溢流冒口与本体的搭接高度，如图6所示，则铁液中渣、夹杂溢流通道增加，使其更易排出至溢流冒口，减少残留在本体的概率。

图6 顶面冒口搭接形状、高度变化图

（2）在冒口上设计通气孔、并扎穿，使其与大气相通，增加排气、排渣虹吸力；加大冒口体积，增加溢渣能力，并加宽冒口与本体的连接宽度，如图7所示。

图7 增大冒口体积及加宽冒口与本体的连接宽度

3.3 改善浇注系统

在铸造工艺设计上，一个好的浇注系统，浇注比较顺畅、补缩设计合理，金属液充型平稳、无明显飞溅、紊流，挡渣、阻渣效果好，铁液的氧化和卷气少，现用浇注系统采用封闭式，但一级阻流较小，内浇口过于封闭，充型能力及排渣溢渣能力不足，铁液中的渣不能及时有效的排除，形成渣气孔。

（1）直浇道

增加一级直浇道直径，增大其阻流截面积，阻流截面积加大50 mm2，并加装固定铣浇口杯装置，使其与一级直浇道搭接稳定，并确保一级直浇道阻流截面积一致性较好；在直浇道末端增大直浇道窝，这样可以将铁液下落时产生的部分动能转化，当铁液进入横浇道时就比较平稳，减轻对底部的冲刷，也缩短了横浇道的紊流区，有利于阻渣、减少卷气、氧化夹杂的产生。

（2）横浇道

横浇道又被称之为阻渣道，是浇注系统的主要挡渣、阻渣浇道，在横浇道的末端加大集渣包，可以使铁液流速下降，使小密度的细渣上升并留在集渣包内；同时增加一级横浇道截面积（加大40 mm2），使阻流浇注单元及时建立充型压力头，保证充型能力。

（3）内浇道

内浇道的设计需注意铁液进入型腔有无喷射，飞溅和紊流现象，保证铁液快速充型、便于排气和除渣[3]，从内浇道的设计上考虑，内浇道不宜过大，尤其不能过后，尽量考虑往偏薄方向设计，这样可以提高横浇道的阻渣效果，降低型腔进入初期渣概率，因此，通过减薄内浇口，微调内浇口截面积（内浇口减小30 mm2），提高内浇口浮渣/挡渣能力。

图8 改善后的浇注系统示意图

3.4 改进效果

通过改善铁液纯净度、优化顶面溢流冒口设计，改善浇注系统（如图8），提高了铁液的纯净度，浇注系统的改善，改变了型腔内铁液的流场及温度场分布，适当提高直浇道、横浇道的铁水进入量，将内浇道减薄、截面积减少，铁液对于型腔的冲刷小，充型平稳，减少了浇注过程中产生的二次渣，通过增加充型能力，提高了排渣、溢渣能力，将渣溢出至溢流通道，而溢流冒口的增大、搭接口加深、加宽，也增加了溢渣排气的能力，减少渣、氧化夹杂物在顶面的聚集，从而可以有效的降低渣孔的产生。

改善后，加工验证8600件，总料废率为2.3%，其中顶面渣孔缺陷比例由改进前的5.31%下降至0.52%，下降幅度达到90%，有相当明显的效果，后续加工持续稳定在这个料废水平，满足了客户的要求，极大地提升了质量水平，也产生了巨大的经济效益，赢得了客户的信赖。

4 结论

综上所述，通过改善铁液纯净度，优化顶面溢流冒口设计，改善浇注系统中的阻流单元截面积，使其充型更加平稳、在浇注初期能够快速建立压头，有效地提升了排渣溢渣能力，可以明显降低顶面的渣孔，满足客户的要求，并稳定在可控水平，提升了产品的品质，为公司带来了巨大的经济效益，实践证明，浇注系统及溢流方式的设计，必须根据产品的实际情况进行优化调整，使其与产线设备状态，产品结构特征等符合，才能达到较高的良品率，做到质量水平的稳定。