金光忠

（上海廣凌氣門座有限公司，上海201517）

1 前言

目前，據(jù)行業(yè)不完全統(tǒng)計，氣門座圈從毛坯到成品真正的合格率僅為50%，這不僅提高了發(fā)動機氣門座圈失效的風險，同時又大大增加了產(chǎn)品成本。為此，不少企業(yè)通過增添先進的檢測設備，還在工藝上動了不少腦筋，對生產(chǎn)過程作了改進，例如：加粗澆口或澆道、提高模殼強度、降低澆注溫度、澆注速度先快后慢、熱冷模殼澆注等等，雖然有些缺陷得到了改善，但其合格率也只能達到60%左右。

氣門座材料一般都是含鉻量較高的合金材料，就我公司目前的氣門座來說，高鉻合金材料也有幾十種，例如：QZ3、QZ4、QZ5、QZ6、SIVS-1、PL12MV、PL33、PL500、X200、X150、V5、V300、V450、VE7T、Cr3Mo4、鎳基合金、鈷基合金等，含鉻量高在鑄造工藝中，它具有熱導率低17.58W/(m·k)的特性，而灰鑄鐵為50.24～62.8W/(m·k)，收縮性大、塑性差、切削性能差等特點。在實際生產(chǎn)中許多高鉻合金鑄鐵使用壽命短的原因，并不是化學成分與金相組織不符合要求，而往往是其內部存在疏松、氣孔和夾雜等鑄件缺陷引起的，所以在鑄造生產(chǎn)過程中必須引起高度重視。下面就高鉻合金鑄鐵氣門座中心部位產(chǎn)生顯微疏松（俗稱“黑點”）的問題進行分析，供相關技術人員參考。

2 描述產(chǎn)生的原因

對上述疏松這個問題，不同企業(yè)有不同認識，一般認為高鉻合金收縮性大，根據(jù)目前同行業(yè)的工藝是無法解決的。雖然疏松產(chǎn)生在鑄件中心部位，但產(chǎn)生最明顯的部位是二股鋼水相碰位置，也就是內澆道的對角處。在行業(yè)交流會上，我們了解到有些單位為解決這個問題，曾采用在內澆道對角處增加冒口、安放放氣孔方法，但結果是，疏松更明顯（目測可見）。還有一些企業(yè)為了節(jié)約成本，采用濕型砂型鑄造，不但沒有解決問題，反而使產(chǎn)品的綜合性能受到明顯影響，易產(chǎn)生氣門座圈使用過程中出現(xiàn)磨損、碎裂等潛在失效。經(jīng)過多年的實踐、摸索和驗證，發(fā)現(xiàn)造成高鉻合金鑄件產(chǎn)生疏松的原因主要有6個方面，見圖1。

3 產(chǎn)生原因的分析

1）補縮不足

前面已經(jīng)提到，鑄造過程中高鉻合金具有收縮性大的特性，因此在工藝設計中，盡量要遵守順序凝固原則，避免鑄件收縮受阻，直澆道與橫澆道截面比例要合適。一般情況下，內澆道橫截面積等于或接近氣門座單件斷面的橫截面積，在澆注過程中使其能夠充分補縮。

2）鉻碳比不合理

鉻、碳是高鉻合金材料中的兩個重要元素，一般鉻碳比約為4～8。當碳高鉻低時，容易出現(xiàn)M3C型碳化物；而當碳低鉻高時，又容易出現(xiàn)M23C6型碳化物；只有當碳與鉻配合適當時，才可獲得M7C3碳化物。M7C3碳化物的硬度高，而且這種碳化物呈孤立的六角形桿狀或片狀分布在基體中，連續(xù)程度大為降低，使碳化物對基體的破壞作用大為減小。同時若把基體退火成珠光體后（鐵素體+碳化物的基體組織），減少脆性，提高切削性能。

3）模殼焙燒不充分

模殼焙燒主要有三個作用，一是去除型殼中的揮發(fā)物，如水分、殘留蠟料、皂化物、鹽分等，使型殼在澆注時有較低的發(fā)氣性和良好的透氣性，防止出現(xiàn)氣孔等缺陷；二是焙燒可使粘結劑、耐火材料等物質之間進行物理、化學反應，改變型殼的物相組織和顯微組織，改善型殼的高溫力學性能；三是焙燒可使型殼在要求的溫度下澆注，以減少金屬液與型殼的溫度差，提高金屬液的充型能力。因此對于硅溶膠型殼，其焙燒溫度一般為950～1 100℃，達到焙燒溫度后，應保溫0.5 h以上；而水玻璃型殼高溫強度低，考慮殘留蠟料的去除、殘留硬化劑去除等硬化反應生成物，NaCi的去除需800℃左右，所以溫度要控制在850～900℃，保溫時間1～2 h，方能使型殼得到充分燒透。

4）模殼高溫強度及透氣性差

因為水玻璃模殼的高溫強度及透氣性的好壞直接影響到毛坯的鑄件質量，而影響其高溫強度的主要因素是，水玻璃模數(shù)、密度、硬化劑種類、耐火材料種類、涂殼工藝是否合理、焙燒與澆注工藝配合是否合理等等。通過多年探索試驗，在保證模殼質量的前提下，采用復合涂料，模殼面層使用耐高溫材料，加固層使用普通的合缽砂及耐火材料。這樣從原來的5.5層減少到4.5層，減輕了勞動強度，節(jié)約了生產(chǎn)成本，減少了模殼焙燒時間、提高透氣性，同時保持熱殼澆注，降低鑄件收縮阻力，讓鑄件充分補縮，這樣就可達到減少疏松的目的。

5）熔煉溫度及澆注溫度不適當

在感應爐中熔煉時，溶化溫度不能太高，1 500℃左右已經(jīng)足夠了，這是因為熔爐本身有攪拌作用，使成分均勻化。過高的熔煉溫度雖不會帶來嚴重問題，但卻對元素的燒損不易估計，特別是鉻。所以要引起重視，澆注溫度通常也不希望太高，以避免收縮過大，增加鑄件中心部位的疏松，低溫澆注有利于細化樹脂晶和共晶組織，根據(jù)我們的試驗，氣門座的澆注溫度一般應控制在1 400～1 450℃。

6）出鋼液前脫氧孕育不充分

澆注前溶液必須充分脫氧，孕育加入時間適當。在一般情況下，爐前光譜分析是根據(jù)計算配料單進行過磅加料、熔化，基本不需要作爐前調整，但有些微量元素必須在出鐵液時加入或沖包加入，如：Mn、Si、Ti稀土合金等，即可作脫氧、脫硫劑，又能作孕育處理。稀土硅鐵作孕育處理能提高高鉻合金鑄鐵的綜合性能，稀土元素又能改善碳化物的形態(tài)，細化晶粒和凈化鋼液的作用，所以對減少疏松有明顯的改變。工藝改進前后的顯微組織對比詳見圖2。

通過查找相關技術文獻，從材料的熱導率及收縮性特性參數(shù)入手，經(jīng)過多年的嘗試與研究，高鉻合金鑄鐵氣門座的合格率最終保持在90%左右。

4 結論

針對本文中提到的疏松問題，除了要根據(jù)產(chǎn)品的直澆道與橫澆道的截面有合理的配置外，在熔煉過程中還要考慮材料的熱導率及收縮性特性參數(shù)，分時分批地加入所需材料成分元素，方能最終有效地解決問題。