聯(lián)體缸蓋典型鑄造缺陷的解決方法

（濰柴動力股份有限公司，山東濰坊 261061）

聯(lián)體缸蓋典型鑄造缺陷的解決方法

王勇，臧加倫，秦鵬

（濰柴動力股份有限公司，山東濰坊 261061）

以六缸聯(lián)體缸蓋為例，對氣缸蓋氣孔缺陷及內(nèi)腔質(zhì)量問題進(jìn)行了分析，詳細(xì)介紹了缺陷的解決措施，認(rèn)為設(shè)計合理的砂芯、型腔排氣通道，適當(dāng)控制芯組二次烘干水分及適當(dāng)提高澆注溫度是有效預(yù)防氣孔缺陷的主要因素。

聯(lián)體缸蓋；氣孔；內(nèi)腔質(zhì)量

0 引言

氣缸蓋是柴油機(jī)的關(guān)鍵部件之一，要求有很高的氣密性與整體強(qiáng)度，內(nèi)腔為砂芯形成，質(zhì)量要求也較高。相比于單體缸蓋，聯(lián)體缸蓋鑄件容易發(fā)生整體變形，其復(fù)雜的內(nèi)腔結(jié)構(gòu)特點使鑄造過程中容易出現(xiàn)氣孔、燒結(jié)等問題，增加了鑄造工藝開發(fā)和實施的難度。本文將以我公司開發(fā)生產(chǎn)的六缸聯(lián)體缸蓋為例，提出了聯(lián)體缸蓋典型鑄造缺陷的解決措施。

1 聯(lián)體缸蓋工藝簡介

我公司有5～9 L多款柴油機(jī)，本文以典型的9 L機(jī)聯(lián)體缸蓋為例簡要介紹其鑄造工藝。9 L機(jī)聯(lián)體缸蓋的毛坯如圖1所示。采用平組立澆工藝生產(chǎn)，每箱2件。

芯組采用整體組芯工藝，底盤芯和上蓋芯為冷芯，上、下水套芯、進(jìn)、排氣道芯為覆膜砂熱芯。將6顆下水套芯、6顆排氣道芯、1顆進(jìn)氣道芯及1顆上水套芯依次通過水玻璃粘結(jié)劑和熱熔膠組裝到底盤芯上，形成底盤芯組，整體浸涂、烘干。上蓋芯單獨浸涂和烘干后與底盤芯組組合成單個鑄件芯組，如圖2所示。兩件單體芯組通過4根螺絲桿緊固，形成整體芯組。

圖1 9 L機(jī)聯(lián)體缸蓋

采用先封閉后開放式澆注系統(tǒng)，排氣道端朝上，頂部設(shè)置多處冒口和出氣針，各進(jìn)、排氣道芯頭鉆孔并與外圍砂型的排氣孔連通，如圖3所示。

圖2 聯(lián)體缸蓋平組立澆芯組

圖3 聯(lián)體缸蓋立澆工藝示意圖

2 聯(lián)體缸蓋典型鑄造缺陷的解決

聯(lián)體缸蓋常出現(xiàn)的鑄造缺陷是氣孔及內(nèi)腔燒結(jié)、脈紋等缺陷。缸蓋內(nèi)腔的燒結(jié)和內(nèi)腔清潔度差，會導(dǎo)致發(fā)動機(jī)水夾層的冷卻效果降低，從而降低發(fā)動機(jī)的可靠性?；诙嗄甑膶β?lián)體缸蓋工藝開發(fā)的經(jīng)驗，本文介紹了上述典型鑄造缺陷出現(xiàn)的原因及解決措施。

2.1 氣孔缺陷

聯(lián)體缸蓋氣孔缺陷多發(fā)生在缸蓋排氣道側(cè)，如圖4所示。氣孔缺陷產(chǎn)生的原因較多，主要是來自型腔和砂芯的氣體無法及時排出型外。采取的主要措施如下。

1）設(shè)計砂芯排氣孔，加強(qiáng)砂芯排氣，保證出氣通道暢通。進(jìn)、排氣道砂芯及水套芯為實心砂芯，且砂芯體積較大，通過在砂芯芯頭處鉆排氣孔，使得澆注過程中產(chǎn)生的大量氣體能通過排氣孔排出。為防止砂芯浸涂涂料時涂料進(jìn)入砂芯芯頭處的排氣孔，浸涂前采用泡沫或橡皮泥封住排氣孔防止涂料進(jìn)入排氣孔，待砂芯烘干后捅開，如圖5所示。

圖4 聯(lián)體缸蓋氣孔缺陷

圖5 聯(lián)體缸蓋夾層、氣道排氣通道

2）底盤芯和上蓋芯制芯時預(yù)留砂芯排氣通道，便于澆注時芯組內(nèi)產(chǎn)生的氣體能及時排出，如圖6、7所示。

圖6 聯(lián)體缸蓋底盤芯排氣通道

圖7 聯(lián)體缸蓋上蓋芯排氣通道

3）合理設(shè)計水套芯及進(jìn)、排氣道芯與底盤芯之間的間隙：若間隙過大，澆注時鐵液易通過間隙進(jìn)入砂芯排氣孔堵死砂芯排氣通道；若間隙較小，組芯時易出現(xiàn)部分砂芯斷裂問題。必要時采用耐火石棉墊圈密封砂芯之間的間隙，可以阻止鐵液進(jìn)入砂芯排氣通道，有效保證了氣體的排出，如圖8所示。

圖8 聯(lián)體缸蓋石棉墊圈密封示意圖

4）合理設(shè)計外模與芯組之間的間隙，并在上模樣上設(shè)置壓砂環(huán)，防止?jié)沧⑦^程中溢出的鐵液鉆入出氣通道，使得型腔內(nèi)的氣體無法排出，如圖9所示。

圖9 聯(lián)體缸蓋外模壓砂環(huán)示意圖

5）適當(dāng)控制砂芯烘干溫度與時間，使得砂芯二次烘干水分控制在0.6%以下。

6）適當(dāng)提高澆注溫度。將澆注溫度由1 390～1 410 ℃提高到1 400 ℃到1 420 ℃，能夠有效地降低鑄件產(chǎn)生氣孔缺陷的傾向，同時能保證不會因澆注溫度提高而增加鑄件出現(xiàn)粘砂、斷芯等鑄造缺陷。

2.2 燒結(jié)缺陷

聯(lián)體缸蓋內(nèi)腔較為復(fù)雜，特別是上下水腔，砂芯壁厚不均勻，易出現(xiàn)內(nèi)腔燒結(jié)缺陷，如圖10所示。通過分析，認(rèn)為主要是由于制芯工藝不合理導(dǎo)致砂芯局部分層固化或是制備水腔砂芯使用的覆膜砂耐高溫性能差，澆注時砂芯受熱膨脹開裂，產(chǎn)生局部燒結(jié)缺陷。針對上述缺陷采取的措施如下。

圖10 聯(lián)體缸蓋內(nèi)腔燒結(jié)缺陷

2.2.1 制芯工藝改進(jìn)

根據(jù)內(nèi)腔燒結(jié)情況解剖砂芯，發(fā)現(xiàn)部分燒結(jié)部位砂芯分層固化嚴(yán)重，部分固化層厚度小于3 mm，如圖11所示。通過改變制芯工藝，在砂芯分層固化部位增加砂芯過砂棒，如圖12所示，頂部對應(yīng)部位增加射嘴，使得分層固化層厚度大于6mm，消除了缸蓋此處的燒結(jié)缺陷。

圖11 砂芯分層固化

圖12 砂芯增加過砂棒

2.2.2 高強(qiáng)度覆膜砂

對于其他燒結(jié)部位，未發(fā)現(xiàn)砂芯出現(xiàn)分層固化缺陷，主要是通過更換砂芯的原材料及浸涂砂芯的涂料來解決的。

新的制芯材料采用的是某公司生產(chǎn)的加入了一定量寶珠砂的覆膜砂，粒度為50/100。寶珠砂主要成份為氧化鋁，耐火度大于1 790 ℃，熱膨脹率低于0.15%，抗金屬液潤濕能力強(qiáng)，透氣性好，易潰散，具有較好的抗高溫開裂性能。

通過使用高強(qiáng)度覆膜砂，鑄件內(nèi)腔質(zhì)量得到了較大的提升，內(nèi)腔燒結(jié)缺陷明顯減少。

2.2.3 涂料

對于砂芯壁厚較薄的部位，通過局部預(yù)刷鋯英粉涂料，再整體浸涂某公司的3501涂料后內(nèi)腔燒結(jié)缺陷基本消除，如圖13所示。

2.3 內(nèi)腔脈紋

在鑄造生產(chǎn)中，通常在鑄件的內(nèi)表面或高溫?zé)峁?jié)處會出現(xiàn)毛刺狀的凸起，被稱為脈紋缺陷[1]。圖14為聯(lián)體缸蓋氣道內(nèi)易出現(xiàn)的脈紋缺陷。這種缺陷的存在，不僅影響了鑄件的表面粗糙度，增加了鑄件的清理工作量，重要的是影響了氣缸蓋的氣道性能，最終影響了發(fā)動機(jī)的工作性能。

圖13 聯(lián)體缸蓋內(nèi)腔質(zhì)量

圖14 缸蓋內(nèi)腔脈紋

對于脈紋的形成機(jī)理，一般認(rèn)為是由于砂芯表層的石英砂產(chǎn)生了α-β的相變，引起體積膨脹；樹脂粘結(jié)劑燃燒和分解產(chǎn)生氣體，由于粘結(jié)劑的燃燒分解而降低鑄型強(qiáng)度；砂芯表面產(chǎn)生許多細(xì)小網(wǎng)狀縫隙并使砂芯表層的涂料隨之產(chǎn)生裂縫，鐵液在未凝固之前砂芯表面就形成縫隙，鐵液也隨之滲入砂芯裂縫，形成脈紋[2]。因此，只要使砂芯在高溫狀態(tài)下保持較高的強(qiáng)度及韌性，保證其表層受到熱相變應(yīng)力作用時通過其本身的變形而緩解開裂傾向，產(chǎn)生裂紋的傾向就要小的多。

2.3.1 將原砂再生或使用焙燒砂

原砂膨脹是脈紋產(chǎn)生的根本原因，因此降低原砂膨脹是解決脈紋缺陷首先考慮的因素，原砂在高溫下存在晶相轉(zhuǎn)變，同時伴隨體積的膨脹，如果石英砂經(jīng)過900℃以上高溫焙燒冷卻后晶相轉(zhuǎn)變將不可逆，所以原砂再生或焙燒使用會顯著改善脈紋缺陷。

2.3.2 使用防脈紋涂料

在液態(tài)金屬沖蝕砂芯時，防脈紋涂料在砂芯表面形成燒結(jié)層，能緩沖或抵消硅砂熱膨脹產(chǎn)生應(yīng)力，而涂料中高導(dǎo)熱性組分，能有助于金屬液的快速凝固，因此可起到較好的防脈紋作用。

2.3.3 采用覆膜砂熱芯制芯替代三乙胺冷芯制芯

與冷芯制芯相比，覆膜砂熱芯的高溫強(qiáng)度較高，高溫下砂芯通過自身的變形緩解了熱相變應(yīng)力帶來的開裂傾向，可從根本上消除缸蓋存在的脈紋缺陷。

3 結(jié)論

1）設(shè)計合理的砂芯、型腔排氣通道，適當(dāng)控制芯組二次烘干水分及適當(dāng)提高澆注溫度是有效預(yù)防氣孔缺陷的主要因素。

2）高強(qiáng)度覆膜砂制芯工藝及優(yōu)質(zhì)的涂料提高了砂芯的抗高溫膨脹和燒結(jié)能力，具有良好的潰散性，基本消除鑄件存在的燒結(jié)缺陷。

3）原砂再生、使用防脈紋涂料及覆膜砂熱芯工藝，緩解了砂芯表層的開裂傾向，基本消除鑄件存在的脈紋缺陷。

[1] 胡彭生．型砂（第2版）[M]．上海：科學(xué)技術(shù)出版社，1994.

[2] 王文清，李魁盛. 鑄造工藝學(xué)[M]．北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2002.

[3] 王超,尚嘉麗,齊亞平.聯(lián)體缸蓋氣孔缺陷的防止[J].中國鑄造裝備與技術(shù),2012(6).

[4] 程俊偉,焦耀峰 .砂芯對缸蓋組織的影響[J].中國鑄造裝備與技術(shù),2012(6).

Prevention of common casting defect of conjoint cylinder head

WANG Yong, ZANG JiaLun, QIN Peng
（Weichai Power Co., Ltd., Weifang 261061, Shandong, China）

With conjoint cylinder head as a example, the problem of gas hole and internal cavity defect are analyzed, and the resolve measures are described.

conjoint cylinder head; gas hole; internal quality

TG245；

A；

1 006-9658（2016）04-0063-04

10.3969/j.issn.1 006-9 658.2016.04.01 6

2016-01-12

稿件編號: 1601-1206

王勇（1983—），男，工程師，主要從事鑄造工藝開發(fā)工作.