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张 梅,康 明,洪晓先,李 涛
(东风汽车有限公司工艺研究所,十堰442001)
摘 要: 对渗漏的缸体进行了解剖,并采样进行力学性能测定和显微组织检验。结果表明,渗漏与异形石墨的存在有明显的相关关系,而碲元素又与异形石墨的产生有关,当碲的加入量(质量分数,下同)为0.002%时,石墨开始发生变异,随着碲加入量的增加,石墨变异程度逐渐严重,当碲的加入量为0.006%时石墨变异非常严重,这种变异的石墨严重降低了铸铁的力学性能,使缸体铸件在气压试验时出现渗漏。
关键词:缸体;渗漏;异形石墨;碲涂料
1 引言
发动机的缸体、缸盖是最复杂的铸件,渗漏现象始终是缸体、缸盖产生报废的主要原因之一。由于铸件是否渗漏只有在做气压试验时才能检查出来,因此渗漏所产生的废品不仅造成的损失大,而且还大大浪费了机加工所占用的生产能力。
通过对渗漏缸体分析发现,在大量渗漏缸体中都有变异石墨存在。笔者重点对异形石墨的产生原因进行了分析与试验,认为造成渗漏的原因与铸造工艺过程中所采用的碲涂料的性能有关。由于该涂料的高温强度低,砂芯涂料中的碲在高温铁水的冲刷下被溶解、稀释而流失,使涂层起不到激冷作用,同时被冲刷掉的碲又会恶化铸件的石墨形态和力学性能。
2 缸体的渗漏原因分析
随意从渗漏缸体中取一件做气压试验,发现在缸体直油道部位有气泡出现,对该渗漏部位和缸筒部位取样,并对未渗漏缸体取相同部位样进行对比分析。
对产生渗漏缸体的直油道部位解剖发现,断口上有发达的树枝晶存在,即该部位存在严重的缩松缺陷,是导致缸体产生渗漏的主要原因。
2.1 渗漏和未渗漏缸体的显微组织
渗漏和未渗漏缸体显微组织及性能对比分析见图1～6和表1。
图1 渗漏缸体直油道部位的石墨形态 100× 图4 未渗漏缸体直油道部位的石墨形态 100×
图2 渗漏缸体直油道部位的基体组织 100× 图5 未渗漏缸体直油道部位过渡区石墨形态 200×
图3 渗漏缸体缸筒部位枝杈状石墨 100× 图6 未渗漏缸体直油道部位的基体组织 100×
由金相分析知,渗漏和未渗漏的缸体组织存在明显的差异。①在直油道部位,未渗漏样品的表层石墨形态为枝晶片状,基体组织为Fe3C+ 珠光体,这表明涂料起到了激冷作用;渗漏样品的表层组织是正常的A型石墨和珠光体,而在缸筒部位的石墨形态发生严重变异,异形石墨主要形态为枝杈状+块状石墨,这表明涂料中的碲已被冲走,并被稀释、溶解于其它部位。②未渗漏缸体直油道部位过渡区的石墨形态与渗漏缸体中缸筒变异石墨的形态一致。由此认为,石墨产生变异的原因是激冷涂料中的碲元素造成的。
2.2 碲涂料的质量对渗漏的影响
发动机缸体、缸盖的结构十分复杂,铸造热节点比较多,如主油道、分油道、螺栓孔和挺杆体孔等部位。在大批量铸造生产工艺条件下,铸造热节部位往往要使用激冷功能涂料来促使铸件在热节处形成致密基体组织。激冷功能涂料中主要成分是碲元素,碲能有效地促进铸铁表层形成白口组织,其作用机理目前仍在探索中。但普遍观点认为[1,2],碲是一种强烈促进铸铁按亚稳定系结晶的元素,它会使铁水产生严重成分过冷而改变铸铁凝固方式,在涂层的部位形成珠光体+Fe3C的致密层,从而避免铸件的渗漏。但这种涂料具有低熔点、低沸点、易气化和扩散的特性,所以生产上对该涂料的使用应谨慎,否则就会适得其反,不仅得不到应有的激冷作用,而且会降低铸件的性能。
综合上述分析结果,渗漏的缸体在涂层表面未产生白口层,并有缩松缺陷,由此可见激冷涂料未产生作用。激冷涂料未起到激冷的作用有两种可能因素,①涂料中的碲含量较少,不能起到激冷作用;②碲涂料可能被铁水冲走。通过检验涂料的性能发现,该涂料高温粘结强度低,在铁水的冲刷下很容易被冲走,不能发挥其在热节部位应有的激冷作用。渗漏缸体有缩松缺陷的同时,还伴随有异形石墨存在(由表1可见),并且其强度明显低于未渗漏缸体的强度。
3 碲元素对灰铸铁(HT250)性能的影响
为证实碲元素有恶化石墨形态,降低铸件力学性能的作用,做了碲对灰铸铁性能影响的试验。
3.1 试验条件
试验采用150kg工频炉熔化,30kg浇包浇注,铸铁成分按HT250配制,浇注温度1380℃～1420℃,碲直接加入铁水中。碲的加入量分别为0%,0.001%,0.002%,0.003%和0.006%。
3.2 碲对灰铸铁石墨形态的影响
图 7为碲的不同加入量对铸铁石墨形态的影响。从试验结果可见,当铁水中加入0.001%碲时,铸铁的石墨形态基本上没有变化,属正常形态(见图7b);当铁水中碲的加入量为0.002%时,其石墨相对变细、变短,并有少许团块状石墨(见图7c);其后,随着碲的加入量增加,其石墨变细、变短,并发生弯曲,出现不规则的团块状石墨。当碲加入量达到0.006%时,其石墨变异已相当严重,与渗漏缸体中的异形石墨形态完全相似。
(a) 碲加入量为0% (b) 碲加入量为0.001%
(c) 碲加入量为0.002% (d) 碲加入量为0.003%
(e) 碲加入量为0.006%
图7 碲的加入量对TH250灰铸铁石墨形态的影响
3.3 碲对灰铸铁力学性能的影响
由于碲对灰铸铁的石墨形态有较大的影响,因此对其力学性能也有较大的影响。图8是不同碲的加入量对灰铸铁抗拉强度的影响。
图8 碲不同加入量对灰铸铁的抗拉强度影响
由图可见,在一定的范围内,随着碲加入量的提高,灰铸铁的抗拉强度逐渐降低。造成抗拉强度降低的原因是由于碲恶化了灰铸铁石墨形态,这种恶化的石墨形态严重割裂了基体(见表2)。
综合上述分析,当碲的加入量相对较少时,碲的作用不足以抑制石墨析出,但会阻碍石墨的生长,使石墨相对变细,发生弯曲,出现不规则的团块状;随着碲含量的增加,石墨形态由正常的A型转变为枝杈状+团块状石墨。石墨变异的结果,导致灰铸铁力学性能的降低。
4 结论
(1)导致缸体渗漏的主要原因是缩松缺陷,而缩松缺陷是由于碲涂料的高温强度低,不能发挥其在热节处应有的激冷作用所造成的。
(2)激冷涂料中的碲元素是造成枝杈状异形石墨的主要原因,该石墨的出现导致铸件的力学性能下降。
(3)碲的加入量为0.002%时,石墨开始发生变异,当加入量为0.006%时石墨变异严重。
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