一款汽車發(fā)動機(jī)缸體鑄件典型缺陷的解決

曹月山，朱自宏

（中國重汽集團(tuán)濟(jì)南動力有限公司鑄鍛中心，山東濟(jì)南250000）

一款汽車發(fā)動機(jī)缸體鑄件典型缺陷的解決

曹月山，朱自宏

（中國重汽集團(tuán)濟(jì)南動力有限公司鑄鍛中心，山東濟(jì)南250000）

通過介紹D12發(fā)動機(jī)缸體毛坯開發(fā)過程中遇到的氣孔、水套內(nèi)腔粘砂、結(jié)疤等缺陷的解決方法，提出細(xì)化對砂芯排氣、制芯過程排氣等細(xì)節(jié)的研究和優(yōu)化的重要性。

鑄造缺陷，氣孔，粘砂，結(jié)疤

D12發(fā)動機(jī)曾是中國重汽大馬力發(fā)動機(jī)的主打產(chǎn)品，該產(chǎn)品缸體毛坯外形尺寸960 mm×400 mm× 430 mm，重量320 kg，HT280材質(zhì)，鑄造工藝類似于D 10缸體，HWS潮模砂靜壓流水線造型，砂箱尺寸1 500 mm×1 000 mm×450 mm，缸筒芯使用FA制芯中心冷芯盒制芯，水套芯使用MR熱芯盒制芯。該缸體毛坯因產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的原因，工藝性比較差，開發(fā)初期廢品率超過30%，后期廢品率也出現(xiàn)過較大的波動，主要缺陷是氣孔、水套內(nèi)腔粘砂、結(jié)疤等造成的廢品。

1　產(chǎn)品工藝及缺陷

圖1　上模板

圖2　下模板

圖3　砂芯

圖4澆注系統(tǒng)

圖1、圖2為生產(chǎn)該產(chǎn)品的上下模板，圖3、圖4分別為所用砂芯和澆注系統(tǒng)。眾所周知，發(fā)動機(jī)缸體類鑄件的工藝排氣非常重要，該產(chǎn)品缸體毛坯鑄造工藝開發(fā)時就對排氣做了充分的考慮，也遵循了盡可能透過芯頭排氣，盡量避免形體排氣的原則，實(shí)際操作上在砂芯芯頭部位也采用了彈性密封耐火墊片，保證鐵水澆注后不灌入鐵水。但氣孔缺陷仍一直存在，忽高忽低。

產(chǎn)品典型缺陷如圖5到圖8.

圖5　毛坯氣孔

圖6　解剖氣孔

圖7　機(jī)加工氣孔

圖8　水套內(nèi)的鐵砂

2　缺陷分析及解決

2.1氣孔缺陷

氣孔缺陷主要集中在鑄件上箱面頂部位置的碗形水孔、凸臺、油道上，上箱面頂部位置的氣孔大部分能在清理時發(fā)現(xiàn)，而碗形水孔、缸筒處的缺陷加工后才能發(fā)現(xiàn)，浪費(fèi)嚴(yán)重。

2.1.1氣孔缺陷原因分析

為了解決這一缺陷，工藝人員按照業(yè)內(nèi)解決氣孔的常規(guī)做法從以下幾個方面做了大量工作：

1）對澆注系統(tǒng)做了多次改進(jìn)驗(yàn)證，無論如何改變?nèi)龑觾?nèi)澆道的鐵水分布，還是改變澆注速度，以及調(diào)整直澆道、橫澆道、內(nèi)澆道的比例關(guān)系，氣孔缺陷都沒有明顯變化。

2）增加排氣通道與進(jìn)水口的比例，在澆口對面缸蓋面上增加鐵水溢流冒口、增設(shè)排氣針，提高澆注溫度等，問題依然存在。

3）調(diào)整砂芯烘干溫度、時間，當(dāng)天砂芯當(dāng)天使用，效果依然不明顯。

4）懷疑因爐料不潔凈，鐵水凈化不好或鐵水N含量高，改成潔凈爐料及優(yōu)質(zhì)增碳劑，包括爐前添加稀土凈化鐵水，仍然沒有進(jìn)展。

5）調(diào)整型砂水分、煤粉及型砂透氣性，效果不明顯。

6）減少砂型表面的醇基涂料噴涂厚度及烘干再澆注，沒有明顯效果。

7）在砂芯芯頭增加排氣通道及對模板排氣針高度調(diào)整甚至去掉模板凸臺上的排氣針的各種實(shí)驗(yàn)，都沒有明顯效果。

8）將以上措施組合驗(yàn)證也沒有明顯的效果。

有業(yè)內(nèi)專家提出了增加砂芯本身的透氣性的建議，根據(jù)這一建議對芯砂進(jìn)行了調(diào)整驗(yàn)證，沒有取得預(yù)想的結(jié)果。

鑒于D10缸體毛坯廢品率很低，仔細(xì)比較兩者發(fā)現(xiàn)，12升缸體毛坯的水套芯局部結(jié)構(gòu)與10升缸體毛坯的水套芯局部結(jié)構(gòu)有幾個位置有明顯差別，首先是局部芯子厚度明顯偏薄，其次是因結(jié)構(gòu)原因排氣通道少一半。對浸涂烘干后的砂芯打開發(fā)現(xiàn)，在水套芯薄壁處存在涂料滲入過度的問題，單獨(dú)提高芯砂透氣性使用原涂料，反而使涂料滲入過度的問題更嚴(yán)重。

2.1.2解決氣孔缺陷的措施

HA公司推薦了一種Arkopal6520低滲透性涂料，建議使用這種低滲透性涂料代替以前的Arkopal370減少涂料對排氣的影響。在原砂芯工藝的基礎(chǔ)上使用低滲透性涂料驗(yàn)證結(jié)果表明氣孔減少了約80%，但仍有一定比例的氣孔缺陷

圖9為調(diào)整前（左上方）砂芯與調(diào)整后（右上方）砂芯的剖面圖，可以看出兩者有明顯不同。正是這種差別造成的對排氣的影響，之前一直被忽略了，使D12缸體鑄件氣孔解決走了許多彎路。

適當(dāng)調(diào)整砂子粒度分布提高砂芯本身透氣性，并結(jié)合使用低滲透涂料的驗(yàn)證結(jié)果表明，涂料滲入過度的問題沒有惡化，用這一方案制作的砂芯澆注結(jié)果非常好，批量運(yùn)用后加上澆注系統(tǒng)的微調(diào)，使D12升缸體氣孔這一缺陷問題基本解決。

圖9　水套芯使用涂料的對比

2.2水套內(nèi)腔粘砂缺陷

D12、D10發(fā)動機(jī)缸體水套內(nèi)腔粘砂難以清理的問題，也曾經(jīng)長期困擾著生產(chǎn)的正常進(jìn)行，如圖10為帶夾層的水套芯，圖11為水套內(nèi)鐵砂混合物。

圖10　帶夾層的水套芯

圖11　水套內(nèi)鐵砂混合物

2.2.1水套內(nèi)腔粘砂的原因分析

水套芯使用普通覆膜砂制芯，存在水套內(nèi)腔清砂困難的問題。最初是認(rèn)為覆膜砂骨料耐火度不夠造成的燒結(jié)，可換成用100%寶珠砂作為骨料的覆膜砂后這一問題仍然存在。對無法清理的芯砂塊檢查分析發(fā)現(xiàn)，在砂芯厚大部位心部存在明顯的鐵質(zhì)薄片，在砂芯壁薄部位存在明顯的鐵砂粘合，對鐵砂粘合物進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)是鐵水滲入砂芯的縫隙造成的機(jī)械粘砂，而不是化學(xué)粘砂。

對存在的機(jī)械粘砂，分析認(rèn)為使用寶珠砂作為單一骨料，粒度級配很難做到讓砂芯表面的涂料層把砂粒間隙全部封堵。而且對砂芯的檢查也發(fā)現(xiàn)厚大部位存在空心夾層，薄壁處存在不緊實(shí)的現(xiàn)象。

2.2.2解決水套內(nèi)腔粘砂的措施

自制了一種用多種骨料和添加劑配的覆膜砂，結(jié)合優(yōu)化調(diào)整芯盒的排氣和溫度分布，消除了砂芯局部空心夾層和不緊實(shí)。清砂困難的問題得以解決。這一覆膜砂及其制備方法已獲得國家發(fā)明專利。圖12為正常的水套芯切面。

2.3結(jié)疤缺陷

開發(fā)初期，在挺柱孔壁上經(jīng)常出現(xiàn)多肉結(jié)疤缺陷，在缸筒壁上偶爾也出現(xiàn)此種缺陷，類似潮模砂鑄造上常見的夾砂，出現(xiàn)結(jié)疤的鑄件，在其他部位尤其鑄件上表面，會對應(yīng)有砂眼缺陷。

圖12　正常的水套芯切面

2.3.1結(jié)疤缺陷的原因分析

最初分析認(rèn)為是澆注系統(tǒng)設(shè)置不合理，鐵水沖刷砂芯造成。改變澆注系統(tǒng)三層內(nèi)澆口鐵水分布沒有明顯的改善。

挺柱孔芯使用的是一種粒形很差的人工砂，砂芯強(qiáng)度普遍偏低。

2.3.2結(jié)疤缺陷的改進(jìn)措施

將芯砂增加一定比例的寶珠砂，使砂芯初強(qiáng)度提高到了1.2 MPa，結(jié)疤缺陷大大減少。

后來隨著砂芯排氣措施的不斷完善到位，挺柱孔及缸筒結(jié)疤缺陷徹底消除，砂眼缺陷也明顯減輕。

3　結(jié)論

1）對發(fā)動機(jī)缸體等復(fù)雜鑄件，在工藝開發(fā)時除了注意做好芯頭排氣、砂芯本身的排氣外，對制芯原材料選擇及搭配應(yīng)引起足夠的重視；

2）開發(fā)使用一種專用水套覆膜砂是解決D12、D10發(fā)動機(jī)缸體水套內(nèi)腔粘砂的有效途徑；

3）適當(dāng)提高砂芯強(qiáng)度能夠有效解決鑄件結(jié)疤缺陷；

4）缸體缺陷的解決，一般都涉及到了排氣。在實(shí)際工藝設(shè)計和操作上，對一些復(fù)雜砂芯本身排氣性能、芯盒射砂排氣以及影響砂芯排氣質(zhì)量的涂料的匹配選擇等細(xì)節(jié)，要進(jìn)行詳細(xì)的優(yōu)化論證，砂芯本身排氣良好，可以使得對砂芯水分的苛刻要求適當(dāng)放寬。

TG245

A

1674-6694（2016）04-0036-03

10.16666/j.cnki.issn1004-6178.2016.04.013

2016-04-05

曹月山（1965-），男，高級工程師，主要從事鑄造工藝及管理工作。