铁型覆砂球墨铸铁曲轴夹渣缺陷原因分析及措施

2021-12-29王旭东黄健强

铸造设备与工艺 2021年5期

王旭东，黄健强

（山西东鑫衡隆机械制造股份有限公司，山西侯马 043000）

曲轴作为发动机的核心部件之一，在工作过程中主要承受弯曲、扭转载荷，其主要失效形式为弯曲和扭转疲劳断裂。根据其功能和工作条件，要求曲轴具有较高的刚性和疲劳强度以及良好的耐磨性。铁型覆砂铸造工艺具有冷却速度快、铸型刚度好等特点，生产球墨铸铁时能够促进珠光体生成和细化晶粒，充分利用石墨化膨胀实现自补缩，从而获得组织致密的高强度、高韧性铸件。因此，铁型覆砂工艺是生产球墨铸铁曲轴的一种比较理想的铸造生产工艺。

夹渣缺陷是球墨铸铁曲轴生产中常见的一种铸造缺陷，曲轴受力部位若存在夹渣缺陷，会成为潜在的裂纹源，将破坏组织的连续性，使铸件塑性、韧性和疲劳强度下降，且曲轴强度要求越高，夹渣对基体组织连续性破坏作用越明显，曲轴因疲劳强度下降导致疲劳断裂的风险增加。

我司采用铁型覆砂铸造工艺为某主机厂生产A型号的四缸发动机高牌号（QT850-5）球墨铸铁曲轴，在客户加工过程中，在曲轴的连杆颈和主轴颈外圆部位发现存在夹渣缺陷，如图1、图2 所示，缺陷呈单个或几个细小点状或不规则线状。由于缺陷的形态以及出现的位置，未加工前无法发现，加工后肉眼也很难发现，往往加工后磁粉探伤时或强光下外观检验时才能发现，发现时机滞后，无法及时提前围堵和止损。

图1 曲轴连杆颈磨削后的线状夹渣形态

图2 曲轴连杆颈磨削后的点状夹渣形态

缺陷发生的比例也不稳定，通常在1.2%～2%左右。但2019 年4 月份，有一批产品加工后废品率突然升高。经过统计，客户共加工A 型号曲轴11 970支，发现夹渣料废584 支，料废率4.9%，直接造成很大的经济损失，严重影响顾客的产线运营，质量风险增大。针对此铸件夹渣缺陷造成的批量质量问题，我司立即将缺陷产品委托湖北汽车工业学院进行了微观金相分析及缺陷处的微观能谱成分分析，从夹渣形成的机理及技术设计、原辅材料、工艺控制、质量检验等生产工艺过程方面进行了分析研究。

1 铁型覆砂球墨铸铁曲轴铸造生产工艺流程

球墨铸铁曲轴铸造生产主要分为：熔炼、球化、造型、浇注、清理等部分，其中熔炼、球化和浇注是影响铸件夹渣的关键工序。

1.1 熔炼

熔炼分为铁水熔化和球化孕育处理两部分。

1）铁水熔化：采用1 t 中频感应加热电炉进行铁水熔炼，使用的炉料主要有球墨铸铁专用生铁、废钢（成分为中低碳钢）、回炉料（浇道及浇冒口）以及加入的合金元素（铜、锰等），加热熔炼过程中，按工艺要求依次加入。各种炉料成分的准确度直接影响产品的化学成分，炉料中含有的杂质也将直接影响铁水的纯净度，因此，炉料的成分应符合原材料技术标准要求，同时应保证成分的一致性和炉料的纯净度。为了保证铁水质量，入炉前应对生铁废钢等入炉料中的有害成分（S、P、Ti 等）、回炉料上的粘砂、废钢中的杂料杂质以及各种炉料的生锈、受潮等进行严格检验与控制。

2）球化孕育处理：本产品采用盖包法进行球化孕育处理。球化前依次将球化剂、硅铁、铁屑（铁屑主要作用为防止高温铁水直接与球化剂接触，降低球化元素烧损，保证球化效果）放入铁水包反应坑内压实到一定程度。待铁水熔炼到工艺温度、成分检测合格后，即可使铁水出炉注入包内进行球化孕育处理。球化反应结束后进行充分扒渣，纯净的铁水即可进行浇注。

1.2 造型

铁型覆砂造型，是通过操作射砂机用压缩空气将覆膜砂（酚醛树脂砂）通过铁型背部射砂孔射入铁型与模型之间的空腔，经过具有一定温度的模型和铁型加热固化，获得5 mm～8 mm 的覆膜层，脱模后形成铸型型腔的造型方法。造型过程主要包括铁型残砂清理、射砂、固化、脱模、修型、合箱、浇口杯放置等部分。

1.3 浇注

浇注是将球化反应后的铁水依次浇入铁型型腔内获得完整铸件的过程，包括：铁水浇注、二次孕育、型内冷却等。

1）铁水浇注：浇注过程主要控制的参数有铁水浇注温度和浇注速度。

2）二次孕育（瞬时随流孕育）：由于铁水进入型腔后冷却速度快，铁水在凝固过程中容易形成渗碳体，在浇注过程中对铁水进行二次瞬时随流孕育可有效提高单位面积石墨球数，细化石墨，改善球化效果，防止渗碳体的产生。二次孕育的主要控制参数为孕育剂的粒度和孕育量。

3）型内冷却：浇注后的铁水以一定的冷却速度进行凝固，获得相应的基体组织和完整的铸件。主要通过开箱时间实现型内冷却控制。

1.4 清理

铸件清理主要是去除铸件分型面残留的飞边毛刺和铸件表面附着的残砂。

2 夹渣缺陷分析

2.1 夹渣形成机理

结合球墨铸铁曲轴铸造生产过程，主要从渣源和夹渣形成路径两个方面进行分析。

1）形成铸件夹渣的渣源主要有：入炉材料锈蚀，熔化过程中氧化，形成氧化物夹渣；入炉材料含渣量大，熔炼过程无法顺利去除；Mg 残余量过大，球化元素与氧、硫形成难熔的硫化物（MgS）夹渣物和氧化物（MgO）夹渣物；孕育剂粒度选择不当、孕育量过大，或浇注温度过低孕育剂不能充分熔化，在铸件凝固时聚集形成夹渣物。

2）夹渣形成路径：浇注系统未能充分发挥其挡渣作用，渣子随铁水进入型腔；浇注时加入的孕育剂粒度小于过滤网的孔径，可以随铁水进入型腔。

2.2 存在问题分析

1）入炉材料管理：对入炉材料进行排查，发现生产期间使用的生铁、废钢存在锈蚀现象，废钢中掺杂杂质，A 型号曲轴铸造过程使用的回炉料为该产品的浇注系统和浇冒口，其表面附着的残砂没有经过处理。

2）球化剂加入量：通过对球化过程的排查发现本次产品为保证铸件具有良好的球化效果，加入了过量的球化剂，由于多余的球化元素在铸件凝固过程中与硫、氧结合形成了硫化物和氧化物夹渣。通过对夹渣缺陷部位制样进行能谱分析，分析结果见图4，发现缺陷部位含有高浓度的镁元素（镁浓度为0.67），说明球化剂过量。

图3 入炉材料

图4 夹渣缺陷部位制样进行能谱分析情况

3）二次孕育时孕育剂选择：通过对孕育剂的检查，发现选用的0.2 mm～0.85 mm 的FeSi75 孕育剂粒度分布不均匀，有70%左右在0.2 mm～0.4 mm，细小粒度的孕育剂在随铁水进入型腔后来不及扩散被高温铁水氧化，形成氧化物。由于其密度小于铁的密度，在铁水凝固过程中不断聚集上浮形成夹渣。

4）浇注系统挡渣效果：充型过程中，由于密度原因，铁水内的杂质会不断上浮，当内浇道截面积之和大于直浇道截面积时，横浇道设计不利于将上浮于横浇道顶部的杂质阻挡在横浇道内，杂质随铁水进入型腔，形成夹渣。当内浇道截面积之和小于直浇道截面积时，铁水在流经内浇口时产生飞溅，飞溅的液滴表面迅速形成一层氧化膜，这些氧化膜面积大，密度小能够被迅速浮起形成氧化渣。

3 改进措施

3.1 加强对使用材料的管理

1）对各种入炉材料进行纯净度管控：对使用的回炉料进行抛丸处理，去除其表面残砂，降低其对铁水纯净度的影响；不使用含锈、含渣的废钢和生铁；使用的压包铁屑在使用前进行筛选，去除其在加工过程混入的合金刀头等杂质。

2）确定合理的球化剂加入量，并根据生产时检测的残余量结果（实际控制值）和金相检测结果调整球化剂加入量。在保证球化效果的基础上，尽量减少球化剂的加入量。

3）调整瞬时孕育剂粒度范围：由0.2 mm～0.85 mm调整为0.4 mm～0.85 mm，并在使用前进行筛选确认。

3.2 优化浇注系统设计

1）对浇注系统进行优化：充分发挥横浇道的挡渣作用。

2）对内浇口尺寸进行调整：原内浇口尺寸13mm×14 mm×7 mm 先后调整为16 mm×17 mm×8 mm和16.2 mm×17 mm×6 mm.

3）二次过滤：在内浇口前放置纤维过滤网的基础上，再在浇口杯内加泡沫陶瓷过滤器，加强过滤作用，增强过滤效果。

4 措施验证

4.1 加强入炉料管理

通过加强对使用材料的管理（入炉材料的纯净度、球化剂的加入量、孕育剂的粒度），夹渣缺陷出现比例明显下降，由5%左右下降到1.97%（采取措施后客户共加工A 型号曲轴19 281 支，发现夹渣料废381 支，料废率1.97%），但是还是不能达到客户要求的料废指标1.5%以下。

4.2 优化浇注系统

第一，加大了下箱横浇道到上箱横浇道的坡度，上箱横浇道靠近直浇道方向处增加了一个缓流角，集渣包的高度增加了10 mm，增加铁水在横浇道内的爬坡距离，减缓了铁水流速，便于铁水内的杂质在流经横浇道上浮并粘在横浇道顶部和集渣包顶部，优化前浇注系统如图5 所示，优化后如图6所示；第二，在浇口杯内加泡沫陶瓷过滤器，与型内置于内浇道处的纤维过滤网，对铁水进行两次过滤，使得铁水在流经浇注系统时更加平缓，减少渣子由于紊流被卷入型腔。修改后料废率很不稳定，在0.5%～1.8%范围内波动。