缸蓋漏水原因分析與措施

白 飛，潘雅麗

（廣西玉柴機(jī)器股份有限公司廣西玉林 537005）

進(jìn)入21世紀(jì)，汽車工業(yè)隨著國(guó)家加入世界貿(mào)易組織之后，進(jìn)行了一個(gè)快速增長(zhǎng)和發(fā)展時(shí)期。伴隨著國(guó)外大型跨國(guó)企業(yè)不斷進(jìn)入中國(guó)市場(chǎng)，國(guó)內(nèi)汽車行業(yè)的發(fā)展競(jìng)爭(zhēng)日益激烈。各生產(chǎn)廠家對(duì)低排放、低油耗、低噪音等更為重視。這就對(duì)汽車的心臟——發(fā)動(dòng)機(jī)提出更高要求，伴隨著汽車發(fā)動(dòng)機(jī)的薄壁化、形狀復(fù)雜化、尺寸精度要求高、可靠性好等一系列新的趨勢(shì)，發(fā)動(dòng)機(jī)缸蓋的可靠性鑄造過程也越來(lái)越成為人們關(guān)注的焦點(diǎn)之一。

玉柴4110氣缸蓋是Y C4 E柴油機(jī)的基礎(chǔ)變形機(jī)缸蓋，通用名還有E 0200氣缸蓋，其特點(diǎn)是壁薄，質(zhì)量輕，市場(chǎng)適應(yīng)性大，圖1為4110缸蓋毛坯圖。

1 缸蓋漏水情況統(tǒng)計(jì)

玉柴4110氣缸蓋牌號(hào)為H T 250，單件質(zhì)量60kg，年產(chǎn)4000件以上。鑄造工藝為SWZ 128微震壓實(shí)造型生產(chǎn)線，砂芯全部為冷芯盒制芯工藝。熔煉鐵水為沖天爐與工頻爐雙聯(lián)熔煉，澆注溫度1380℃～1420℃，鐵水成份w（C）：3.15%～3.35%，w（Si）：1.8%～2.2%，w（S）：0.06%～0.12%，w（Mn）：0.6%～0.9%，w（Cu）：0.5%～0.7%，w（Cr）：0.2%～0.35%.

圖1 4110缸蓋毛坯圖

2011年以來(lái)該缸蓋轉(zhuǎn)產(chǎn)到我車間生產(chǎn)，車間相關(guān)人員經(jīng)過各方面努力將廢品降低到1%左右，然而卻發(fā)現(xiàn)該機(jī)型的漏水率一直居高不下。

2012年上半年，車間技術(shù)人員對(duì)4110缸蓋漏水進(jìn)行統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)1至4月份平均漏水率達(dá)到19.74%，最高漏水率達(dá)到25.97%（見圖2）。漏水的主要位置分布在第三排搖臂座過釘孔位置，統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)搖臂座過釘孔漏水分布情況為第二搖臂座孔漏52%，第三搖臂座孔漏5%，第四搖臂座孔漏33%，其他占10%左右。

2 漏水原因分析

玉柴4110缸蓋屬于完全使用冷芯砂成型，芯砂主體芯組和氣道芯全部使用鉻礦復(fù)合砂，底蓋盤芯使用石英砂，砂芯組將整個(gè)鑄型成型而成。

漏水位置在搖臂座過釘孔位置，此孔屬于非鑄出孔，相對(duì)壁厚在28 mm以上，較4110缸蓋平均壁厚6 mm大的多，根據(jù)灰鐵材質(zhì)均衡凝固原理，分析認(rèn)為熱節(jié)是導(dǎo)致漏水的一個(gè)原因。

圖2 4110缸蓋漏水率統(tǒng)計(jì)

而從結(jié)構(gòu)上分析，發(fā)現(xiàn)漏水位置相對(duì)蓋盤芯直澆道位置距離只有12 mm，直澆道在澆注結(jié)束后由于凝固緩慢，雖然直澆道與鑄件沒有直接接觸但是由于距離較近對(duì)第2、4搖臂座導(dǎo)管孔的熱作用非常強(qiáng)烈，這是導(dǎo)致第2、4搖臂座過釘孔的漏水率明顯比其他位置高的原因之一。

4110缸蓋鐵水流動(dòng)性分析，發(fā)現(xiàn)內(nèi)澆口屬于圓形，擋渣效果較差，而且階梯澆注系統(tǒng)，下排進(jìn)水相對(duì)較緩慢，是導(dǎo)致漏水的另一個(gè)關(guān)鍵因素。

3 解決漏水措施

3.1 增加內(nèi)冷鐵急冷面積

通過對(duì)4110缸蓋在工藝設(shè)計(jì)的時(shí)候是沒有考慮內(nèi)冷鐵使用的，后來(lái)經(jīng)過車間生產(chǎn)開發(fā)出一種鋼套式內(nèi)冷鐵，其材質(zhì)為低碳鋼，卷成卷狀，表面鍍銅防銹如圖4 a）所示。

為了檢驗(yàn)該開放式冷卻套的急冷效果，先嘗試不用內(nèi)冷鐵試驗(yàn)20件，試驗(yàn)結(jié)果是不放冷卻套漏水率依然達(dá)到30%左右，與放冷卻套相差不大（圖3）。其后，我們重新設(shè)計(jì)一個(gè)增加急冷面積較大內(nèi)冷鐵，全封閉式冷卻套（見圖4 b）。漏水率一下子下降到5%左右，但是放置封閉式冷卻套的位置出現(xiàn)氣孔缺陷。

圖3 冷卻套放置示意圖

分析認(rèn)為4110缸蓋過釘孔位置放置封閉式冷卻套產(chǎn)生氣孔缺陷的原因是由于鑄件屬于側(cè)澆缸蓋，冷卻套放在鑄型內(nèi)時(shí)屬于橫著擺放，鐵水從冷卻套的兩頭進(jìn)水，在冷卻套內(nèi)部匯集，在鐵水界面處氣體或者冷鐵水無(wú)法及時(shí)排出，最后形成氣孔缺陷。

但是封閉式冷卻套相對(duì)于開放式冷卻套，其表面積較大，與鐵水接觸面積大，激冷效果非常好，是解決搖臂座導(dǎo)管孔漏水的有效措施?；诖?，在封閉式冷卻套的基礎(chǔ)上經(jīng)過改進(jìn)重新設(shè)計(jì)了狹縫式冷卻套，冷卻套在原有封閉式基礎(chǔ)上改進(jìn)增加三處5mm×40 mm的狹縫將鐵水匯集處的氣體排出冷卻套外，如圖4 c）所示.

圖4 內(nèi)冷鐵改進(jìn)方案圖

實(shí)踐證明，使用狹縫式冷卻套可以大大降低4110缸蓋搖臂座過釘孔位置的漏水率。

3.2 優(yōu)化澆注系統(tǒng)

4110缸蓋澆注系統(tǒng)全部在蓋盤芯上形成，如圖5所示，直澆道（相對(duì)于砂型上的直澆道，此位置屬于第二分直澆道），濾網(wǎng)座下方的兩個(gè)分直澆道呈圓柱形，直徑φ40 mm，分直澆道距離缸蓋砂芯厚度只有12 mm.

圖54110 缸蓋原澆注系統(tǒng)圖

由于砂芯較薄，而過釘孔位置剛好在砂芯另外一面的正對(duì)分直澆道位置，圓柱形直澆道對(duì)搖臂座過釘孔處熱作用較強(qiáng)烈。經(jīng)分析決定將分直澆道截面積改為矩形，增加分直澆道與鑄件熱節(jié)部位的直線距離，如圖6所示。

圖64110 澆注系統(tǒng)方案一改進(jìn)圖

分直澆道截面積改為矩形后，分直澆道位置芯壁厚增大，在一定程度上減少搖臂座的熱作用，然漏水問題依然嚴(yán)重。小批量試驗(yàn)中，試驗(yàn)數(shù)量為50件，加工后試漏，漏水3件，漏水率依然達(dá)到6%。

分析方案一失敗的原因是，4110缸蓋采用的是階梯式澆注，上層橫澆道與兩個(gè)分直澆道相連，絕大部分情況下，鐵水依然通過下排進(jìn)水，對(duì)改善熱輻射沒有起到多大作用。

圖74110 缸蓋澆注系統(tǒng)方案二改進(jìn)圖

于是制定了如圖7所示的方案二，從圖7可以看出，方案二中澆注系統(tǒng)將橫澆道一分為二，而且內(nèi)澆口由原來(lái)的圓形改為矩形。兩個(gè)分開后的澆注系統(tǒng)，有效地杜絕兩分直澆道鐵液的相互干擾，避免了紊流形成以及二次氧化夾渣和卷氣導(dǎo)致氣孔和渣孔產(chǎn)生。此外，將由圓形改成矩形后，內(nèi)澆道距橫澆道頂面的距離增大，在鐵水從橫澆道進(jìn)入內(nèi)澆口的過程中，有效地起到擋渣作用，凈化了鐵液。

隨后的試驗(yàn)結(jié)果證實(shí)了方案二澆注系統(tǒng)的可行性。試驗(yàn)數(shù)量為40件，漏水?dāng)?shù)量0件，效果顯著。

4 結(jié)束語(yǔ)

實(shí)踐表明，增大內(nèi)冷鐵冷卻鋼套的急冷面積可以有效地起到局部急冷效果，同時(shí)通過優(yōu)化澆注系統(tǒng)可以改善鐵水流動(dòng)的穩(wěn)定性和防止鐵水澆注過程中的氧化渣進(jìn)入鑄型，有效地解決了4110缸蓋漏水問題。