姜建光，厉运杰，孙志扬，王传伟，鲍俊敏，王新慧，张其昌，张 杰

（潍柴（潍坊）材料成型制造中心有限公司，山东 潍坊 261199）

气缸体是高速柴油机中结构比较复杂、机械性能要求很高的铸件，对铸造工艺的要求比较高。本文对灰铸铁气缸体铸件在生产过程中的裂隙状气孔缺陷的特征及产生原因进行了分析，并结合实际生产探寻了改进措施，为后续高牌号灰铸铁气缸体裂隙状缺陷的预防与解决提供借鉴。

1 裂隙状缺陷的特征

本文介绍的是一种灰铸铁气缸体铸件产生的缺陷，其铸件尺寸为915 mm×617 mm×497 mm，造型线采用气流预紧实加压实造型，全部采用冷芯盒树脂砂制芯工艺，砂芯重280 kg，砂芯表面浸涂水基涂料，熔炼采用冲天炉—感应电炉双联熔炼组合工艺，浇注系统采用底注与中注相结合的工艺。

裂隙状缺陷产生在气缸体铸件油道部位，位于铸件的上箱，铸件加工后才能发现，不合格率高，严重影响了铸件质量。此缺陷为孔洞类缺陷，呈裂隙状，局部疏松，垂直于铸件表面，且出现在离铸件表面3 mm～10 mm 处，与缩松、缩孔缺陷特征极其相似，如图1 所示。笔者起初也认为是缩松缺陷，通过采用增大气眼针冒口提高补缩效果，但结果不理想。

图1 裂隙状氮气孔缺陷

为进一步确定缺陷的类型与形成原因，对缺陷区域进行了电镜扫描，如图2 所示。通过扫描结果可见，无明显的树状晶，缺陷表面有一层碳膜，而通常缩孔的扫描形态如图3 所示，其电镜扫描形态区别于缩松缺陷。灰铸铁氮气孔通常为裂隙状，区别于滴水状、椭圆状等常见的缩松缺陷形态，常见于高牌号灰铸铁铸件的边角和厚大部位[1]。结合扫描形态及宏观特征分析结果，认为此缺陷为裂隙状氮气孔。

图2 裂隙状氮气孔缺陷扫描

图3 常见缩松缺陷扫描状态

2 缺陷产生机理

氮气在灰铸铁的铁液中的溶解度为150 ppm，一般不会出现裂隙状氮气孔缺陷。而氮的化合物在高温作用下会分解出游离的氮原子，会大量溶于铁液，溶解度会随铁液温度升高而增大。当铁液冷却凝固时，温度的降低使得铁液中氮的溶解度减小，在铁液凝固时氮原子结合并以氮气泡的形式析出，当氮气析出的压力大于气泡外压力时，析出初期会向外逃逸，在凝固后期，枝晶的隔离作用导致氮气无法排出从而形成裂隙状氮气孔。在铸件冷却凝固过程中只有氮气析出的分压力大于气泡外压力时，氮才会从液体中析出形成气泡，当来不及排出型腔时最终形成氮气孔[2]。而在铸件生产过程中，氮原子的来源比较广泛，如砂芯中的树脂遇高温铁水会分解出氮原子、以及冲天炉熔炼的原材料废钢也是氮的主要来源。

3 改进措施

基于裂隙状氮气孔产生的机理，氮气孔是由于氮原子在铁液中的含量超过溶解度，且氮气析出的压力大于气泡外压力造成，因此考虑从减少氮来源、阻止氮气泡长大两个方面进行改进。

3.1 熔炼工艺的影响

本铸件在两个不同车间生产，不同车间此缺陷的不合格率相差较大，A 车间采用冲天炉熔炼，B车间采用电炉熔炼，其中A 车间生产铸件氮气孔的概率明显高于B 车间生产铸件，对两种熔炼方式铁水的氮含量采用氮氧分析仪每天取样进行对比，冲天炉熔炼铁水氮含量较电炉熔炼高，如图4 所示。因此也验证了此缺陷与氮含量高有关，通过分析主要是两种熔炼方式的废钢含氮量不同造成。而且高牌号灰铸铁因废钢加入比例要高于普通灰铁，所以更易产生裂隙状氮气孔。

图4 冲天炉熔炼与电炉熔炼铁水氮含量对比（ppm）

灰铸铁中适量的N 可以改善石墨形态，促进基体的珠光体化，因而能提高抗拉强度。但是灰铸铁中N 含量过高则会引起氮气孔缺陷。因此生产过程中要对铁水氮含量进行监控，如图5 所示。当氮含量超过100 ppm 时，产生氮气孔倾向增加，及时调整废钢加入量，将铁水氮含量控制在100 ppm 以下。

图5 铁水氮含量监控图

孕育剂能够促进石墨化，减少白口倾向，改善石墨形态和分布状况，增加共晶团数量细化基体组织。理论上，使用含锆的硅锆孕育剂，金属Zr 与N在1 100 ℃～1 200 ℃的温度下进行直接氮化，形成稳定的化合物ZrN，降低铁液中游离N 的含量。分别在两个车间同条件下验证使用硅锆孕育剂，与正常工艺对比发现对于裂隙状气孔影响不明显，不合格率变化不大，如表1 所示。

表1 孕育剂验证

3.2 树脂加入量的影响

本文所述气缸体采用潮模砂、冷芯工艺。砂芯主要用于形成气缸体的内孔、腔，砂芯重达235 kg.树脂是砂芯的主要黏结剂，在砂芯中的质量占比达1%以上，树脂中的聚异氰酸酯等合成树脂的基本化合物为NCO，N 原子与C 原子的结合力差，在铁液浇注时，受高温分解形成分子态的氮，当在铁液中过饱和时，会形成以N2或H2为核心的气孔。图6 为验证砂芯不同树脂加入量与缺陷的关系，发现裂隙状气孔出现数量随着树脂加入量的增高有明显的上升趋势，如图6 所示。

图6 砂芯不同树脂加入量下铸件裂隙状气孔率

3.3 铸件结构的影响

壁厚会影响铸件冷却速度，薄壁铸件凝固区域窄，易产生粗大枝晶，隔离液体形成孤立的液相区的倾向小，冷却速度快。氮气泡来不及聚积长大故不易形成裂隙状气孔缺陷，当铸件壁厚较大时铸件表面冷速较快较易形成枝晶，内部冷速较慢，气泡易于扩散聚积并长大[3]，且逃逸通道被封闭最终形成皮下裂隙状气孔缺陷。

采用下芯工艺，减小铸造热节，即在上砂型主油道进油孔处下油道芯。砂芯制造使用铬矿砂制芯工艺，中部增加冷铁柱，促进快速冷却、实现均衡凝固。试验表明砂芯内加冷铁的工艺对于降低裂隙状气孔效果明显。

通过此措施的实施气缸体裂隙状气孔不合格率降低至0.46%，如图7 所示。

图7 改进效果

4 结论

裂隙状气孔在灰铸铁中是一种常见缺陷，其产生机理是氮气饱和度高于溶解度并析出造成，实践证明采取以下措施可以有效降低此缺陷的产生：

（1）熔炼工艺方面，控制铁水中氮质量分数在100 ppm 以下，可有效减少裂隙状气孔的产生；添加硅锆孕育剂对此缺陷效果不明显；

（2）适当降低砂芯树脂含量可减少裂隙状气孔的产生，当树脂单组分加入量为0.75%时，效果较好；

（3）通过改进铸件结构，尽量减少局部厚大部位，减少热节倾向，也可以减少裂隙状气孔的产生。