大型球鐵氣缸蓋鑄造工藝優(yōu)化

(濰柴重機股份有限公司，山東261108)

氣缸蓋是柴油機中的關(guān)鍵部件，內(nèi)腔結(jié)構(gòu)復(fù)雜，集水腔、氣腔、油腔于一體，相互之間不能滲漏，這就對氣缸蓋壁厚的致密性提出很高要求，不允許有縮松、氣孔、渣孔等缺陷。

我公司某種氣缸體材質(zhì)為QT400-15，要求抗拉強度≥400MPa，屈服強度≥250MPa，延伸率≥15%，本體硬度135～185HBW。輪廓尺寸887mm×474mm×531mm，毛坯重量470kg，鑄造工藝性差，生產(chǎn)難度大，鑄件廢品率居高不下。

1 原始工藝驗證情況

為了滿足氣缸蓋的材質(zhì)和性能要求(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，本體性能檢測也在此部位)，將氣缸蓋的燃燒室面定為鑄件澆注最下端，采用一箱兩件底注澆注系統(tǒng)，堿性酚醛樹脂自硬砂造型，上、下水夾層結(jié)構(gòu)薄弱，采用熱芯盒制芯工藝，其他砂芯采用三乙胺冷芯盒制芯工藝。澆注溫度定為1365～1375℃。鑄件三維圖如圖1所示，進氣管也集成在鑄件上。

按照原工藝驗證階段廢品率高達70%，缺陷主要有進氣管支撐條縮松、冷隔，排氣道縮松，斜油孔處、氣門導(dǎo)管孔以及噴油器孔內(nèi)縮松、打壓漏水等。鑄造缺陷如圖2所示。

圖1 鑄件三維簡圖Figure 1 3D sketch of casting

2 原因分析

2.1 渣孔、嗆孔類缺陷

對原始工藝進行了模擬分析，并與實際生產(chǎn)進行了對比。充型過程模擬如圖3所示。可以看出，整個充型過程都存在卷氣現(xiàn)象，澆注初期在內(nèi)澆口附近，澆注中期在油池底部以及澆注后期的油池裙邊卷氣嚴(yán)重。充型過程的溫度場變化如圖4所示?？梢钥闯?，整個充型過程中溫度場不均勻，進氣管附近的溫度比較低，將會帶來冷隔風(fēng)險。

經(jīng)過計算分析，澆注系統(tǒng)不合理，原工藝中封閉式澆注系統(tǒng)，內(nèi)澆口截面小，澆注過程中液體金屬產(chǎn)生沖擊和渦流，飛濺嚴(yán)重，極易引起裹氣、夾渣等缺陷。另外，只有一層內(nèi)澆道，而且完全底注，這就導(dǎo)致了進氣管附近的鐵水溫度低。此處的氣體以及夾雜物不易排出。

圖2 鑄件典型缺陷Figure 2 Typical defects of casting

圖3 充型過程模擬Figure 3 Simulation of mold filling process

圖4 溫度變化Figure 4 Temperatures change

2.2 縮松類缺陷

球墨鑄鐵具有糊狀凝固的特性，如果凝固時間較長，就會造成凝固時球墨鑄鐵件的外殼二次膨脹，松弛了內(nèi)部壓力，而且鑄件本身自補縮能力有限時，容易在鑄件熱節(jié)處形成縮孔和縮松，使鑄件的致密度下降[1]。

鑄件熱節(jié)分布如圖5所示?？梢钥闯觯M氣管頂部的支撐條，附近厚大搭子部位，排氣道法蘭盤附近，噴油器與排氣道一側(cè)的氣門導(dǎo)管孔附近，以及斜油孔附近都屬于鑄件熱節(jié)區(qū)。這些部位成為鑄件最后凝固的區(qū)域，凝固時形成了孤立的液相區(qū)。

圖5 鑄件熱節(jié)分布Figure 5 Distribution of casting hot spots

分析鑄件結(jié)構(gòu)，這些部位要么正好是鑄件壁厚過渡T形區(qū)域，要么是厚大部位，且與周圍壁厚相差較大，極易產(chǎn)生縮松缺陷。進氣管頂部屬于鑄件的最高點，此時周圍已經(jīng)沒有多余鐵水對其進行補縮，進氣管出現(xiàn)縮松的傾向較大。基本與模擬熱節(jié)結(jié)果吻合。

3 改進措施

(1)加大內(nèi)澆口截面積，改變澆注系統(tǒng)截面比，改為開放式澆注系統(tǒng)，使得充型過程鐵水平穩(wěn)上升，從而改善了鐵水飛濺、裹氣現(xiàn)象。

(2)油池芯增加冒口(見圖6)，使得原先集聚在油池芯底部的氣體通過冒口快速排出，同時也為下面的斜油孔部位進行了補縮。

(3)增加了上層澆道(圖7)，當(dāng)液面達到上層澆道時，鐵水通過上層澆道進入型腔，提高了鑄件上部的溫度，從而改變了進氣道附近鐵水溫度場，使溫度場更均衡。

圖6 油池芯增加冒口Figure 6 Riser added to the core of oil pool

圖7 改進澆注系統(tǒng)Figure 7 Improvement of pouring system

(4)在熔煉工藝不變的情況下，解決縮松有效的辦法就是利用冷鐵的激冷效果以及冒口的補縮效果。通過冷鐵的激冷作用改變熱節(jié)附近的溫度場，從而改進周圍鐵水的凝固順序，盡量使局部遵循同時凝固理論。選擇合理的保溫冒口，既能起到對縮松缺陷處的補縮效果，還能增強局部排氣效果。所以針對鑄件中產(chǎn)生的縮松缺陷采取了以下措施：

a)進氣管頂部增加冒口，搭子處布置冷鐵。冒口和冷鐵配合使用，詳見圖8。

b)排氣道熱節(jié)附近也布置了冷鐵來消除縮松。

圖8 進氣管處增加冷鐵和冒口Figure 8 Chiller and riser added to inlet pipe

圖9 噴油器芯加冷鐵Figure 9 Chiller added to the core of injector

圖10 斜油孔增加內(nèi)冷鐵Figure 10 Inner chiller added to oblique hole

c)噴油器芯增加冷鐵(圖9)，下芯時冷鐵對準(zhǔn)指定的氣門導(dǎo)管孔芯。

d)斜油孔頂部增加了保溫冒口(圖6)。

e)斜油孔部位增加了細(xì)長內(nèi)冷鐵(圖10)，最后加工去除。

4 生產(chǎn)驗證

實際生產(chǎn)驗證過程中，限制內(nèi)外冷鐵使用次數(shù)。造型填砂時進行震實，如果砂型緊實度不高，鑄型在澆注壓力和石墨析出膨脹力的作用下擴大，金屬液不夠補縮，導(dǎo)致鑄件產(chǎn)生縮松縮孔[2]。

以上措施實施后，改善效果明顯。解剖后，嗆孔渣孔缺陷徹底解決；進氣管處縮松消除；噴油器孔處和斜油孔縮松改善顯著，加工后水壓試驗合格率大幅提高。排氣道法蘭盤處還存在縮松缺陷，缺陷面積有所減小，效果不佳，但不影響使用。下一步繼續(xù)攻關(guān)排氣道縮松問題。

5 結(jié)論

冷鐵的激冷作用可以有效改善鑄件的縮松類缺陷。對于大型球鐵鑄件，采用開發(fā)式澆注系統(tǒng)能夠減輕鐵水紊流現(xiàn)象，避免產(chǎn)生渣孔嗆孔類缺陷。MAGMA模擬軟件在鑄件工藝改進、質(zhì)量提升方面具有指導(dǎo)性意義。