大型球鐵氣缸蓋鑄造缺陷分析及改進措施

（濰柴重機股份有限公司，山東濰坊 261108）

大型球鐵氣缸蓋鑄造缺陷分析及改進措施

畢海香,于建忠,楊恒遠,劉繼波,陳鵬

（濰柴重機股份有限公司，山東濰坊 261108）

L32/40球鐵氣缸蓋在生產(chǎn)過程中發(fā)現(xiàn)氣門導(dǎo)管內(nèi)嗆孔、上平面縮松、打磅漏水等缺陷，廢品率很高。分析鑄造缺陷原因，并利用MAGMA軟件對工藝進行模擬，提出改進措施，對工藝進行了優(yōu)化。經(jīng)生產(chǎn)驗證，氣缸蓋鑄件成品率大幅提高。

球墨鑄鐵；鑄造缺陷；縮松；氣缸蓋

該系列氣缸蓋鑄件材質(zhì)為QT400-15，外輪廓尺寸為543×540×706（mm），毛坯質(zhì)量達600 kg，見圖1。這樣大的球鐵類氣缸蓋在本公司還是首例，沒有成熟經(jīng)驗可借鑒。

圖1 鑄件三維圖

1 原工藝設(shè)計及驗證情況

氣缸蓋鑄件對氣門導(dǎo)管處質(zhì)量要求非常嚴格，且此處結(jié)構(gòu)厚大，出現(xiàn)縮松幾率高，容易導(dǎo)致打磅漏水，所以在導(dǎo)管處（氣道芯）放置45#鋼棒作為內(nèi)冷鐵進行激冷。質(zhì)量標準中要求硬度檢測點位于進、排氣閥孔之間的燃燒室側(cè)中間位置，為保證硬度要求，將其定為鑄件最下端。同時下水夾層增加內(nèi)冷鐵。鑄件上、下部位壁厚較厚，所以在鑄件下平面放置外冷鐵，上頂面設(shè)計保溫冒口。澆冒系統(tǒng)以及冷鐵布置如圖2所示。

圖2 澆冒系統(tǒng)及冷鐵布置

根據(jù)公司車間現(xiàn)有鑄造條件，最終采用堿性酚醛樹脂自硬砂造型，三乙胺冷芯盒制芯工藝。使用20 t/h中頻感應(yīng)電爐熔煉，澆注溫度定為1 365～1 380 ℃。

圖3 典型鑄造缺陷

按照原工藝驗證階段廢品率高達70%，缺陷主要有氣門導(dǎo)管孔內(nèi)嗆孔、油池內(nèi)氣孔、上平面縮松及打磅漏水等。鑄造缺陷如圖3所示。

2 原因分析和工藝優(yōu)化

2.1 氣門導(dǎo)管孔嗆孔、油池上平面氣孔

鑄型、砂芯中水份含量的高低以及排氣是否暢通是影響氣孔類缺陷的重要因素[1]。原工藝中砂型、砂芯表面都刷醇基涂料，澆注時會揮發(fā)出大量氣體；另外，內(nèi)冷鐵表面容易產(chǎn)生銹斑，而且內(nèi)冷鐵表面刷涂料，這些銹蝕極易與周圍環(huán)境中的水份、氧、氮等在高溫金屬液的作用下釋放出氫氣、水份等。所以氣門導(dǎo)管表面出現(xiàn)了嗆孔缺陷。油池芯位于頂層，遠離內(nèi)澆道，鐵液到達此處溫度下降，而且周圍排氣通道不暢，所以氣體無法快速逃逸。

針對上述氣孔類缺陷，進行了如下工藝改進。

圖4 改變氣道內(nèi)冷鐵

圖5 修改油池芯，增加排氣效果

采用鍍銅內(nèi)冷鐵代替原工藝中的45#鋼內(nèi)冷鐵，防止冷鐵表面形成銹斑，詳見圖4；在砂型、砂芯刷涂料兩次后進烘干爐，溫度180～200 ℃，烘干時間30 min；增加砂型、砂芯排氣效果（圖5、圖6、圖7）；研箱完成后1 h內(nèi)進行澆注，避免鑄型、砂芯再次吸潮。架阻礙了液體的流動通道，增加了補縮難度，出現(xiàn)縮松、縮孔的傾向大[2]。工藝開發(fā)時已經(jīng)考慮到這一問題，采取了冷鐵和保溫冒口，但實際生產(chǎn)過程中仍有縮松缺陷。打壓過程中噴油器孔、導(dǎo)管孔等部位漏水報廢的氣缸蓋占總廢品數(shù)60%，對鑄件進行解剖發(fā)現(xiàn)不同部位漏水主要是內(nèi)部縮松引起的。

圖6 上砂型增加排氣孔

圖7 氣道芯手工鉆孔，增強排氣

針對氣缸蓋縮松缺陷，利用MAGMA軟件對原工藝的鐵液凝固過程、熱節(jié)分布、熱模數(shù)等過程進行模擬。

在描述和同學(xué)之間的關(guān)系時，使用頻率較高的隱喻排序為：植物和太陽（52.72%）、掃帚和簸箕（35.24%），選擇這兩項的學(xué)生認為，在他們的生活以及學(xué)習中都離不開同學(xué)的幫助和支持；而菜和菜刀（6.3%）、獵人和兔子（5.73%）則意味著同學(xué)之間是敵對關(guān)系。

圖8 原工藝熱節(jié)分布圖

對模擬結(jié)果分析如下：

1#保溫冒口下熱節(jié)集中于保溫冒口內(nèi)部和冒口頸處，鑄件內(nèi)無熱節(jié)（圖8）。保溫冒口內(nèi)部和冒口頸處的熱模數(shù)大于鑄件本體結(jié)構(gòu)的熱模數(shù)，補縮效果好（圖9）。

2#保溫冒口底部未形成孤立的熱節(jié)（圖8）。圖9中的具體數(shù)據(jù)表明：2#保溫冒口內(nèi)部和冒口頸處的熱模數(shù)大于鑄件本體結(jié)構(gòu)的熱模數(shù)，但隨著補縮距離的延長，鑄件本體熱模數(shù)形成有起伏的峰值，所以2#冒口下方鑄件內(nèi)有產(chǎn)生縮松的傾向。

圖9 原工藝中鑄件本體和各冒口的熱模數(shù)情況

設(shè)置3#保溫冒口后，冒口內(nèi)部和冒口頸處的熱模數(shù)小于鑄件本體結(jié)構(gòu)的熱模數(shù)（圖9），冒口下面有孤立熱節(jié)區(qū)（圖8），補縮效果不理想，該處出現(xiàn)縮松的幾率很大。

圖10 鑄件內(nèi)部縮松分布情況

模擬結(jié)果顯示縮松主要分布于圖10中顯示的2個區(qū)域（A為2#冒口區(qū)，B為3#冒口區(qū)），和實際解剖情況基本一致，也是導(dǎo)致氣缸蓋打磅漏水的問題所在。

根據(jù)上述分析，對原工藝進行調(diào)整并重新進行了模擬：外皮砂芯上增加1-1#、1-2#冷鐵，油池砂芯上增加2-1#、2-2#冷鐵（如圖11）。冷鐵除了激冷作用外，還可以使得鑄件的部分石墨化膨脹提前，所以冷鐵對鑄件有增強自補縮的作用[3]。

從圖12中可以看出：新工藝增加冷鐵后，2#保溫冒口下熱節(jié)集中于保溫冒口內(nèi)部和冒口頸處，消除了原工藝中鑄件內(nèi)該處的熱節(jié)。保溫冒口內(nèi)部和冒口頸處的熱模數(shù)大于鑄件本體結(jié)構(gòu)的熱模數(shù)，并且冒口下鑄件本體的熱模數(shù)持續(xù)減小，實現(xiàn)了順序凝固，補縮效果得到很大改善（圖13）。

圖11 新增冷鐵工藝

圖12 新工藝熱節(jié)分布圖

圖13 新工藝中2#、3#冒口的熱模數(shù)

3#保溫冒口下熱節(jié)和熱模數(shù)有所減小，但變化不大，效果不明顯（圖12，圖13）。3#冒口下鑄件為高而窄的厚大結(jié)構(gòu)，3#冒口頸尺寸小，可能導(dǎo)致了冒口比鑄件提前凝固，但是此處受鑄件本身結(jié)構(gòu)所限，3#冒口以及冒口頸尺寸無法加大。

圖14 新工藝中鑄件內(nèi)部縮松分布情況

從圖14模擬剖面圖也可以看出，新工藝中A區(qū)域（2#冒口下）縮松得到解決；B區(qū)域縮松嚴重度有所降低，但變化不大。和上述數(shù)據(jù)分析結(jié)果一致。

3 新工藝生產(chǎn)情況

按照改進后新工藝生產(chǎn)200件氣缸蓋，沒有因嗆孔、渣孔、掉砂等原因報廢鑄件，因上平面縮松、漏水報廢17件，鑄件廢品數(shù)大幅下降，解剖后發(fā)現(xiàn)2#冒口下縮松基本解決。目前公司裝機氣缸蓋都是自制件。后續(xù)將針對3#冒口處縮松進行詳細分析、進一步優(yōu)化工藝。

4 結(jié)束語

對L32/40氣缸蓋采取一系列工藝改進措施后，效果顯著，提高了鑄件成品率。MAGMA模擬軟件對球體類鑄件的縮松、縮孔類缺陷的判斷具有指導(dǎo)性意義。

[1] 王潘興.170柴油機氣缸蓋鑄造工藝改進[J].中國鑄造裝備與技術(shù),2010(2):21-23.

[2] 李嘉榮,柳百成.球墨鑄鐵件縮孔縮松的形成及其預(yù)測[J].現(xiàn)代鑄鐵,1993(2):32-40.

[3] 中國機械工程鑄造分會.鑄造手冊:鑄造工藝[M].北京:機械工業(yè)出版社,2003.381.

[4] 吳和保,樊自田,龍文元,等.輪轂類球鐵件縮孔縮松缺陷的形成機理及防治措施[J].中國鑄造裝備與技術(shù), 2003(5).

Casting defects analysis and improvement measures of large ductile cast iron cylinder head

BI HaiXiang, YU JianZhong, YANG HengYuan, LIU JiBo, CHEN Peng
(Weichai Heavy Machinery Co.,Ltd., Weifang 261108,Shandong,China)

L32/40 ductile cast iron cylinder head was found some defects in the production process, such as porosity of valve guide, shrinkage porosity on the top surface, leaking in the hydrostatic test etc.. So its rejection rate was higher. Analyzing the reasons of these defects, and using the MAGMA software for simulating process, a series of measures have been adopted to optimize the casting process. Through production verification, the casting yield of the cylinder head has been increased significantly.

ductile cast iron；casting defects；shrinkage；cylinder head

TG255；

A；

1 006-9658（2016）04-0056-04

10.3969/j.issn.1 006-9 658.2016.04.01 4

2016-01-04

稿件編號: 1601-1181

畢海香（1981—），女，工程師，主要從事鑄鐵件鑄造工藝開發(fā)研究.