氣缸鑄件內(nèi)腔脈紋和裂紋的解決方法及工藝探討

姬愛青，譚傳寶，劉 斌，董志鵬，馬素娟，秦 鵬

（1.濰柴重機(jī)股份有限公司，山東濰坊 261108；2.濰柴動力股份有限公司，山東濰坊 261108）

某12缸V型柴油機(jī)氣缸體具有壁薄、筋多、結(jié)構(gòu)復(fù)雜的特點。在氣缸體毛坯樣件試制過程中，主要存在的問題是水腔通道內(nèi)腔脈紋和挺桿內(nèi)腔裂紋，嚴(yán)重影響鑄件質(zhì)量。從產(chǎn)品結(jié)構(gòu)特點和整個工藝流程著手，采取多項措施，經(jīng)過三個月的時間，徹底消除了鑄件內(nèi)腔脈紋、裂紋問題。

1 氣缸體簡介

氣缸體三維及內(nèi)腔結(jié)構(gòu)如圖1所示。氣缸體結(jié)構(gòu)為12缸V型結(jié)構(gòu)，V型夾角90°，缸距230 mm，兩側(cè)面集成進(jìn)水道，主要壁厚為10 mm；氣缸體基本尺寸：1 505 mm×898 mm×656 mm；鑄件重量約1 080 kg；材料為HT280.

2 氣缸體原鑄造工藝存在問題及分析

該氣缸體鑄造工藝為堿性樹脂自硬砂造型、三乙胺冷芯盒制芯、整體組芯、立澆底注半封閉式澆注系統(tǒng)、澆注溫度1 380℃～1 400℃.鑄件在樣件試制、生產(chǎn)過程中，主要存在挺桿內(nèi)腔粘砂、脈紋、裂紋缺陷。

圖1 氣缸體結(jié)構(gòu)圖

2.1 挺桿內(nèi)腔粘砂、脈紋

粘砂、脈紋缺陷主要出現(xiàn)在左右側(cè)水腔通道內(nèi)腔以及挺桿室內(nèi)腔，如圖2所示。

圖2 解剖后內(nèi)腔脈紋情況

分析原因為：冷芯盒制芯用砂為天然硅砂，鑄件澆注過程中砂芯在高溫鐵液澆鑄充型過程中砂芯表面突然受到高溫液態(tài)金屬的接觸、烘烤，產(chǎn)生如下變化：

1）砂芯表層的石英砂將產(chǎn)生α-β的相變，引起體積膨脹；

2）樹脂黏結(jié)劑燃燒和分解產(chǎn)生氣體，由于黏結(jié)劑的燃燒分解而降低鑄型強(qiáng)度。

砂芯表面的變化不僅使砂芯表面產(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，由于鐵水在未凝固之前砂芯表面就形成縫隙，鐵水也隨之滲入砂芯裂縫，所以鐵水最終凝固后，鑄件內(nèi)腔表面將出現(xiàn)許多網(wǎng)狀缺陷，俗稱脈紋[1]。

2.2 挺桿內(nèi)腔裂紋

裂紋缺陷主要出現(xiàn)在缸孔之間的串水孔頂部圓角處，裂紋從圓角處產(chǎn)生，沿缸孔中心方向向上延伸，外形曲折，長度有5 mm到60 mm不等，裂口的內(nèi)壁呈黑的氧化色，表面不光滑，如圖3所示。

圖3 裂紋位置及形態(tài)示意圖

分析原因為：氣缸體缸孔之間的串水孔處兩側(cè)厚大，中間壁薄，成啞鈴狀結(jié)構(gòu)，如圖4所示。凝固過程中，溫差較大，中間壁薄位置先凝固，兩側(cè)厚大部位后凝固產(chǎn)生較大的拉應(yīng)力，將中間薄壁位置拉裂[6]。

3 改進(jìn)措施及驗證效果

3.1 水腔通道及挺桿內(nèi)腔粘砂、脈紋的解決

根據(jù)脈紋產(chǎn)生的原因，對于解決脈紋缺陷主要采取以下三種措施。

圖4 裂紋位置剖面示意圖

3.1.1 使用高強(qiáng)度樹脂

高強(qiáng)度樹脂主要優(yōu)點：1）強(qiáng)度高，適合于制造復(fù)雜的砂芯；2）減少鑄造缺陷，改善表面光潔度；3）硬化后開模，尺寸精度高。使用高強(qiáng)度的樹脂，提高砂芯的強(qiáng)度，從而可減輕或防止脈紋的產(chǎn)生。

3.1.2 使用杜倫斯防脈紋涂料

氣缸體結(jié)構(gòu)復(fù)雜，內(nèi)腔清理難度較大，為了保證內(nèi)腔質(zhì)量，選擇杜倫斯防脈紋涂料。高溫鐵水進(jìn)入鑄型時，涂料在砂芯（型）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[5]。

3.1.3 使用陶瓷砂、焙燒砂制芯工藝

陶瓷砂是人工燒制的陶瓷球形顆粒。最早由美國的Carb Ceramics公司于20世紀(jì)80年代研制問世，90年代美國和日本先后將其應(yīng)用于鑄造行業(yè)，作為鋯英砂的替代品。陶瓷砂具有以下優(yōu)異的性能：1）顆粒為球形，流動性好，易于緊實；2）熱膨脹系數(shù)?。?）耐火度高、透氣性好、易于潰散；4）回用再生性能好，性價比高[2]。

焙燒砂是將擦洗砂加熱到870℃以上，并具有一定的保溫時間，使硅砂充分膨脹實現(xiàn)相變，因此焙燒砂又稱相變砂[3]。經(jīng)相變處理后，不僅使膨脹率大幅下降，而且砂粒中的結(jié)晶水、有機(jī)污染物、碳酸鹽、氧化物等經(jīng)高溫焙燒后被大量清除，因此焙燒砂與擦洗砂相比不僅酸耗值低、灼減量和發(fā)氣量低，含泥量少，更主要的是膨脹率低。不僅能夠減少黏結(jié)劑加入量，更能有效防止鑄件產(chǎn)生熱裂、粘砂等缺陷，提高鑄件精度?？缮a(chǎn)鑄鋼件、鑄鐵件和非鐵合金鑄件。

陶瓷砂、焙燒砂兩者都具有熱膨脹系數(shù)低、耐高溫，兩者按照質(zhì)量比1：1的配比混砂，可更好地減輕或防止脈紋的產(chǎn)生[4]。

3.2 鑄件挺桿內(nèi)腔裂紋的解決

經(jīng)過對產(chǎn)品結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，主要采取以下措施解決串水孔裂紋：

1）串水孔周邊增加一定高度的加強(qiáng)筋，如圖5所示。

圖5 串水孔結(jié)構(gòu)更改前后示意圖

2）缸孔之間壁厚d增大至一定值，如圖6所示。

圖6 缸孔壁厚更改示意圖

3.3 驗證效果

1）經(jīng)過生產(chǎn)驗證，采取上述措施驗證后，博杜安氣缸體鑄件的脈紋缺陷已消除。

2）根據(jù)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)修改，對大缸芯冷芯盒結(jié)構(gòu)進(jìn)行了修改，經(jīng)過生產(chǎn)驗證，缸孔串水孔裂紋缺陷得到了徹底解決。

圖7為采取措施前后機(jī)體內(nèi)腔解剖圖。

圖7 機(jī)體解剖內(nèi)腔示意圖

4 結(jié)論

1）實踐證明，解決脈紋缺陷，可以從砂芯原材料、涂料入手，選擇低膨脹系數(shù)芯砂、選擇防脈紋涂料。

2）陶瓷砂焙燒砂工藝比硅砂有獨特的優(yōu)點，應(yīng)用前景廣泛。