聯(lián)體缸蓋氣孔缺陷的防止

王 超，尚嘉麗，齊亞平

（濰柴動力（濰坊）鑄鍛有限公司，山東濰坊 261061）

發(fā)動機(jī)是汽車動力的源泉，直接影響著汽車的油耗、排放和動力性能。氣缸蓋是發(fā)動機(jī)的關(guān)鍵部件之一，聯(lián)體缸蓋相比單體缸蓋來說結(jié)構(gòu)更加復(fù)雜，功能性要求更高，生產(chǎn)中所使用的砂芯眾多，在澆注過程中會產(chǎn)生大量的氣體。如果砂芯產(chǎn)生的氣體不能順利排出，則極易產(chǎn)生氣孔缺陷。

氣孔是鑄件最常見的一種缺陷。它不但減少鑄件的有效斷面積，而且還產(chǎn)生應(yīng)力集中，成為零件斷裂的裂紋源，明顯降低鑄件的強(qiáng)度和塑性。尤其是形狀不規(guī)則的氣孔不僅增加缺口敏感性使金屬強(qiáng)度下降，而且還降低鑄件的疲勞強(qiáng)度。彌散性的氣孔使鑄件組織疏松，降低鑄件的氣密性。氣孔缺陷占總廢品率的25%～80%，氣孔的防止成為鑄造工作者急需解決的問題。

1 生產(chǎn)現(xiàn)狀

我公司生產(chǎn)的某型號缸蓋材料的牌號為HT280,采用的是德國HOS靜壓造型線生產(chǎn)。其水腔形狀復(fù)雜，最薄處厚度僅有5mm。澆注系統(tǒng)采用底注式，澆注溫度在1390℃～1410℃。采用的砂芯數(shù)量較多，芯子的排氣問題成為影響缸蓋質(zhì)量的重要因素。除了水夾層外均采用冷芯，發(fā)氣速度慢，發(fā)氣量大，容易產(chǎn)生氣孔。氣孔缺陷主要在鑄件的頂面上或者頂面的皮下，氣孔數(shù)量少，但尺寸較大；孔壁光滑，一般呈圓形或者梨形。氣孔在缸蓋的位置如圖1所示。經(jīng)過統(tǒng)計得知氣孔缺陷占總廢品數(shù)的60%以上（圖 2）。

圖1 氣孔缺陷在缸蓋上的位置

圖2 缺陷原因的pareto圖

2 氣孔原因分析

氣缸蓋上的氣孔屬于侵入性氣孔，經(jīng)過分析，氣孔的產(chǎn)生主要與以下幾個方面有關(guān)：①因為氣缸蓋自身帶有氣道、水道、燃燒室等復(fù)雜的內(nèi)腔結(jié)構(gòu)，使用芯子眾多，鑄型、砂芯還有涂料中的水分、粘結(jié)劑、樹脂等分解或者燃燒產(chǎn)生的大量氣體因為排氣不通暢進(jìn)入鐵液，凝固時不能順利排出從而形成氣孔；②澆注速度太慢，鐵液充型不平穩(wěn)，有氣體卷入；③鑄型中水分蒸發(fā)，其他原輔材料的燃燒或者分解產(chǎn)生大量氣體；④砂芯整體浸涂后涂料的二次烘干水分超標(biāo)；⑤鐵液溫度低、流動性不足也是導(dǎo)致氣體無法排出的重要原因。

3 改進(jìn)措施

3.1 澆注系統(tǒng)的改進(jìn)

起初澆注系統(tǒng)模擬充型過程如圖3所示，三四缸位置的頂部溫度較低，氣孔缺陷主要集中在這兩處。后考慮在中間增加一組內(nèi)澆道，如圖4紅色部分所示，增加一組內(nèi)澆道后充型更加平穩(wěn)，氣孔大小明顯變小，數(shù)量大大減少。

圖3 氣缸蓋充型模擬圖

圖4 增加一組內(nèi)澆道

3.2 加強(qiáng)砂芯（型）的排氣

（1）進(jìn)排氣道芯鉆孔

進(jìn)排氣道芯是實心的，發(fā)氣量大，氣體容易聚集在頂部，采用?5mm鉆頭在芯頭處鉆30mm～40mm深的出氣孔后，產(chǎn)生的氣體通過中間的孔到達(dá)出氣冒口，排氣效果好，可以有效防止氣孔的產(chǎn)生。下圖5為鉆孔后的進(jìn)排氣道照片。

（2）配合間隙的調(diào)整

氣缸蓋水夾層砂芯、氣道芯芯頭與芯座配合間隙要適當(dāng)?shù)剡M(jìn)行調(diào)整，保證芯頭密封良好，防止鐵液進(jìn)入排氣通道，保證氣體順利排出。

圖5 鉆孔后的進(jìn)排氣道

（3）增加出氣針的數(shù)量

原先設(shè)計上模板中間有3個出氣針，后來增加到7個，如圖6所示。

圖6 上模板中間增加出氣針

（4）增加石棉墊圈

水夾層砂芯位置放置耐火石棉墊圈，既能阻擋鐵液封住排氣通道，又可以保證氣體順利排出。這樣可以有效防止氣孔缺陷。

3.3 嚴(yán)格控制二次烘干水分

砂芯整體浸涂涂料后需要進(jìn)表干爐烘干，起初設(shè)置表干爐的溫度為170℃，在該溫度下粘結(jié)砂芯的熱熔膠沒有超過熔點，揮發(fā)較少，雖然能夠保證砂芯之間的有效結(jié)合，但是二次烘干水分達(dá)到了1.0%。后改變單純采用熱熔膠粘結(jié)砂芯的方式，采用熱熔膠與砂芯粘結(jié)劑同時使用，熱熔膠起到快速固化的作用，設(shè)置表干爐的溫度為190℃，加熱時間為90min，砂芯通過表干爐時熱熔膠已經(jīng)揮發(fā)，粘結(jié)劑起到粘結(jié)作用。通過改變粘結(jié)方式，提高表干爐的溫度和時間，有效降低了二次烘干水分，可以達(dá)到要求的0.6%以下。

3.4 提高澆注溫度和澆注速度

澆注溫度低，鐵液粘度大，卷入鐵液的氣體上浮阻力大，就容易產(chǎn)生氣孔缺陷。但是澆注溫度太高又容易引發(fā)粘砂、斷芯等缺陷，因此需要找一個平衡點，綜合考慮將澆注溫度由原先的1390℃～1410℃提高到1400℃～1420℃。合適的澆注速度對防止氣孔的產(chǎn)生也有很大影響，澆注速度太慢，金屬液冷卻快，容易產(chǎn)生澆不足、冷隔及夾渣等缺陷；澆注速度太快，鑄型中的氣體來不及排出容易產(chǎn)生氣孔。同時還容易產(chǎn)生沖砂、跑火等。根據(jù)經(jīng)驗公式和現(xiàn)場情況，確定采用先慢后快再慢的澆注方式，澆注時間控制在 20s～24s之間。

現(xiàn)在經(jīng)過對工藝優(yōu)化及改進(jìn)措施的固化，聯(lián)體缸蓋的氣孔缺陷得到有效控制，圖7為氣孔缺陷得到解決后的缸蓋鑄件。

圖7 氣孔缺陷得到解決后的缸蓋

4 結(jié)束語

通過增加砂芯、砂型出氣通道；嚴(yán)格控制二次烘干水分和適當(dāng)提高澆注溫度和澆注速度等措施來防止氣孔的產(chǎn)生。現(xiàn)在經(jīng)過對工藝優(yōu)化及改進(jìn)措施的固化，聯(lián)體缸蓋的氣孔缺陷得到有效控制，廢品率已經(jīng)明顯降低，達(dá)到了公司質(zhì)量控制目標(biāo)。

[1]中國機(jī)械工程學(xué)會，鑄造分會.鑄造分冊：第四卷造型材料[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2002.

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[3]鑄造學(xué)會編.鑄造手冊（第五卷 鑄造工藝）[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1994.

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