氣缸體鑄件裂紋產生原因及措施分析范文

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《China Foundry》2016年第5期

摘要：

針對濰柴動力生產的氣缸體鑄件裂紋缺陷問題,從產品結構及鑄造工藝性兩個方面分析了產生缺陷的原因。通過采取優化產品結構、增設熱補償冒口、延長鑄件保溫時間等綜合措施，并借助鑄造仿真軟件Magmasoft對措施實施前后的應力進行了比較，通過改善有效地解決了氣缸體鑄件裂紋缺陷。

關鍵詞：

氣缸體；裂紋；熱補償冒口；保溫時間

氣缸體是柴油機上的關鍵件之一，濰柴動力生產的某機型氣缸體鑄件整體尺寸為980mm×400mm×440mm，毛坯質量300kg，平均壁厚6mm，材質為HT250，屬于典型薄壁、結構復雜、高強度鑄件。該機型的氣缸體鑄件鑄造工藝由原來沖天爐熔煉、樹脂砂造型、立澆轉變成現在的電爐熔煉、潮膜砂造型、臥澆，鑄造工藝發生改變后鑄件裂紋是主要廢品缺陷之一，廢品率一度達到2.63%，占廢品總數的40%。

1缸體生產條件與裂紋特征

該氣缸體鑄件采用HWS靜壓線濕型砂造型，冷芯盒制芯，中頻感應熔化電爐熔煉，自動澆注機澆注。在鑄件加工中，發現該氣缸體出現裂紋問題，統計3月份裂紋分布情況（如圖1），發現裂紋主要集中在氣缸體2、3、4、5缸結合面法蘭的外邊處。裂紋發生在缸孔的中心線位置且在壁厚發生變化的拐角處（如圖2），裂紋走向呈連續的曲線、從內向外延伸，有些穿透壁厚，將鑄件沿裂紋處拋開后，斷口呈輕微氧化色。

2原因分析

鑄件裂紋有冷裂紋和熱裂紋。鑄件冷裂紋是在彈性變形范圍發生，常出現在鑄件表面，其形狀多為連續的直線或圓滑的曲線，其端口比較光潔，略帶氧化色，它是一種穿晶粒性裂紋，即裂紋是穿過晶粒內部而延伸，其主要產生于鑄件上的應力集中的部位；熱裂是在高溫凝固前形成的，鑄件表面有單條或多條裂紋，裂紋長度較短，其外形多曲折且分叉，不連續，裂口具有一定的深度，而且氧化嚴重，呈暗黑色，它是一種晶界裂紋，即裂紋是沿著晶粒的晶界延伸的，屬于脆性斷裂裂紋，其最容易產生于鑄件熱節處[1]。從該氣缸體鑄件裂紋的外貌看，主要是應力集中造成的冷裂紋，根據裂紋的特征，主要從鑄件結構及鑄造工藝[2]兩個主要方面分析產生裂紋的原因。

（1）產品結構方面，該氣缸體結合面處的過渡圓角太小，且曲拐旋轉處壁厚太薄，兩側存在厚大結構，尺寸變化劇烈，散熱較慢的厚壁部位與散熱較快的薄壁部位由于收縮時間不同，導致鑄件形成較大的內應力[3]，易產生應力集中，增加裂紋傾向。

（2）鑄造工藝方面，裂紋位置處于上箱的最高點，是鐵液最后到達的地方，冷鐵液較多，裂紋產生時得不到鐵液的及時補充，而且不能達到同時凝固。同時在鑄件保溫過程中，厚實部分的塑性壓縮大，常溫下彈性拉伸的補償量也越大，導致其殘余拉應力也越大。如果在型砂中的保溫時間較短，落砂后的鑄件在空氣中冷卻，加大厚薄溫度差，增大了殘余熱應力，鑄件容易冷裂。

3改進措施

3.1優化產品結構

優化結合面圓角處結構，該鑄件產生裂紋的端面邊緣與臨近壁的連接處圓角半徑偏小，故過渡圓角由半徑5mm增大為半徑15mm,曲拐旋轉處壁厚由5mm增大到10mm（如圖3、4），通過結構優化既可以減少兩壁連接處的應力集中，又增加了該裂紋斷面處的強度，使其抗裂紋能力增強。借助Magmasoft鑄造仿真軟件分析看出，更改結構前后裂紋位置最大殘余應力點如圖5、圖6，更改前氣缸體鑄件側壁表面的殘余應力為159MPa，法蘭內部表面的殘余應力為182MPa，每缸裂紋位置殘余應力最大值在170~210MPa；結構更改后，側壁表面及法蘭內部表面的殘余應力為114MPa，每缸裂紋位置殘余應力最大值在140~150MPa。裂紋處優化結構后，鑄件殘余應力明顯降低。

3.2增設熱補償冒口

在3、4、5、6缸孔對應的結合面處增設熱補償冒口[4]，改善結合面溫度場分布，同時起到拉筋強化作用。由于溫差作用，當先冷卻凝固的部分已經進入彈性收縮階段時，而冒口附件由于受到冒口熱作用較遲冷卻凝固的部分可能還處于塑性變形或半凝固狀態，從而減少收縮時的阻力，或較遲冷卻凝固部分由于先凝固部分的收縮被拉裂也可以得到冒口內熱的金屬液體的充填，使裂紋得到消除。增加熱補償冒口前后，裂紋處最大殘余應力點如圖7、圖8，得出鑄件在加強冒口根部及其周圍位置的殘余應力變化明顯，殘余應力減少約20MPa，裂紋位置最大殘余應力點減少10~20MPa。

3.3延長保溫時間

砂型是一種良好的“緩冷容器”，適當地增加鑄件在型砂中的保溫時間，能使厚實和細薄處的溫度均勻化，減少溫度差，降低熱應力，同時也有足夠的時間釋放應力[5]。通過應用計算機模擬，當2.5h后打箱（如圖9），鑄件裂紋溫度高于共析轉變溫度，即打箱時，缸孔位置的組織還未發生共析轉變，此時鑄件處于危險區域；而4h后打箱的鑄件則不在危險區域（如圖10）。因此將打箱時間延長到4h后為宜。

4結論

（1）增加裂紋處的壁厚及過渡圓角的半徑，優化產品結構，有效的減少了裂紋處的應力集中，應力減少30~60MPa。

（2）在裂紋處增加熱效應冒口，改善結合面溫度場分布，并對裂紋處起到拉筋強化作用，殘余應力較少了10~20MPa。

（3）延長鑄件保溫時間，由2.5h提高到4h，保證不同壁厚處溫度的均勻化，使殘余應力小于初始屈服應力。經過以上措施的實施，通過生產驗證，裂紋缺陷基本得到了解決，裂紋缺陷廢品率降到了0.3%以下，提高了鑄件產品的品質。

參考文獻:

[1]張習志,余明，夏仁專.鑄件裂紋的形成原因及防止方法[J].鑄造，2008(23)：64-66.

[2]柳百成,黃天佑.材料鑄造成型工程[M].北京：化學工業出版社，2006,1：507-515.

[3]葉小芳.氣缸體鑄件裂紋缺陷的消除[J].鑄造技術，2013(6)：786.

[4]黃志光.鑄件內在缺陷分析與防止[M].北京：機械工業出版社，2011,1：116-122.

[5]齊建.藍擎氣缸體鑄件裂紋缺陷解決措施探討[J].中國鑄造裝備與技術,2011(4)：36-38.

作者:杜紀柱 厲運杰 孫志揚 單位:濰柴動力（濰坊）鑄鍛有限公司