铸造生产过程中，铸件上表面用于补缩铁液的冒口工艺设计尤其重要，冒口设计不合理，往往在铸件清理时或在机械加工后，铸件表面冒口根部会出现缩松缺陷。国内外同行常采取增大冒口体补缩量或是增加局部冷铁的方法措施，以达到消除冒口根部缩松的目的。但是冒口体增大，会使冒口根部缩松缺陷增大，导致铸件无法修复而报废。经过实践总结，铸件后期凝固收缩需要补充的铁液量很小，与冒口颈形状和大小密切相关。因此，解决铸件冒口根部缩松缺陷，以提高铸件质量和合格率，具有重大的技术和经济意义。
1 机身简介
机身是内燃机的核心部件，柴油机形状复杂，尺寸要求较高，承载着曲轴、连杆、缸盖等所有零部件的安装和整机的质量，对机身的强度、硬度、减震性有一定的要求，是柴油机的关键件之一。
该机身为直列机型，尺寸为2 320 mm×950 mm×1 254 mm，最大壁厚98 mm，最小壁厚10 mm，材料为QT400-15，毛重4 600 kg，液重5 500 kg。机身形状紧凑，内腔较多，水腔、气腔和主油道需进行密封性试验，壁厚差异大，孤立热节多，凝固收缩不均匀，易形成缩松，是铸造的难点。
2 原始工艺中的缩松缺陷
2.1 缺陷简介
因该机身属于小型薄壁球墨铸铁件，且各部位壁厚相差较大，是直列缸机型。采取卧式浇铸工艺，缸孔、底脚板位于侧面，缸孔侧顶端面壁厚局部较薄，为20 mm。在底脚板侧面和缸孔侧面，各放置7个ϕ120 mm 的保温冒口，冒口颈为ϕ60 mm。机身浇注温度为1 360～1 380 ℃，因铸件大部分壁厚较薄，为12 mm 左右，因此温度一般靠近上限控制。原工艺简图如图1 所示。
图1 原始工艺示意图
Fig.1 Schematic diagram of the original process
按照原工艺浇注的机身两排冒口根部均有不同程度的缩松缺陷，铸件加工后缺陷位于底脚板侧面，如图2～3 所示。分析该处缩松缺陷热节圆大小，认为是冒口较小补缩不够。将保温冒口由ϕ120 mm更改为ϕ150 mm，经过生产验证后依然有缩松缺陷，与原工艺几乎无区别，见图4。
图2 缩松缺陷位置
Fig.2 Position of shrinkage defect
图3 缩松缺陷
Fig.3 Shrinkage defect
图4 改进后缩松缺陷
Fig.4 Shrinkage defect after improvement
2.2 原因分析
该缩松部位位于浇注的高点，正是冒口根部位置，根据球铁的收缩凝固[1]机理分析，球墨铸铁的“共晶始”和“共晶终”曲线之间的距离大，其共晶凝固近于宽结晶温度范围合金的体积凝固方式。共晶晶粒相遇，晶粒间的残余液体全部变成固相后，凝固结束。对球铁凝固的新认识是离异共晶[2]，特点是熔液内不可避免的运动带来的影响，此外还强调了奥氏体枝晶的单独存在与它在凝固过程中的作用。实际是在凝固断面上仍存在着不含离异枝晶而仅由一个(或多个)石墨球+奥氏外体组成的共晶晶粒，说明球铁的凝固过程同时以多种形貌出现。
铸件表面在凝固后期仍有液相存在，不具备一个硬实的外壳。其球状石墨是在奥氏体壳包围中由于碳向其扩散[3]而长大的，它不与共晶铁液直接接触，当共晶团长大互相接触后，石墨球继续长大的体积膨胀[4]力大部分作用在相邻的共晶团[5]上，其力趋于对它们挤的更开，使其间的孔洞扩大形成缩松[6]。冒口颈偏大，冒口颈凝结时间的热影响较大，冒口颈与铸件部位壁厚相当，冒口体远大于此处壁厚，形成了新的热节，在铸件凝固收缩时，冒口颈不能及时关闭，没有起到有效补缩作用，反而加重热节形成缩松。因此，选择冒口的形状特点为顶冒口和矩形截面水平长形的冒口颈[7-8]。
对以往的机身浇注温度进行了统计汇总，发现浇注温度大于1 370 ℃的铸件都有不同程度的缩松缺陷。由于温度过高，在凝固过程中孤立的热节晚于周围部位凝固，此处铸件结构属于壁厚相交部位，冷却较困难易产生缩松，凝固后在该部位形成缩松缺陷[9]，因而确定浇注温度偏高。碳当量和温度汇总见表1 和图5～6。
表1 某型机身温度统计
Tab.1 Body temperature statistics
图5 CE 量分布图
Fig.5 Distribution of the CE quantity
图6 浇注温度分布图
Fig.6 Distribution of the pouring temperature
图7 改进后工艺示意图
Fig.7 Schematic diagram of the improved process
综合分析，从碳当量(carbon equivalent,CE)分布量来看，出现缩松缺陷和CE 量高低在一定范围内无对应关系；从浇注温度分布情况来看，出现缩松缺陷的浇注温度均高于平均温度。经过生产验证，最终得出冒口颈偏大，冒口颈凝结时间的热影响较大，浇注温度偏高，双重因素导致冒口根部形成缩松缺陷。
3 方案优化
3.1 解决措施
(1)在冒口体不变的情况下，将原来的保温冒口颈ϕ60 mm 改为30 mm×60 mm×25 mm 的ϕ150 mm木质冒口，以控制铸件内石墨化膨胀[10-14]所产生的压力。
(2)将原来缸孔侧壁厚较薄处的冒口改为出气片，此处壁厚虽然复杂，但是铸件壁厚较薄且均匀，所以需要的补缩量较小，可以实现均衡凝固[15-21]。
(3)将原来的浇注温度1 370～1 380 ℃降为1 360～1 370 ℃。
3.2 试制验证
按照以上措施实施后首先试制2 件，经过加工验证，专用技术文件规定的超声探伤检查判定标准划分的Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ区域，测试在100 mm×100 mm 范围内均满足不大于ϕ3 mm 的缩松缺陷。调试的2 件较成功，未出现任何缩松问题，见图8，后续又生产了17 余台，均未出现此类缺陷。
图8 调试加工后无缺陷
Fig.8 No defects after commissioning and machining
4 结语
通过对QT400-15 牌号该机身的工艺优化设计、改进冒口颈尺寸形状、使用合适的出气片和控制合理的浇注温度，在局部不使用冷铁的情况下浇注温度范围控制在1 360～1 370 ℃之间，减少缩松倾向；采用鸭嘴型冒口径为30 mm×60 mm×25 mm 的ϕ150 mm 木质冒口。
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