盛舉 俞秋景

摘要：揚(yáng)州五亭橋缸套有限公司在生產(chǎn)高鉬高鎳材質(zhì)氣缸套的過程中發(fā)現(xiàn)毛坯中有嚴(yán)重的夾砂。針對此問題，該廠展開調(diào)查研究，采用金相顯微鏡、掃描電鏡、能譜分析等材料研究方法對缺陷部位進(jìn)行了觀察分析。結(jié)果表明，這些夾砂主要由Si，Al，Ba等元素形成的高熔點氧化物組成。結(jié)合現(xiàn)有的生產(chǎn)工藝知，夾砂的形成原因是高鉬高鎳材質(zhì)的鐵水成分偏析比較嚴(yán)重，鐵水澆注溫度偏低，鐵水澆注速度偏慢，毛坯冷卻速度偏慢。根據(jù)分析結(jié)果采取了提高鐵水澆注溫度，加快鐵水澆注速度，加快毛坯冷卻速度這些工藝調(diào)整措施。最終將夾砂造成的鑄廢率從原來的25%左右降到5%以下。

關(guān)鍵詞：高鉬高鎳氣缸套 ?夾砂 ?高熔點氧化物 ?成分偏析 ?澆注溫度

1 概述

在氣缸套的生產(chǎn)中，高鉬高鎳材質(zhì)氣缸套由于合金化程度較高，若工藝控制不當(dāng)，會出現(xiàn)砂孔、夾渣這樣的宏觀缺陷。揚(yáng)州五亭橋缸套有限公司在生產(chǎn)某型高鉬高鎳材質(zhì)氣缸套時，在毛坯上發(fā)現(xiàn)有夾砂。經(jīng)過長期跟蹤統(tǒng)計，因為夾砂而造成的鑄廢率達(dá)25%左右。為了解決此問題，提升高鉬高鎳材質(zhì)氣缸套的鑄造質(zhì)量，針對該宏觀缺陷，取樣進(jìn)行了調(diào)查分析。

2 實驗方法

隨機(jī)取兩件缺陷氣缸套樣品進(jìn)行表面除污凈化處理。然后觀察夾砂的宏觀形貌。再將其縱切，觀察縱切面上缺陷的宏觀形貌。之后在缺陷部位取樣，用掃描電鏡觀察其微觀形態(tài)，并對缺陷部位進(jìn)行能譜分析。

結(jié)合工藝記錄尋找原因。根據(jù)分析結(jié)果對工藝進(jìn)行改進(jìn)。再對改進(jìn)工藝后的毛坯進(jìn)行觀察，以確認(rèn)工藝改進(jìn)效果。

3 實驗結(jié)果

（a）1#缸套表面缺陷宏觀形貌;（b）2#缸套表面缺陷宏觀形貌;（c）1#缸套縱向剖面缺陷宏觀形貌;（d）2#缸套縱向剖面缺陷宏觀形貌

圖1 ?缸套缺陷宏觀形貌

圖1所示為缸套缺陷的宏觀形貌。圖1（a，c）分別為1號缸套的表面和縱切面缺陷的宏觀形貌。圖1（b，d）分別為2號缸套表面和縱切面的宏觀形貌。從圖中可見，缺陷呈現(xiàn)比周圍部位顏色更深的黑色，且尺寸約在0.5-1.7mm之間。圖1（a-c）中顯示的缺陷呈圓形顆粒，而圖1 （d）中的缺陷呈條形。

（a）缺陷低倍照片 ? ? ? ? ? ? ? （b） 缺陷高倍照片

圖2 ?缸套表面缺陷微觀形貌

圖2為缸套缺陷的微觀形貌。其中圖2（a）是某處缺陷的低倍大視場照片。從中可見缺陷整體呈現(xiàn)一鑲嵌在基體中的球形。而從圖2（a）可以看出該呈球形的夾雜又由多種形貌各異的部分組成。圖2（b）是該處缺陷的局部高倍照片，從中可見夾雜中有一種呈球形的部分鑲嵌于其它部分之上。不難看出，圖2（b）左下方的凹坑是某一球形夾雜脫落后形成的凹坑，這說明了該球形夾雜易脫落。球形夾雜的尺寸跨度較大，如圖2（b）所示，右上方的小球直徑僅7μm左右，而中間的大球直徑約20μm。

表1是缸套外表面缺陷的微區(qū)化學(xué)成分。從中可見缺陷部位除個別情況外都具有很高C、O、Si、Ba含量，這些元素在缺陷中的含量遠(yuǎn)遠(yuǎn)高出在其鑄鐵基體中的含量。另外缺陷部位還有少量的P，S，K，Na，Ca，Ti，Mn等元素。

4 夾砂原因分析

圖1和圖2顯示的缺陷區(qū)域的渣狀和球狀物質(zhì)表明這些缺陷不是在加工過程中形成的，而是屬于在鑄造過程中形成的夾雜物。而從表1顯示的微區(qū)化學(xué)成分結(jié)果，再結(jié)合圖1和圖2顯示的形貌可以判斷這些缺陷屬于氧化鋇、氧化鋁和二氧化硅構(gòu)成的復(fù)合夾雜物。結(jié)合缸套從冶煉到澆鑄的整個離心鑄造過程可以推斷其外層夾砂缺陷形成的原因如下。

高鉬高鎳材質(zhì)的缸套合金化程度高，相對于普通材質(zhì)的缸套，鐵水中合金元素和雜質(zhì)元素的偏析傾向更大。由于氧化物的熔點普遍較高，在成分偏析嚴(yán)重的情況下，氧化物易于在溫度尚較高時就先期達(dá)到臨界狀態(tài)而析出，在鐵水中形成固體夾雜物。澆注鋼包里的鐵水傾倒時間在10-15秒之間，高熔點氧化物即是在這段時間里形成。鐵水傾倒完畢后，之前形成的高熔點氧化物來不及浮到毛坯內(nèi)壁，周圍的鐵水已凝固。從而在毛坯中形成了夾砂。

5 工藝調(diào)整

根據(jù)以上的夾砂原因分析，采取如下的工藝調(diào)整。提高鐵水的澆注溫度，加快鐵水澆注速度，加大噴水量以加快毛坯冷卻速度。

提高鐵水的澆注溫度有利于減少鐵水中的成分偏析。加快鐵水的澆注速度和加快毛坯的冷卻速度則可以減少高熔點氧化物時可能析出時間。將這三種措施綜合運(yùn)用可以很大地減少高熔點氧化物的析出傾向。

實際生產(chǎn)表明，調(diào)整工藝后因夾砂而造成的鑄廢率已降到5%以下。

6 結(jié)論

經(jīng)過本次研究可知，高鉬高鎳材質(zhì)氣缸套的夾砂由Si，Al，Ba等元素形成的高熔點氧化物組成。其形成原因是高鉬高鎳材質(zhì)的鐵水成分偏析比較嚴(yán)重，鐵水澆注溫度偏低，鐵水澆注速度偏慢，毛坯冷卻速度偏慢。根據(jù)分析結(jié)果采取了提高鐵水澆注溫度，加快鐵水澆注速度，加快毛坯冷卻速度這些工藝調(diào)整措施。最終將夾砂造成的鑄廢率從原來的25%左右降到5%以下。

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作者簡介：盛舉（1984-），男，江蘇揚(yáng)州人，揚(yáng)州五亭橋缸套有限公司鑄造分廠副廠長，助理工程師，研究方向：材料學(xué);俞秋景（1983-），男，江蘇揚(yáng)州人，項目主管，初級工程師，研究方向：材料學(xué)。