汽車鑄鐵件氣孔缺陷的形成原因及防止措施

摘要：汽車鑄鐵件常用覆膜砂制作砂芯，氣孔缺陷是常見的鑄造缺陷之一，主要表現(xiàn)為侵入性氣孔、翹皮、少肉、嗆火等，形成的主要原因是覆膜砂砂芯發(fā)氣量大，排氣不暢等原因?qū)е隆Ｍㄟ^對增壓器中間體鑄件氣孔缺陷的解決，提出了覆膜砂生產(chǎn)汽車鑄鐵件防止氣孔缺陷需遵循“排、減、溢”原則，僅加強(qiáng)芯頭排氣對簡單砂芯鑄件有效，而減少砂芯的實際發(fā)氣量、冒口溢流、高溫澆注等是解決復(fù)雜砂芯鑄件氣孔缺陷的有效措施。

關(guān)鍵詞：覆膜砂；氣孔類缺陷；發(fā)氣量；溢流

中圖分類號：TG255     文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

汽車鑄鐵件的形狀復(fù)雜、尺寸精度高，如增壓器殼體零件，這類鑄件通常采用覆膜砂砂芯或組芯生產(chǎn)。覆膜砂砂芯具有尺寸精度高，生產(chǎn)效率高、易潰散等優(yōu)點，但覆膜砂砂芯發(fā)氣量大，容易產(chǎn)生氣孔缺陷。氣孔通常包括侵入性氣孔、翹皮、少肉、嗆火等類型，主要分布在鑄件的上表面或內(nèi)腔^[1]。氣孔存在會大大降低鑄件的力學(xué)性能，此外，氣孔存在會降低鑄件致密性^[2]。本文以筆者公司生產(chǎn)的汽車增壓器中間體氣孔改善為例，從而提出了覆膜砂生產(chǎn)汽車復(fù)雜鑄件氣孔類缺陷的形成原因和有效性防止措施。

1 氣孔類缺陷的形成及解決

1.1 氣孔缺陷

圖1為一種中間體鑄件的鑄造工藝示意圖，材質(zhì)為HT250，圖中看出，該工藝法蘭豎直放置，側(cè)面設(shè)置冒口進(jìn)行補(bǔ)縮，同時在鑄件上表面設(shè)計排氣溢流冒口。圖2為鑄件的砂芯，采用組芯工藝，由外殼芯和兩個內(nèi)腔砂芯組成，內(nèi)腔砂芯采用高強(qiáng)度低發(fā)氣覆膜砂制作。表1統(tǒng)計生產(chǎn)結(jié)果表明，氣孔為該鑄件的主要缺陷，約占到料廢件總數(shù)的60%。鑄件氣孔缺陷如圖3所示，圖3a為鑄件上表面分布的氣孔，且能明顯看到鑄件表面質(zhì)量較差，圖3b為鑄件內(nèi)腔上表面的侵入性大氣孔。

1.2 氣孔的形成原因

圖4是鑄件的砂芯組裝圖，從圖2 中可以看出，水環(huán)芯尺寸較大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜，有兩處厚大部位，制芯時難以完全固化，四個芯頭較細(xì)小，無法做出砂芯排氣通道，在澆注充型過程中容易砂芯會發(fā)出大量的氣體，分析認(rèn)為充型完成后水環(huán)芯持續(xù)發(fā)氣，在澆注過程中發(fā)生嗆火，使鐵液沸騰產(chǎn)生氧化膜和氣孔，其次是工藝朝上鑄件表面形狀復(fù)雜，壁厚不均，即使設(shè)計了溢流冒口，但由于溢流冒口頸部細(xì)長，排氣面積較小，氣體不能完全從冒口頸排出到溢流冒口中，因此在鑄件的最上表面形成氣孔、氧化夾雜物（按照雙層膜理論^[3]，由于鐵液在嗆火過程中大量氧化，留在鑄件中形成氧化夾雜物）。同時，澆注過程中砂芯發(fā)氣在鐵液中產(chǎn)生的氣泡往上表面移動，停留在該處形成內(nèi)腔氣孔。

1.3 氣孔的解決

根據(jù)圖4砂芯結(jié)構(gòu)分析，水環(huán)芯與鑄件的大法蘭之間距離較近，且大法蘭式平面且形狀簡單，可以放置較大的補(bǔ)縮冒口和溢流冒口，改進(jìn)后的工藝見圖5，該工藝改進(jìn)后鑄件復(fù)雜形狀部位的氣孔缺陷完全消除，就是在法蘭的冒口根部時有大氣孔產(chǎn)生，但分散性的小氣孔明顯減少。為了完全消除氣孔，水環(huán)芯經(jīng)過200℃烘烤2h，另外，澆注溫度與氣孔的關(guān)系相當(dāng)密切，提高澆注溫度可以有效增強(qiáng)氣體的溢出能力，因此澆注溫度由1380~1420℃提高至1420~1450℃。生產(chǎn)后，氣孔缺陷不良率為6.2%。結(jié)果表明，通過改變工藝設(shè)計、二次烘芯、提高澆注溫度等方法消除了氣孔缺陷。

2       分析與討論

2.1 發(fā)氣量的影響

發(fā)氣量大是覆膜砂的特點，覆膜砂的樹脂加入量3%左右，比其他型砂的發(fā)氣量大很多，在生產(chǎn)復(fù)雜砂芯的鑄件時，通常選用低發(fā)氣高強(qiáng)度覆膜砂，嚴(yán)格控制覆膜砂的發(fā)氣量，目前高強(qiáng)度低發(fā)氣量覆膜砂發(fā)氣量可達(dá)13ml/g以下，但在一些情況下，即使采用低發(fā)氣量覆膜砂，氣孔問題也不能有效解決，主要是砂芯的實際發(fā)氣量還與砂芯的重量、大小、形狀有關(guān)。減少砂芯的惡實際發(fā)氣量還與其他因素有關(guān)，首先，如圖6所示，砂芯芯頭掏空，制作排氣通道，可以有效的減少發(fā)氣量。但圖中可以看出，砂芯下半部較大，中間較細(xì)小，該部位在澆注過程中產(chǎn)生的氣體當(dāng)無法有效排出，就會形成氣孔缺陷，如圖7所示，氣孔呈較大的球形，分布在鑄件內(nèi)腔或淺表面。當(dāng)砂芯的排氣或掏空無法有效制作時，砂芯二次烘烤可以較大程度降低砂芯的實際發(fā)氣量，如圖6所示，右邊的砂芯經(jīng)過200℃烘烤2h，砂芯的顏色明顯深一些，經(jīng)過批量生產(chǎn)驗證，氣孔缺陷從30%降到3%以下。

2.2工藝的影響

有些中間體鑄件內(nèi)腔形狀復(fù)雜，砂芯完全被鐵液包裹，而芯頭排氣能力十分有限。在充型過程中，砂芯大量發(fā)氣，可分為二個階段，第一階段為充型初期鐵液還未完全覆蓋砂芯，此時砂芯產(chǎn)生的氣體可以有效從型腔中排出，第二階段為鐵液完全覆蓋砂芯，此時產(chǎn)生的氣體必須要通過鐵液溢出，才能防止氣孔，但如果此時鐵液開始凝固或表面產(chǎn)生較厚的氧化膜，氣孔無法有效溢出，造成氣孔。從圖8看出，該鑄件的砂芯較大，芯頭非常細(xì)小，無法有效設(shè)置排氣通道，當(dāng)鑄件法蘭豎直放置時，冒口設(shè)置在側(cè)面，此時鑄件的上表面微形狀復(fù)雜且壁厚不均的復(fù)雜形狀面，且為零件的重點使用面，即使設(shè)置溢流冒口，但冒口頸較細(xì)長，氣體不可能有效溢出，從而產(chǎn)生嚴(yán)重氣孔缺陷。但大法蘭形狀簡單且厚大，如果法蘭水平放置，在砂芯的正上方法蘭位置放置冒口，該冒口既是補(bǔ)縮冒口，也是溢流冒口，由于冒口的鐵液溫度高，不易凝固，大量氣體仍可以有效溢出鑄件，防止氣孔產(chǎn)生。因此，對一些具有復(fù)雜砂芯的鑄件，應(yīng)該遵循壁厚較大，形狀簡單的部位朝上，有利于設(shè)置冒口，加強(qiáng)氣體的溢出。

2.3 鐵液溫度的影響

從根本上來說，溢流冒口的合理設(shè)置可以使鐵液中的氣體能夠有效溢出，但與鐵液的溫度又很大關(guān)系，鐵液流動性差和表面氧化膜能夠阻止氣體的溢出，提高澆注溫度可以延緩鐵水表面氧化膜的生成和提高流動性，對防止氣孔是非常有效的措施。筆者發(fā)現(xiàn)，把澆注溫度由1380~1420℃提高至1420~1450℃，可以保證在鑄件不產(chǎn)生收縮缺陷的前提下，盡可能延緩氧化膜形成的時間，氣體能夠有效溢出。因此在解決氣孔類缺陷時，尤其是容易產(chǎn)生氣孔的鑄件，提高澆注溫度是較有效的方案，是生產(chǎn)具有復(fù)雜覆膜砂砂芯汽車鑄件的必要條件之一。

2.4 措施的有效性

氣孔的產(chǎn)生的原因是砂芯或砂型的氣體的釋放，最終氣體以氣泡的形式停留在鑄件內(nèi)形成氣孔缺陷，往往表現(xiàn)為氣孔、嗆火、局部凹陷、翹皮等氣孔類缺陷。如何有效解決氣孔是鑄造工作者經(jīng)常思考的問題，但往往解決方法比較片面。根據(jù)氣孔形成的原因，假設(shè)澆注過程中氣體能夠全部排出，自然不會產(chǎn)生氣孔，因此提出了“排、減、溢”的原則。首先，在澆注過程中氣體能沿砂芯中的排氣通道順利排出，則不會產(chǎn)生氣孔，因此，這種措施經(jīng)常采用，這是“排”的原則。但是往往效果不好，因為即使制作了排氣通道，產(chǎn)生的氣體也不可能全部及時排出，這種方案無效。其次，針對復(fù)雜砂芯，尤其芯頭較小的砂芯，無法設(shè)計排氣通道時，減少砂芯的總的發(fā)氣量體現(xiàn)了“減”的原則，有兩種方式，第一是控制型砂本身的發(fā)氣量，通常采用低發(fā)氣量覆膜砂，這種方法在一定程度上減少氣體的產(chǎn)生，但當(dāng)砂芯較大，即使型砂的發(fā)氣量較小，但砂芯實際發(fā)氣量同樣可以很大，但往往容易被忽視，一般工藝過程中為了保證制芯的效率，固化時間一般不可能很長，砂芯的斷面一致性不好，里面的砂固化不充分，所以對砂芯采用二次烘烤是較為有效的方法，經(jīng)驗表明對砂芯進(jìn)行180~220℃烘烤1~2h（烘烤后解剖砂芯斷面，檢查斷面固化均勻性，反復(fù)試驗可得到最佳烘烤參數(shù)。）可以有效降低砂芯的實際發(fā)氣量，可以有效解決氣孔問題。最后，當(dāng)隊醫(yī)一些非常復(fù)雜的鑄件，上述“排、減”原則都不能完全解決時，充分利用“溢”的原則，即在砂芯的正上方的厚大部位或簡單部位設(shè)置補(bǔ)縮或溢流冒口，同時提高澆注溫度可以有效提高氣體的溢出能力，防止氣孔的產(chǎn)生。因此，“排、減、溢”的原則依次采用是解決氣孔的最有效方法，是制定具體解決措施的依據(jù)。

3   結(jié)論

（1）復(fù)雜汽車鑄鐵件生產(chǎn)中出現(xiàn)的氣孔、嗆火、局部凹陷、翹皮等氣孔類缺陷是由于砂芯發(fā)氣導(dǎo)致的，解決措施要遵循“排、減、溢”原則。

（2）砂芯的制作中首先考慮砂芯的排氣通道，但對于芯頭較細(xì)，體積較大的復(fù)雜砂芯，排氣無法有效做出，采用180~220℃二次烘烤1~2h減少砂芯實際發(fā)氣量是有效措施。

（3）對砂芯已經(jīng)實施排氣和二次烘烤，但氣孔仍未有效解決的，在砂芯的正上方設(shè)置補(bǔ)縮或溢流冒口，使氣體效溢出鐵液，防止氣孔產(chǎn)生。

（4）對于容易形成氣孔的鑄件，壁厚不均勻，形狀復(fù)雜的重要鑄件面不宜向上放置，而盡量使厚大部位或簡單面向上并適當(dāng)設(shè)置冒口，加強(qiáng)氣體的溢出。

（5）在不引起其他鑄造缺陷的前提下，提高澆注溫度30~40℃可以顯著提高氣體的溢出能力，防止氣孔的發(fā)生。