氣體機(jī)缸蓋內(nèi)腔燒結(jié)缺陷分析與改進(jìn)

伍啟華,丁富才,季順業(yè),李偉濤

（濰柴動力（濰坊）鑄鍛有限公司，山東濰坊 2610 00）

氣體機(jī)缸蓋內(nèi)腔燒結(jié)缺陷分析與改進(jìn)

伍啟華,丁富才,季順業(yè),李偉濤

（濰柴動力（濰坊）鑄鍛有限公司，山東濰坊 2610 00）

針對氣體機(jī)缸蓋在鑄造生產(chǎn)過程存在的噴油器及上水夾層芯局部位置出現(xiàn)燒結(jié)缺陷進(jìn)行了分析，通過降低鐵液澆注溫度、使用新型涂料及制芯材料、優(yōu)化砂芯結(jié)構(gòu)等工藝改進(jìn)措施，缸蓋內(nèi)腔燒結(jié)缺陷得到明顯的改善，鑄件內(nèi)腔品質(zhì)得到了提升，鑄件廢品率得以降低，同時(shí)減輕了細(xì)清員工的勞動強(qiáng)度。

燒結(jié)缺陷；涂料；高強(qiáng)度覆膜砂

D O I：10.39 69/j.i s s n.100 6-96 58.2017.05.012

氣體機(jī)兩氣門缸蓋是在原柴油機(jī)兩氣門缸蓋基礎(chǔ)上，通過改進(jìn)串水結(jié)構(gòu)及噴油器結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上開發(fā)新產(chǎn)品，屬WP10系列單體、天燃?xì)獍l(fā)動機(jī)專用缸蓋，材質(zhì)為鑄鐵HT250，鑄鐵輪廓尺寸為225 mm×149 mm×125 mm，毛坯質(zhì)量20.75 kg。

缸蓋鑄造生產(chǎn)采用中頻電爐熔煉工藝，澆注溫度1400 ℃～1430 ℃，HWS自動澆注進(jìn)行澆注，芯組由7種砂芯組成，其中更改結(jié)構(gòu)的噴油嘴芯與上水夾層芯采用耐高溫覆膜砂熱芯盒制芯工藝，造型為潮膜砂造型工藝，每箱8件，澆注系統(tǒng)為階梯型，為底注與中注結(jié)合的形式，有利于提升鐵液充型的平穩(wěn)性，避免鑄件易產(chǎn)生氣孔、局部燒結(jié)等鑄造缺陷。

1 存在的問題及分析

因氣體機(jī)缸蓋承受熱負(fù)荷高，為防止采用銅套工藝造成噴油器位置漏水率高的質(zhì)量問題，缸蓋設(shè)計(jì)時(shí)，相比原柴油機(jī)兩氣門缸蓋，噴油器位置采用鑄出工藝，如圖1所示，同時(shí)冷卻水的流向進(jìn)行重新優(yōu)化，改動上水夾層芯的局部結(jié)構(gòu)，缸蓋在大批量生產(chǎn)時(shí)，改動位置出現(xiàn)大量的燒結(jié)缺陷，存在細(xì)清困難、無法細(xì)清，因內(nèi)腔質(zhì)量不合格的廢品率高達(dá)0.42%。

圖1 噴油器位置采用鑄出工藝

1.1 噴油器燒結(jié)缺陷

如圖2所示，相比原柴油機(jī)二氣門缸蓋，噴油器襯套為鑄出結(jié)構(gòu)，鑄出噴油器襯套直徑為30 mm（注此位置經(jīng)過冷加工后形成噴油器襯套，鑄造為全實(shí)心結(jié)構(gòu)），四周冷卻水通道最薄處僅7 mm，屬于薄壁位置，高溫鐵液澆注后，因砂芯尺寸薄弱且砂芯內(nèi)、外側(cè)均被高溫鐵液包裹，在高溫鐵液的熱作用下，砂芯表面因石英砂的相變發(fā)生開裂形成裂紋，金屬液滲入形成脈紋，又因該處的高溫?zé)峁?jié)使有足夠的熱量保證了砂芯與鐵液界面的溫度高于鐵的固相線溫度，這樣滲透一經(jīng)開始就會繼續(xù)下去，唯有滲透鐵液的前沿凝固時(shí)，滲透才停止，這樣金屬液就通過砂芯裂紋或孔隙滲透到了芯子的整個(gè)截面上從而形成上述的所謂砂芯燒結(jié)[1]。此類缺陷不易清理掉，因而鑄件報(bào)廢。

圖2 噴油器燒結(jié)缺陷

1.2 上水夾層芯燒結(jié)缺陷

氣體機(jī)缸蓋上水夾層芯排氣道端鼻梁位置，砂芯厚度僅為4.5 mm，如圖3所示，是上水夾層芯最薄弱的位置，且砂芯上方高溫鐵液高度為30 mm，如圖4所示，明顯比底端厚，鐵液冷卻速度慢，砂芯在高溫鐵液的長時(shí)間作用下，易發(fā)生燒結(jié)，嚴(yán)重時(shí)導(dǎo)致該處位置燒結(jié)堵孔，使串水通道堵塞，影響缸蓋串水冷卻，造成發(fā)動機(jī)故障，另外圖5、6所示的位置，存在脈紋缺陷，因鑄件結(jié)構(gòu)的限制，相應(yīng)位置的燒結(jié)及脈紋缺陷無法進(jìn)行清理，只能人工采用內(nèi)窺鏡設(shè)備進(jìn)行檢查，造成大量的人力、物力的浪費(fèi)。

圖3 上水夾層芯薄弱位置

圖4 薄弱位置結(jié)構(gòu)

圖5 砂芯燒結(jié)堵塞

圖6 砂芯脈紋缺陷

2 改進(jìn)措施

2.1 降低澆注溫度

在金屬的熱作用下，砂粒間的孔隙因發(fā)生燒結(jié)或熔化而增大，故金屬液滲入深度還受澆注溫度的影響，溫度越高，越有利于解決砂芯燒結(jié)問題。經(jīng)過對比澆注上限溫度由1430 ℃降到1415 ℃、澆注溫度下限由1400 ℃降到1390 ℃工藝，降低下限溫度引起氣孔缺陷，而將澆注溫度上限降低到1415 ℃后，未引起氣孔問題，內(nèi)腔燒結(jié)問題改善明顯，將氣體機(jī)缸蓋澆注溫度范圍固定在1400℃～1415 ℃，如圖7所示。

圖7 氣體機(jī)缸蓋澆注溫度控制范圍

圖8 預(yù)刷鋯英粉涂料

2.2 采用新型涂料

涂料可封閉砂芯表層的孔隙，提供一層耐火性和熱化學(xué)穩(wěn)定性高的屏障，同時(shí)也制造出有利的氣體氛圍，從而防止或減少鑄鐵表面的粘砂等缺陷的產(chǎn)生。針對噴油器位置砂芯尺寸薄弱易燒結(jié)的問題，采用防燒結(jié)的杜倫斯RWB3501-01涂料，涂料密度范圍為1.18～1.22g/ml，鋯英粉有很高的耐火度，很好的高溫化學(xué)惰性，不易與酸性或堿性材料反應(yīng)，熱膨脹系數(shù) 低，熱導(dǎo)率和蓄熱系數(shù)高[2]。因此，在砂芯浸涂之前，采用人工刷涂密度1.80～2.20 g/ml工藝，如圖8所示，有效的減輕了噴油器及上水夾層芯相應(yīng)位置的燒結(jié)與脈紋問題。

2.3 使用高強(qiáng)度覆膜砂制芯

針對石英砂高溫膨脹等原因，造成砂芯開裂引起的燒結(jié)問題，制芯原材料由普通耐高溫覆膜砂替換為高強(qiáng)度覆膜砂，在高溫加熱條件下寶珠砂的熱膨脹率較普通耐高溫覆膜砂低，此性能有效的減少了砂芯在高溫澆注條件下熱膨脹率，提高砂芯強(qiáng)度，減少斷芯缺陷，同時(shí)防止產(chǎn)生脈紋、粘砂等缺陷等造成砂芯斷裂（寶珠砂應(yīng)用），結(jié)果表明新材料的應(yīng)用明顯減少了兩種砂芯的燒結(jié)及脈紋。

2.4 優(yōu)化砂芯結(jié)構(gòu)

增加砂芯的厚度，不僅提高了砂芯對高溫鐵液的耐火度，同時(shí)也減少了砂芯周圍鐵液包裹的厚度。如圖9所示，通過解剖對比鑄件的實(shí)際尺寸與鑄件三維尺寸，上水夾層芯薄弱位置螺紋孔底部串水厚度由6 mm增加到7 mm，噴油器砂芯最薄弱處厚度由7 mm增加到9 mm。

圖9 噴油器與上水夾層芯薄弱位置

3 改善效果

通過以上措施的實(shí)施，氣體機(jī)缸蓋噴油器與上水夾層芯位置內(nèi)腔燒結(jié)廢品率由0.42%降低到0.05%，鑄件內(nèi)腔品質(zhì)得到明顯提升，鑄件未清理前內(nèi)腔品質(zhì)一次抽檢合格率由最初的7.41%提高到50%以上，細(xì)清員工反饋噴油器及上水夾層芯燒結(jié)缺陷明顯改善，降低了勞動強(qiáng)度。

4 結(jié)語

（1）杜倫斯RWB3501-01涂料可減輕砂芯高溫時(shí)開裂形成燒結(jié)缺陷，配合適當(dāng)密度的鋯英粉涂料，有利于解決因砂芯尺寸薄弱及高溫鐵液包裹形成砂芯過熱造成的燒結(jié)缺陷。

（2）采用膨脹系數(shù)小的高強(qiáng)度薄弱砂，減少了砂芯高溫開裂傾向，減少燒結(jié)缺陷產(chǎn)生。

（3）通過降低澆注溫度及優(yōu)化砂芯尺寸，是解決砂芯燒結(jié)缺陷的有效措施。

[1] 張嘉晉. 應(yīng)用脈無星解決CAM缸體水套芯燒結(jié)問題[J]. 鑄造工程， 200 5 , 29 (1) :40-40.

[2] 丁富才. 寶珠砂在防止砂芯斷芯中的應(yīng)用[J]. 鑄造，2016，5(85):46 7-46 8.

Analysis and prevention of core sintering defect of gas cylinder head

WU QiHua,DING FuCai,JI ShunYe,Li WeiTao
(Weichai Power(Weifang) Casting&Forgoing Co.,Ltd., Weifang 261000, Shangdong,China)

The core sintering defect emerged in local positions of injector and water jacket core in the production of gas cylinder head was analyzed. By lowering the pouring temperature, using new type coating and core-making materials, optimizing the structures and so on, the core sintering defect was obviously improved,which improved the inner-quality, decreased defective rate of casting and reduced the intensity of the fi ne cleaning labors.

core sintering defect; coating; high strength coated sand

T G 245；

A；

100 6-96 58（2017）05-00 37-03

2017-07-13

稿件編號:170 7-1829

伍啟華（198 2—），工程師，主要從事鑄造工藝的開發(fā)研究工作.