基于减速器壳体铸件在铸造过程中出现的质量问题，系统研究了消失模铸造工艺。结合减速器壳体结构特点和铸造技术要求，优化了白模制备、铸造材料选择及工艺参数。通过实际生产发现了以疏松和碳化物夹杂为主的缺陷，并综合利用电镜扫描、金相分析及力学性能试验，明确了缺陷成因。据此对铸造工艺进行优化，优化后产品质量和生产效率均得到显著提升。

1.引言

铸造生产是获得机械产品毛坯的主要手段之一，也是汽车制造过程中的关键环节。传统铸造工艺通常依赖于经验设计，通过试浇注和反复改进工艺来消除缺陷，直至生产出合格的铸件。减速器作为汽车传动系统的核心部件，其性能直接影响整车的传动效率和零部件寿命。减速器壳体是减速器的关键结构件，须承受多轴转矩和较大反作用力，因此必须具备优异的抗冲击性、耐磨性，并且具有高强度、高硬度和均匀致密的内部组织结构。已有研究表明，通过选用合适的铸铁材料并优化铸造温度和冷却速率等工艺参数，可显著提升材料的强度和延展性。

然而，实际生产中仍会引入增碳、浇不足、冷隔、气孔、缩孔和缩松等缺陷，这些缺陷多与金属液的充型和凝固过程密切相关。消失模铸造是一种特殊工艺，可通过泡沫模型气化实现复杂件的一体化成形，具有设计自由度高、成本低、精度高、环保节能的优点。该工艺中的充型和凝固过程对铸件质量起到决定性作用。

因此，通过优化成形工艺提高铸件质量，进而提升减速器壳体的性能，已成为当下的研究热点。本研究基于减速器壳体的技术要求，系统规划和设计铸造工艺，具体包括材料选择、浇注温度、浇注时间等关键参数的确定与优化。通过对铸造缺陷进行电镜表面分析、金相组织分析和硬度分析，研究缺陷成因并据 此提出有针对性的工艺改进措施。

2.试验方案

材料要求：

减速器壳体的主要材料为球墨铸铁(牌号为QT450)，其生产过程中的主要技术要求如下。力学性能要求：抗拉强度≥550MPa，屈服强度≥350MPa，材料伸长率≥10%，硬度为180～250HB。金相组织要求：球化级别为1～4级；珠光体含量为35%～75%；表层碳化物含量≤3%，芯部碳化物含量≤5%。化学成分含量要求见表1。

图1　减速器壳体毛坯

效果检测：

铸件成品检验是铸造过程中的关键环节，通过全面检查铸件尺寸、外观和性能，能够及时剔除不合格产品，确保出厂产品符合质量标准，从而提升客户满意度，并为生产工艺的优化和改进提供依据。目前常见缺陷包括气孔、缩孔与缩松、夹渣与夹杂、裂纹、变形和粘砂。本研究中浇注的减速器壳体主要存在缩松和碳化物夹杂两种缺陷，如图2所示。

图2　减速器壳体缺陷

采用水压试验法对减速器壳体进行压力测试，将减速器壳体各接口密封后加压并浸入水中，通过观察气泡，判断泄漏情况。试验中发现有气泡产生，因此对减速壳体开展表面质量检测，对缺陷区域进行取样，标记试样1和试样2。用酒精清洗试样初步去除油污后，再用超声波清洗仪对试样进行细致清理，随后通过扫描电镜分析试样表面形貌。

对试样1进行扫描电镜分析，结果如图3所示。通过低倍镜观察可知缺陷部位的特点：以空洞的形式离散的圆形和不规则形不均匀地分布于表面。通过高倍镜观察发现，这些空洞较为明显且分布相对较广，空洞周围的基体组织呈现粗糙不平、不连续、晶粒较为粗大的特征，空洞中局部出现较小的球状结晶。综上可确定缺陷类型为疏松。

图3　试样1疏松缺陷形貌

缺陷区域能谱分析结果见图4和表2。3个缺陷区域的图谱均表明检测到铝、硅、锰、铁和碳元素，其中图谱3对应缺陷区域的碳和氧元素含量较高，说明该区域存在严重脱碳现象。脱碳是碳元素与炉气中氧化性气体在高温下发生反应的结果，温度越高，该现象越明显。

图4　试样1疏松缺陷能谱分析

表2　试样1疏松缺陷区域能谱分析结果 单位：%

对试样2进行扫描电镜分析，结果如图5所示，可确定缺陷类型为碳化物夹杂。低倍镜下可见缺陷在基体组织中分布较为集中，凹陷处呈现与周围基体组织不同的颜色和对比度，明显更明亮，如图5a所示；高倍镜下可见明亮的缺陷区域与基体组织之间存在明显的分界，且在缺陷区域可见若干较小的凹坑，如图5b所示。对两个缺陷区域进行能谱分析(图6)，其中图谱1对应缺陷区域，图谱2对应正常基体组织区域，分析结果见表3。由表3可知，图谱1对应缺陷区域的碳元素、氧元素和硅元素含量较正常基体组织区域较高，其中硅元素含量较高会影响球墨铸铁的球墨形态。

图5　试样2碳化物夹杂缺陷形貌

图6　试样2碳化物夹杂缺陷能谱分析

表3　试样2碳化物夹杂缺陷能谱分析结果 单位：%

对所取下的试样进行抛光但不进行腐蚀处理，通过金相分析结果发现试样1的疏松缺陷(图7a)以空洞形式离散、不规则、不均匀地分布于组织中，在空洞边缘存在明显的脱碳现象；正常基体组织中的球墨大小不均(图7b)。

图7　试样1疏松缺陷与正常基体组织金相分析结果

根据GB/T 9441—2021《球墨铸铁金相检验》对球墨铸铁的评定标准可知，试样1球化级别为3级，球墨的圆整度P=0.8。试样2中，碳化物夹杂缺陷处存在脱碳现象(图8a)，还存在黑色条纹(图8b)，远离缺陷部位的正常基体组织中，球墨形状较正常。

图8 试样2碳化物夹杂缺陷与正常基体组织金相分析结果

采用4%硝酸-酒精溶液作为腐蚀剂对试样进行腐蚀后作金相分析，结果如图9所示。由图9可知，试样1中疏松缺陷区域存在较大球墨，较小球墨分布在珠光体周围，还有部分球墨分布在珠光体中；正常基体组织中的球墨大小不均且存在一定量的碳化物。

图9　试样1经腐蚀后疏松缺陷与正常基体组织金相分析结果

试样2经腐蚀后的金相分析结果如图10所示，可知临近碳化物夹杂缺陷的球墨的形态与正常基体组织中的球墨的形态没有明显区别；缺陷处的碳化物呈现蠕虫状，且存在脱碳痕迹。根据GB/T 9441—2021对球墨铸铁的评定标准可知，试样1和试样2中的珠光体含量为35%。

图10 试样2经腐蚀后碳化物夹杂缺陷与正常基体组织金相分析结果

采用布氏硬度计对缺陷区域进行硬度测试，结果见表4。由表可知，缺陷1和缺陷2处平均硬度值分别只有106.14HB和106.44HB，均远低于产品技术要求。

表4　缺陷部位硬度测试 单位：HB

针对疏松缺陷，通过扫描电镜分析和能谱分析发现其以空洞形式离散、不均匀地分布于表面，碳和氧元素含量较高，空洞周围组织不均匀且呈海绵团状。针对碳化物夹杂缺陷，通过扫描电镜分析和能谱分析发现其微观形态与正常基体组织有明显区别，且存在凹坑，碳、氧元素含量较高；通过金相分析发现碳化物夹杂缺陷呈现条状且存在脱碳现象。疏松缺陷可能是由原材料存在杂质、浇注温度过高、浇注速度过快或浇注系统设计不合理引起的，尤其在浇冒口附近，高温和快速浇注导致铁水凝固时体积剧烈收缩，易形成疏松。QT450含碳量较高(3.4%～3.9%)，铸造中使用EPS白模高温裂解(C8H8→8C+4H2↑)，产生的气体和固态碳为碳化物夹杂提供了物质基础，导致缺陷形成。

4.改进措施及检测

改进措施:

针对减速器壳体存在的疏松和碳化物夹杂缺陷，提出以下改进措施。

（1）优化浇冒口设计。在热节处设置浇冒口，补充凝固收缩所需的金属液，以避免疏松缺陷。

（2）调整浇注参数。将浇注温度控制在1420℃左右，同时将浇注时间缩短至26s，确保铁水能够平稳、 均匀地填充铸型，从而消除缩孔问题。

（3）增加工艺余量。针对碳化物夹杂缺陷，可通过增加工艺余量聚集夹杂物，并在后续加工中将其去除，以获得无碳化物夹杂缺陷的铸件。

检测:

在实际生产中实施上述改进措施，并对改进后铸造的产品进行质量检测，其结果：表面宏观检测未发现缺陷；三维尺寸和密封性检测结果显示，各项指标均满足要求。对产品进行取样并进行金相分析，结果如图11所示。产品硬度检测结果见表5。

图11　改进后产品试样金相分析结果

表5　改进后产品表面硬度 单位：HB

根据GB/T 9441—2021对球墨铸铁的评定标准可知，改进后产品材料组织为铁素体+珠光体+球墨，其中球化率为80%，球墨等级评定为3级，珠光体含量为40%，满足材料组织要求。此外，力学性能试验结果显示，产品平均硬度为194.3HB，抗拉强度为586MPa，屈服强度为365MPa，平均延伸率为11.2%，各项力学性能均满足技术要求。

5.结论

本研究针对减速器壳体在消失模铸造过程中出现的疏松与碳化物夹杂缺陷，开展了一系列工艺优化研究，具体如下。

（1）优化浇冒口设计以利于补缩。

（2）将浇注温度从1450℃调整至1420℃左右，并适当延长浇注时间至26秒以促进平稳充型。

（3）增加了工艺余量以富集并去除夹杂物。经验证，上述优化措施效果显著，优化后铸件表面质量完好，密封性合格。同时改进后的铸件内部组织与力学性能均达到技术要求：金相组织为铁素体+珠光体+球墨，球化率达80%，球墨等级为3级，珠光体含量为40%；硬度提升至194.3HB，抗拉强度、屈服强度和延伸率分别达到586MPa、365MPa 和11.2%。

综上所述，本研究通过缺陷成因分析、工艺参数优化与效果验证，有效提升了减速器壳体铸件的质量与一致性，为类似复杂结构件的消失模铸造生产提供了可行的工艺控制方案，具有明确的工程应用价值。

参考文献：略。

作者简介：白浩龙(2000—)，男，硕士研究生在读，研究方向为镁合金磷化成膜。