主軸承蓋鑄件的無冒口鑄造工藝

李棟，何媛，孟慶文，唐昆貴，周樹楊

（共享裝備有限公司，寧夏銀川750021）

主軸承蓋鑄件的無冒口鑄造工藝

李棟，何媛，孟慶文，唐昆貴，周樹楊

（共享裝備有限公司，寧夏銀川750021）

球墨鑄鐵在形成過程中具有明顯的石墨化膨脹，可以有效地抵消鐵水在液態(tài)收縮、凝固收縮過程中的收縮量，如果石墨化膨脹的體積大于鐵水在液態(tài)收縮、凝固收縮的體積之和，就有實現無冒口鑄造的可能性。文中涉及的兩種型號的主軸承蓋均采用了無冒口鑄造工藝，此兩種型號的主軸承蓋，雖然螺栓孔處的加工方式不同、澆注位置不同，但結構類似、單重相近，最終都實現了無冒口鑄造。

主軸承蓋；無冒口；自補縮

主軸承蓋作為柴油機的關鍵受力部件，其用量較大，如直列八缸柴油機共需要9個主軸承蓋(包括7個主軸承蓋、1個第一主軸承蓋、1個止推主軸承蓋），所以主軸承蓋的市場需求量非常大，再如要組裝200臺某型號中速柴油機機體就需要上千件主軸承蓋鑄件。如果能夠在保證鑄件質量的前提條件下，利用無冒口鑄造技術，提高工藝出品率，減少鑄件清理用時，則可以顯著提高主軸承蓋類產品的交貨及時率和經濟效益。

目前我公司主要生產兩種型號的主軸承蓋，此兩者結構類似，且均無U T、R T探傷要求，如表1為顧客技術條件，圖1為成品鑄件三維圖。按照顧客技術條件分析，只要加工部位加工之后沒有缺陷外露，鑄件內部質量即滿足要求，故考慮使用無冒口鑄造工藝來提高工藝出品率，節(jié)約鑄件清理時間。

1 無冒口鑄造的理論基礎

表1 顧客技術條件

圖1 主軸承蓋鑄件圖

根據多年的鑄造生產經驗，球墨鑄鐵件要實現無冒口鑄造需要有以下基本條件：

1）鑄型剛度要能抵抗石墨化膨脹產生的力。如果鑄型剛度不夠，鑄型會在石墨化膨脹過程中產生鑄型漂移，導致液態(tài)補縮量增加；自硬樹脂砂的鑄型能保證較好的鑄型剛度，只要卡箱、壓箱方法得當，在球墨鑄鐵的石墨化膨脹過程中不會發(fā)生型壁漂移；

2）鐵液的冶金質量有利于石墨化。碳當量要分不同壁厚、鑄件單重等因素加以考慮，如小薄件C E值質量分數應控制在4.4%～4.55%，中大件C E值應控制在4.2%～4.4%,厚大件C E值質量分數應控制在4.0%～4.3%，鐵水孕育要充分，保證有足夠的膨脹量來補償鑄件凝固收縮后的空隙；

3）澆注溫度應控制在1 350℃以內，過高的澆注溫度會導致比較大的液態(tài)收縮；

4）內澆道設計的盡可能薄，加快凝封，保證在石墨化膨脹時型腔內的壓力不會松弛；

5）快澆。保證充型后剛開始凝固時，鑄型內的溫度場盡可能的均勻。

綜上，結合主軸承蓋鑄件的技術、質量要求，提出了低澆溫、高碳當量的無冒口工藝設計思路，即可解決關鍵加工部位的縮松。

圖2 主軸承蓋鑄件凝固模擬結果

2 顧客圖紙及技術條件研讀

240和280主軸承蓋二者的主要區(qū)別在于螺栓孔加工范圍有別，鑄件結構類似。240主軸承蓋整個螺栓孔均為加工面，280主軸承蓋的螺栓孔只有管口為加工面，內部全部為非加工面。主軸承蓋鑄件的外觀需要按照E N 1369標準S M2、LM2級別的要求進行磁粉檢測。另外，顧客技術條件特別強調所有加工部位加工之后不允許有缺陷外漏。

經過初步的凝固過程模擬（熱節(jié)處放了冷鐵）分析，確定的主軸承蓋類產品的工藝設計思路：①如果整個螺栓孔都是加工孔，按照缺陷加工不外露的要求，需要用立澆工藝來保證；②如果螺栓孔不加工則采用平澆工藝；③按照順序凝固的原則在熱節(jié)等重要部位放置直冷冷鐵，降低鑄件局部模數，形成補縮梯度，冷鐵材質為H T200；④澆注系統(tǒng)中使用過濾網。凝固模擬如圖2所示：a)圖中可以看出縮松、縮孔缺陷出現概率最大的位置在鑄件中心（圖a)中黃色區(qū)域），距離加工面較遠；b)圖可以看出，兩個螺栓孔附近均有兩處位置有可能出現縮松、縮孔缺陷，但是缺陷發(fā)生的概率很?。▓D中右邊的標尺表示縮松、縮孔出現的概率），并且距螺栓孔還有一定的距離，加工后缺陷也不會外漏，所以模擬結果合格。

3 工藝設計及模擬驗證

采用現有工藝生產的主軸承蓋鑄件報廢的主要原因是M T探傷不合格以及加工過程中夾砂、夾渣、縮松（橫拉螺栓孔處）等缺陷外漏。由于此類鑄件是與柴油機機體裝配后再加工，若主軸承蓋鑄件報廢，則也將導致十幾噸的柴油機機體報廢，所以顧客對主軸承蓋鑄件的質量穩(wěn)定性要求極高。

通過對現有工藝的分析，認為夾雜類缺陷主要是澆注系統(tǒng)擋渣作用不明顯導致的，原澆注系統(tǒng)未使用有擋渣、浮渣作用的澆口杯，而且未使用過濾網，擋渣效果不好。橫拉螺栓孔處雖然放置了冷鐵，但是冷鐵厚度不足以激冷此處的熱節(jié)。為此，對原工藝進行了改進。首先，重新設計了澆注系統(tǒng)，并通過M A G M A充型模擬驗證，確保充型過程平穩(wěn)、無紊流；其次，去除了多余的冷鐵和無補縮作用的冒口，保留并加厚了橫拉螺栓孔處的冷鐵。

改進后的240主軸承蓋和280主軸承蓋工藝均使用開放式澆注系統(tǒng)，阻流截面均設置在直澆道上。其中，240主軸承蓋為串聯(lián)澆注（1箱4件），如圖3所示，直澆道、橫澆道、內澆道的截面積比為1∶2.3∶2.6，圓形內澆道直徑與鑄件壁厚的比為1：6，其每件采用6處φ10mm的出氣眼代替補縮冒口，使得型腔總出氣截面積均是阻流截面積的1.5倍；280主軸承蓋為疊芯澆注系統(tǒng)（1箱6件），如圖4所示，直澆道、橫澆道、內澆道的截面積比為1∶1.9∶2.5，寬邊形內澆道與鑄件壁厚的比為1∶8，其每件采用4處15mm的出氣眼代替補縮冒口，使得型腔總出氣截面積均是阻流截面積的2.1倍。此兩種型號的主軸承蓋鑄件的澆注溫度均較低，具體地，240主軸承蓋設計澆注溫度為1330℃±10℃，280主軸承蓋設計澆注溫度為1 350℃± 10℃，且兩種型號的主軸承蓋鑄件的C E值質量分數控制在4.35%～4.55%之間（以3.6%碳，2.55%硅為例）。240主軸承蓋立澆工藝（1箱4件，串聯(lián)澆注），澆注時間15s；280主軸承蓋1箱6件，澆注時間23 s，均實現了快澆。因兩種主軸承蓋鑄件內澆道的截面均較小，使得其內澆道在鑄件本體凝固之前就已經凝封。

圖3 240主軸承蓋工藝圖

圖4 280主軸承蓋工藝圖

4 生產驗證

主軸承蓋鑄件的造型、制芯使用的是呋喃樹脂砂，砂子目數為40/70，樹脂加入量為砂子的1.1%（重量比），固化劑加入量為樹脂的35%（重量比）。此配比的呋喃樹脂砂用φ50mm×50mm的抗壓試塊檢測，平均抗壓強度≥5.5M P a，可以滿足球墨鑄鐵件無冒口鑄造工藝對鑄型剛度的要求。

澆注溫度：240主軸承蓋控制在1 330℃±10℃之間，280主軸承蓋控制在1 350℃±10℃之間，使用梨形澆口杯并配合澆口堵進行澆注。

目前兩種工藝均已經進行了試生產驗證，兩類主軸承蓋鑄件均通過了公司規(guī)定頻次的劃線、M T檢驗。具體為：①劃線表面兩種型號的主軸承蓋鑄件均滿足I S O 8062 C T11要求；②M T檢驗：兩種型號的主軸承蓋鑄件均滿足E N 1369標準S M2、LM2級別的要求，鑄件質量滿足顧客要求。

為了進一步確定此工藝生產的鑄件的加工部位不會有縮松缺陷，按照一定的頻次（10抽1）抽樣對橫拉螺栓孔等關鍵部位進行U T探傷檢測。經過200余件的加工驗證，未發(fā)現縮松外露，與模擬情況完全相符。U T驗證表明鑄件縮松位置穩(wěn)定，不會發(fā)生轉移，橫拉螺栓孔處無縮松。

通過以上檢測后進行了小批量試生產，實現了工藝出品率均在90%左右，鑄件毛坯廢品率不足3%，毛坯鑄件加工合格率在98.2%以上，平均每個主軸承蓋的清理用時為0.5 h.實現了高效、高質生產柴油機主軸承蓋。

5 總結

綜上所述，本文所述的無冒口技術主要是為了解決市場需求量大的主軸承蓋鑄件生產效率低下、工藝出品率低的問題，故本無冒口鑄造技術的使用，需要在以下前提下方可實施：

1）無冒口技術所需的造型工藝應是能夠制作出有足夠剛度鑄型，以保證在澆注時不會發(fā)生明顯的鑄型漂移。具體地：可使用較高剛度砂箱（對于100kg及以下重量的鑄件，普通焊接砂箱即可）、呋喃樹脂自硬砂（樹脂加入量占原砂重量比1%以上）、再經過合理緊實得到的鑄型，即可以保證無冒口鑄造對鑄型剛度的要求。

2）無冒口技術的應用需要有比較穩(wěn)定的冶金質量為前提。為配合無冒口澆注，就需要嚴格控制澆注溫度和碳當量的波動范圍，所以在生產中一定要注意不能隨意調整碳當量，要有意識的利用球墨鑄鐵的石墨化膨脹來完成自補縮。澆注時也必須考慮澆注溫度損失，不能多箱連續(xù)澆注，否則前面澆注的鑄件會因澆注溫度過高而可能出現液態(tài)收縮太大，頂面縮沉報廢。

3）對于主體壁厚在70mm～100mm、鑄件單重在50 kg～80 kg、中間有大于φ30mm鑄出孔的球墨鑄鐵鑄件，當其對鑄件內部質量要求不高，即不要求做超聲波探傷檢測或者鑄件可容許出現較大體積（面積20mm×30mm以內，深度不超過壁厚的15%）的內部缺陷時，可以考慮利用無冒口技術提高鑄件的工藝出品率及清理效率。

［1］劉喜俊.鑄造工藝學［M］.北京：機械工業(yè)出版社，1999．

［2］陸文華，李隆盛，黃良余.鑄造合金及其熔煉［M］.北京：機械工業(yè)出版社，2006．

Feederless Casting Process of the M ain Bearing Cap Casting

LIDong，HE Yuan，MENG Qing-wen，TANG Kun-gui，ZHOU Shu-yang
（KocelManufacture CO.，LTD.，Yinchuan Ningxia 750021，China）

Nodular cast iron has obvious graphitizing expansion in the forming process.It can effectively offset the amount of contraction ofmolten iron in the liquid and solidification shrinkage.If the volume of graphitizing expansion is greater than the sum of the volume ofmolten iron contraction in the liquid and solidification shrinkage，the feederless casting process is possible.The twomain bearing capswith similar structure and single weight in this paper both adopted feederless casting process.

main bearing cap，feederless，self-feeding

TG24

A

1674-6694（2015）06-0026-03

10.16666/j.cnki.issn1004-6178.2015.06.008

2015-07-10

李棟（1988-），男，漢族，寧夏銀川人，學士，現主要從事鑄造工藝設計及現場質量管理工作。