基于減速器殼體鑄件在鑄造過程中出現的質量問題，系統研究了消失模鑄造工藝。結合減速器殼體結構特點和鑄造技術要求，優化了白模制備、鑄造材料選擇及工藝參數。通過實際生產發現了以疏松和碳化物夾雜為主的缺陷，并綜合利用電鏡掃描、金相分析及力學性能試驗，明確了缺陷成因。據此對鑄造工藝進行優化，優化后產品質量和生產效率均得到顯著提升。

1.引言

鑄造生產是獲得機械產品毛坯的主要手段之一，也是汽車制造過程中的關鍵環節。傳統鑄造工藝通常依賴于經驗設計，通過試澆注和反復改進工藝來消除缺陷，直至生產出合格的鑄件。減速器作為汽車傳動系統的核心部件，其性能直接影響整車的傳動效率和零部件壽命。減速器殼體是減速器的關鍵結構件，須承受多軸轉矩和較大反作用力，因此必須具備優異的抗沖擊性、耐磨性，并且具有高強度、高硬度和均勻致密的內部組織結構。已有研究表明，通過選用合適的鑄鐵材料并優化鑄造溫度和冷卻速率等工藝參數，可顯著提升材料的強度和延展性。

然而，實際生產中仍會引入增碳、澆不足、冷隔、氣孔、縮孔和縮松等缺陷，這些缺陷多與金屬液的充型和凝固過程密切相關。消失模鑄造是一種特殊工藝，可通過泡沫模型氣化實現復雜件的一體化成形，具有設計自由度高、成本低、精度高、環保節能的優點。該工藝中的充型和凝固過程對鑄件質量起到決定性作用。

因此，通過優化成形工藝提高鑄件質量，進而提升減速器殼體的性能，已成為當下的研究熱點。本研究基于減速器殼體的技術要求，系統規劃和設計鑄造工藝，具體包括材料選擇、澆注溫度、澆注時間等關鍵參數的確定與優化。通過對鑄造缺陷進行電鏡表面分析、金相組織分析和硬度分析，研究缺陷成因并據 此提出有針對性的工藝改進措施。

2.試驗方案

材料要求：

減速器殼體的主要材料為球墨鑄鐵(牌號為QT450)，其生產過程中的主要技術要求如下。力學性能要求：抗拉強度≥550MPa，屈服強度≥350MPa，材料伸長率≥10%，硬度為180～250HB。金相組織要求：球化級別為1～4級；珠光體含量為35%～75%；表層碳化物含量≤3%，芯部碳化物含量≤5%。化學成分含量要求見表1。

圖1　減速器殼體毛坯

效果檢測：

鑄件成品檢驗是鑄造過程中的關鍵環節，通過全面檢查鑄件尺寸、外觀和性能，能夠及時剔除不合格產品，確保出廠產品符合質量標準，從而提升客戶滿意度，并為生產工藝的優化和改進提供依據。目前常見缺陷包括氣孔、縮孔與縮松、夾渣與夾雜、裂紋、變形和粘砂。本研究中澆注的減速器殼體主要存在縮松和碳化物夾雜兩種缺陷，如圖2所示。

圖2　減速器殼體缺陷

采用水壓試驗法對減速器殼體進行壓力測試，將減速器殼體各接口密封后加壓并浸入水中，通過觀察氣泡，判斷泄漏情況。試驗中發現有氣泡產生，因此對減速殼體開展表面質量檢測，對缺陷區域進行取樣，標記試樣1和試樣2。用酒精清洗試樣初步去除油污后，再用超聲波清洗儀對試樣進行細致清理，隨后通過掃描電鏡分析試樣表面形貌。

對試樣1進行掃描電鏡分析，結果如圖3所示。通過低倍鏡觀察可知缺陷部位的特點：以空洞的形式離散的圓形和不規則形不均勻地分布于表面。通過高倍鏡觀察發現，這些空洞較為明顯且分布相對較廣，空洞周圍的基體組織呈現粗糙不平、不連續、晶粒較為粗大的特征，空洞中局部出現較小的球狀結晶。綜上可確定缺陷類型為疏松。

圖3　試樣1疏松缺陷形貌

缺陷區域能譜分析結果見圖4和表2。3個缺陷區域的圖譜均表明檢測到鋁、硅、錳、鐵和碳元素，其中圖譜3對應缺陷區域的碳和氧元素含量較高，說明該區域存在嚴重脫碳現象。脫碳是碳元素與爐氣中氧化性氣體在高溫下發生反應的結果，溫度越高，該現象越明顯。

圖4　試樣1疏松缺陷能譜分析

表2　試樣1疏松缺陷區域能譜分析結果 單位：%

對試樣2進行掃描電鏡分析，結果如圖5所示，可確定缺陷類型為碳化物夾雜。低倍鏡下可見缺陷在基體組織中分布較為集中，凹陷處呈現與周圍基體組織不同的顏色和對比度，明顯更明亮，如圖5a所示；高倍鏡下可見明亮的缺陷區域與基體組織之間存在明顯的分界，且在缺陷區域可見若干較小的凹坑，如圖5b所示。對兩個缺陷區域進行能譜分析(圖6)，其中圖譜1對應缺陷區域，圖譜2對應正常基體組織區域，分析結果見表3。由表3可知，圖譜1對應缺陷區域的碳元素、氧元素和硅元素含量較正常基體組織區域較高，其中硅元素含量較高會影響球墨鑄鐵的球墨形態。

圖5　試樣2碳化物夾雜缺陷形貌

圖6　試樣2碳化物夾雜缺陷能譜分析

表3　試樣2碳化物夾雜缺陷能譜分析結果 單位：%

對所取下的試樣進行拋光但不進行腐蝕處理，通過金相分析結果發現試樣1的疏松缺陷(圖7a)以空洞形式離散、不規則、不均勻地分布于組織中，在空洞邊緣存在明顯的脫碳現象；正常基體組織中的球墨大小不均(圖7b)。

圖7　試樣1疏松缺陷與正常基體組織金相分析結果

根據GB/T 9441—2021《球墨鑄鐵金相檢驗》對球墨鑄鐵的評定標準可知，試樣1球化級別為3級，球墨的圓整度P=0.8。試樣2中，碳化物夾雜缺陷處存在脫碳現象(圖8a)，還存在黑色條紋(圖8b)，遠離缺陷部位的正常基體組織中，球墨形狀較正常。

圖8 試樣2碳化物夾雜缺陷與正常基體組織金相分析結果

采用4%硝酸-酒精溶液作為腐蝕劑對試樣進行腐蝕后作金相分析，結果如圖9所示。由圖9可知，試樣1中疏松缺陷區域存在較大球墨，較小球墨分布在珠光體周圍，還有部分球墨分布在珠光體中；正常基體組織中的球墨大小不均且存在一定量的碳化物。

圖9　試樣1經腐蝕后疏松缺陷與正常基體組織金相分析結果

試樣2經腐蝕后的金相分析結果如圖10所示，可知臨近碳化物夾雜缺陷的球墨的形態與正常基體組織中的球墨的形態沒有明顯區別；缺陷處的碳化物呈現蠕蟲狀，且存在脫碳痕跡。根據GB/T 9441—2021對球墨鑄鐵的評定標準可知，試樣1和試樣2中的珠光體含量為35%。

圖10 試樣2經腐蝕后碳化物夾雜缺陷與正常基體組織金相分析結果

采用布氏硬度計對缺陷區域進行硬度測試，結果見表4。由表可知，缺陷1和缺陷2處平均硬度值分別只有106.14HB和106.44HB，均遠低于產品技術要求。

表4　缺陷部位硬度測試 單位：HB

針對疏松缺陷，通過掃描電鏡分析和能譜分析發現其以空洞形式離散、不均勻地分布于表面，碳和氧元素含量較高，空洞周圍組織不均勻且呈海綿團狀。針對碳化物夾雜缺陷，通過掃描電鏡分析和能譜分析發現其微觀形態與正常基體組織有明顯區別，且存在凹坑，碳、氧元素含量較高；通過金相分析發現碳化物夾雜缺陷呈現條狀且存在脫碳現象。疏松缺陷可能是由原材料存在雜質、澆注溫度過高、澆注速度過快或澆注系統設計不合理引起的，尤其在澆冒口附近，高溫和快速澆注導致鐵水凝固時體積劇烈收縮，易形成疏松。QT450含碳量較高(3.4%～3.9%)，鑄造中使用EPS白模高溫裂解(C8H8→8C+4H2↑)，產生的氣體和固態碳為碳化物夾雜提供了物質基礎，導致缺陷形成。

4.改進措施及檢測

改進措施:

針對減速器殼體存在的疏松和碳化物夾雜缺陷，提出以下改進措施。

（1）優化澆冒口設計。在熱節處設置澆冒口，補充凝固收縮所需的金屬液，以避免疏松缺陷。

（2）調整澆注參數。將澆注溫度控制在1420℃左右，同時將澆注時間縮短至26s，確保鐵水能夠平穩、 均勻地填充鑄型，從而消除縮孔問題。

（3）增加工藝余量。針對碳化物夾雜缺陷，可通過增加工藝余量聚集夾雜物，并在后續加工中將其去除，以獲得無碳化物夾雜缺陷的鑄件。

檢測:

在實際生產中實施上述改進措施，并對改進后鑄造的產品進行質量檢測，其結果：表面宏觀檢測未發現缺陷；三維尺寸和密封性檢測結果顯示，各項指標均滿足要求。對產品進行取樣并進行金相分析，結果如圖11所示。產品硬度檢測結果見表5。

圖11　改進后產品試樣金相分析結果

表5　改進后產品表面硬度 單位：HB

根據GB/T 9441—2021對球墨鑄鐵的評定標準可知，改進后產品材料組織為鐵素體+珠光體+球墨，其中球化率為80%，球墨等級評定為3級，珠光體含量為40%，滿足材料組織要求。此外，力學性能試驗結果顯示，產品平均硬度為194.3HB，抗拉強度為586MPa，屈服強度為365MPa，平均延伸率為11.2%，各項力學性能均滿足技術要求。

5.結論

本研究針對減速器殼體在消失模鑄造過程中出現的疏松與碳化物夾雜缺陷，開展了一系列工藝優化研究，具體如下。

（1）優化澆冒口設計以利于補縮。

（2）將澆注溫度從1450℃調整至1420℃左右，并適當延長澆注時間至26秒以促進平穩充型。

（3）增加了工藝余量以富集并去除夾雜物。經驗證，上述優化措施效果顯著，優化后鑄件表面質量完好，密封性合格。同時改進后的鑄件內部組織與力學性能均達到技術要求：金相組織為鐵素體+珠光體+球墨，球化率達80%，球墨等級為3級，珠光體含量為40%；硬度提升至194.3HB，抗拉強度、屈服強度和延伸率分別達到586MPa、365MPa 和11.2%。

綜上所述，本研究通過缺陷成因分析、工藝參數優化與效果驗證，有效提升了減速器殼體鑄件的質量與一致性，為類似復雜結構件的消失模鑄造生產提供了可行的工藝控制方案，具有明確的工程應用價值。

參考文獻：略。

作者簡介：白浩龍(2000—)，男，碩士研究生在讀，研究方向為鎂合金磷化成膜。