氣缸蓋氣孔缺陷解決措施探討

崔遷義，王洪君

(濰柴動(dòng)力股份有限公司,山東濰坊 261061)

某氣缸蓋毛坯根據(jù)生產(chǎn)需要由原生產(chǎn)單位調(diào)整到我公司進(jìn)行生產(chǎn),對(duì)該鑄件的鑄造工藝做了較大改變。在鑄件工藝切換的調(diào)試驗(yàn)證階段，該氣缸蓋鑄件出現(xiàn)較為集中的氣孔缺陷。

1 工藝簡介

該氣缸蓋毛坯如圖1所示，體積較大,外形尺寸為518mm×396mm×292mm，內(nèi)腔壁厚大,最薄壁厚也有8mm,缸蓋材質(zhì)為灰鑄鐵。

圖1 氣缸蓋毛坯圖

該缸蓋采用自硬砂造型工藝，鑄件上下外輪廓均由自硬砂形成，內(nèi)腔由砂芯組件形成。砂芯組裝前，對(duì)每個(gè)砂芯及上下型腔進(jìn)行單獨(dú)的刷涂或浸涂之后表干，砂芯組裝完成后連同砂箱進(jìn)行烘干。砂芯組件包括進(jìn)氣道芯、排氣道芯、水夾層芯、挺桿芯、噴油器孔芯以及螺柱孔芯共6種砂芯，如圖2所示。

圖2 砂芯組件圖

在制芯工藝上，舊工藝的6種砂芯均為手工自硬砂制芯，新工藝6種砂芯全部為熱芯盒制芯；在造型工藝上，舊的造型工藝采用呋喃樹脂自硬砂造型，新的造型工藝采用堿性樹脂自硬砂造型；熔煉上采用電爐熔煉工藝，澆注溫度為1360～1365℃。

2 缺陷特征

在初次工藝驗(yàn)證時(shí)，澆注后鑄件出現(xiàn)集中氣孔缺陷，鑄件氣孔缺陷率高達(dá)60%，氣孔位置主要集中在缸蓋頂面的大平面，如圖3所示。將缸蓋解剖之后,在大平面對(duì)應(yīng)的位置下方出現(xiàn)皮下氣孔如圖4。

圖3 氣孔缺陷

圖4 皮下氣孔

3 原因分析

鑄型在液體金屬的熱作用下，會(huì)產(chǎn)生大量的氣體，其氣體來源有：（1）型腔和型砂孔隙中原有的空氣受熱膨脹，通常在鑄鐵澆注溫度下體積也要增加四五倍；（2）鑄型尤其是濕型存在較多的水分，在金屬液的熱作用下水分汽化和遷移，水由液態(tài)轉(zhuǎn)變成1300℃的過熱蒸汽時(shí)體積膨脹達(dá)7000多倍；（3）粘結(jié)劑、附加物和雜質(zhì)中有機(jī)物質(zhì)受熱、分解與燃燒，產(chǎn)生大量氣體；（4）無機(jī)物受熱分解等也會(huì)產(chǎn)生許多氣體；（5）金屬液與鑄型界面由于化學(xué)反應(yīng)會(huì)產(chǎn)生氣體[1]。因此，減少砂型（芯）在澆注時(shí)的發(fā)氣量,同時(shí)氣體能及時(shí)從砂型（芯）中排出，是防止氣孔產(chǎn)生的主要措施。

經(jīng)過對(duì)該氣缸蓋鑄造過程的追溯及與舊鑄造工藝不同點(diǎn)進(jìn)行對(duì)比，結(jié)合澆注過程及鑄件氣孔缺陷特征，從排氣機(jī)構(gòu)、澆注系統(tǒng)、原輔材料質(zhì)量、參數(shù)設(shè)置等可能會(huì)造成氣孔缺陷的工藝參數(shù)進(jìn)行分析，最終認(rèn)為該缺陷主要原因是型腔和砂芯的氣體無法及時(shí)排除型外。審核生產(chǎn)工藝，發(fā)現(xiàn)存在以下問題。

3.1 砂芯對(duì)氣孔的影響

該氣缸蓋舊工藝的所有砂芯制芯均采用手工自硬砂制芯，所有砂芯都埋有芯骨，均有排氣通道。以氣道芯為例，砂芯內(nèi)的氣體經(jīng)過排氣通道由上型的出氣孔排出型腔，如圖5所示。水夾層芯由于結(jié)構(gòu)復(fù)雜，在制芯時(shí)用退過火的鐵絲在芯骨模板上彎制成所需形狀的芯骨。在芯骨上纏繞導(dǎo)火線并引至出砂孔芯頭處，制芯時(shí)將芯骨埋入，制芯完成后，點(diǎn)燃導(dǎo)火線，使砂芯內(nèi)形成空腔以便于砂芯排氣。

圖5 氣道芯排氣通道

新工藝的所有砂芯均采用耐高溫覆膜砂熱芯盒制芯工藝，而且砂芯內(nèi)部沒有排氣的通道，尤其是水夾層芯非常厚大，且厚大部位與鑄件產(chǎn)生氣孔的位置相對(duì)應(yīng)，如圖6為割開后的水夾層芯，砂芯厚大且無排氣通道。由于制芯工藝完全不同，因此，砂芯排氣不暢成為形成氣孔缺陷的主要原因之一。

圖6 熱芯砂芯厚大且無排氣通道

在首批生產(chǎn)樣件時(shí)，除了在進(jìn)、排氣道以及挺桿芯的芯頭鉆排氣孔外，其余砂芯均無排氣通道。

3.2 內(nèi)腔形狀對(duì)氣孔的影響

根據(jù)鑄件的外形特征發(fā)現(xiàn)，上型腔高點(diǎn)處的形狀是一個(gè)大平面。上型板出氣針的位置經(jīng)計(jì)算，出氣針的截面積總和要小于內(nèi)澆口的截面積總和，且大平面處的出氣針分布較少,型腔和型砂孔隙中原有的空氣受熱膨脹后無法及時(shí)排除型腔，就會(huì)堆積在水夾層芯與上型腔間的大平面處而形成氣孔。因此，型腔內(nèi)氣體不易排出成為形成氣孔缺陷的主要原因之一。

3.3 涂料對(duì)氣孔的影響

該氣缸蓋舊工藝中所有砂芯浸涂福士科水基涂料，而新工藝則浸涂杜倫斯水基涂料。杜倫斯涂料較福士科涂料發(fā)氣量大，因此，涂料發(fā)氣量不同同樣是產(chǎn)生氣孔的可能原因之一。

3.4 砂芯及砂型烘干對(duì)氣孔的影響

在第一批樣件生產(chǎn)時(shí)，第一次烘干砂芯時(shí)只烘干氣道芯，第二次整體烘干時(shí)，升溫到200℃，保溫120min。砂芯浸完涂料之后需要進(jìn)行烘干，確保砂芯以及涂料層中水分含量低，否則澆注時(shí)，水分蒸發(fā)產(chǎn)生大量的氣體，易形成氣孔；同時(shí)，烘干不能出現(xiàn)過燒現(xiàn)象，否則，鑄件將會(huì)出現(xiàn)粘砂、夾砂等缺陷。因此，砂型（芯）烘干參數(shù)的不合理設(shè)置同樣是鑄造缺陷產(chǎn)生的原因之一。

4 改進(jìn)措施

4.1 制芯工藝的改進(jìn)

制芯工藝做三處改進(jìn)：（1）在水夾層芯大平面處鉆?12mm的孔并和氣道芯一同進(jìn)行第一次烘干，烘干完成后水夾層芯鉆孔處塞石棉繩填砂刷涂料,之后再用天然氣點(diǎn)火烘干；（2）在水夾層芯的三個(gè)芯頭位置鉆?6mm的排氣孔，再塞上石棉繩；（3）增加在噴油器孔芯鉆排氣孔工藝。如圖7所示。

4.2 浸涂及烘干工藝的改進(jìn)

修改浸涂以及烘干工藝，砂芯浸涂用涂料由杜倫斯水基涂料改用富士科水基涂料；第一次烘干砂芯時(shí)烘干氣道芯以及水夾層芯，第二次整體烘干時(shí)，烘干溫度由200℃提升到220℃，烘干時(shí)間由120min增加到200min。

4.3 造型工藝的改進(jìn)

修改上型板，每個(gè)模樣在圖11箭頭所指的位置增加8個(gè)直徑為?12mm出氣針，圖8和圖9為上型板修改前后對(duì)比。

圖7 水夾層芯及噴油器孔芯鉆排氣孔

圖8 上型板模樣修改前

圖9 上型板模樣修改后

4.4 改進(jìn)效果

（1）在對(duì)制芯工藝以及浸涂、烘干工藝完成改進(jìn)后進(jìn)行生產(chǎn)驗(yàn)證，氣孔缺陷率從80%降低到20%，氣孔缺陷降低，但系統(tǒng)中仍然存在影響氣孔缺陷的因素。

（2）在對(duì)造型工藝完成改進(jìn)后進(jìn)行生產(chǎn)驗(yàn)證，氣孔缺陷率為0，氣孔缺陷從根本上得到了解決。

5 結(jié)束語

（1）通過對(duì)該氣缸蓋制芯、造型及浸涂工藝的修改，之后進(jìn)行樣件試生產(chǎn)驗(yàn)證，最終徹底解決了氣孔缺陷。

（2）通過此次問題探討，得出以下結(jié)論：氣缸蓋的絕大數(shù)氣孔缺陷主要都是與砂芯和型腔的排氣有關(guān)，良好的砂芯及型腔的排氣對(duì)降低氣孔缺陷起著決定性作用。