170氣缸蓋工藝研究

王樹奎

（1.山東大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，山東 濟南 250100；2.濰柴動力股份有限公司，山東 濰坊 261001）

170系列柴油機是濰柴中速機的主打產(chǎn)品，其產(chǎn)品質(zhì)量直接關(guān)系到濰柴的企業(yè)形象和聲譽。而氣缸蓋作為柴油機的核心部件，其質(zhì)量如何直接關(guān)系到柴油機的整機性能和產(chǎn)品的市場競爭力。由于缸蓋內(nèi)腔結(jié)構(gòu)復(fù)雜，鑄件毛坯綜合廢品率一直居高不下。分析廢品原因，提出改進措施，提高鑄件質(zhì)量，降低綜合廢品率已成為當(dāng)務(wù)之急。下面是本人的一部分總結(jié)，望大家討論。

1 鑄件氣孔缺陷分析

170氣缸蓋從開始生產(chǎn)到現(xiàn)在，廢品率一直居高不下，主要影響因素為氣孔、漏水缺陷較多。170氣缸蓋重量為58 kg，其芯子重量在10kg以上，鑄件全部由芯子組成。上蓋芯與大皮芯為冷芯，其他芯子采用熱芯覆膜砂制芯。

氣孔形成的原因基本上是由于在金屬液凝固時鑄件上某一部位的局部氣體壓力超過了金屬液的壓力。對所有的氣孔缺陷來說，有兩種可行的解決方法：一是改變某些因素，以減少發(fā)氣量或氣體壓力，二是在發(fā)氣量不變的情況下，采取措施使氣體容易逸出，或提高壓力，在氣體構(gòu)成缺陷之前，使氣體從原有的出氣孔中排出去。

1.1 造型材料的發(fā)氣量

樹脂砂芯的發(fā)氣量大小直接影響到氣缸蓋鑄件氣孔率的高低，在保證砂芯強度≥1.5mPa前提下，盡量減少砂芯中樹脂，過氧化物的加入量。樹脂砂芯發(fā)氣量小于15ml，可明顯降低氣缸蓋鑄件氣孔率[1]。氣缸蓋型（芯）黏接材料也應(yīng)使用發(fā)氣量低的材料，特別是上、下水套芯的黏接，因其澆注后完全被鐵水包覆，排氣條件很差，更應(yīng)使用低發(fā)氣量的黏接材料。

1.2 砂芯排氣系統(tǒng)

氣缸蓋水套砂芯、氣道砂芯的排氣不通暢也是影響氣孔缺陷的一個重要因素。氣缸蓋水套芯、氣道芯芯頭與上、下蓋板的芯座間隙應(yīng)調(diào)節(jié)合適，間隙余量在0.5mm左右。上夾層芯主氣眼與上蓋芯間隙大，在3mm左右，因此用石棉墊片密封，以保證芯頭密封良好，杜絕鐵水進入排氣通道，保證氣路暢通。在蓋板芯外側(cè)，外型上箱專門設(shè)置有排氣通道，以保證氣體順暢排出鑄型。另外，在上箱面排氣口處加抹封箱膏，以防鐵水倒灌堵塞排氣通道。

1.3 澆注溫度和澆注速度

提高澆注溫度可以減少氣孔產(chǎn)生，但由于缸蓋水套芯局部過于細小，溫度過高會造成內(nèi)腔粘砂堵塞水遭而成廢品。當(dāng)澆注溫度低于1390℃時，隨著溫度的不斷降低，氣孔缺陷明顯增加。澆注溫度在1395℃～1415℃之間時鑄件氣孔缺陷能得到有效控制，且能解決內(nèi)腔粘砂問題?？刂七m宜的澆注速度，氣缸蓋鑄件由于內(nèi)腔結(jié)構(gòu)復(fù)雜，樹脂砂芯發(fā)氣量大、排氣條件差、澆速過快易產(chǎn)生嗆火造成鑄件報廢。氣缸蓋鑄件近似中注式澆注系統(tǒng)，澆注時間為l8 s～23 s時有利于降低鑄件氣孔缺陷。

1.4 出氣冒口的布置

氣缸蓋鑄件氣孔缺陷總是出現(xiàn)在鑄件最高或最后凝固的位置，這是由于這些部位鐵水壓力頭較低，氣體容易遷移到這些部位。所以，出氣冒口的設(shè)置就必須考慮澆注時型腔內(nèi)氣體遷移的方向問題出氣冒口的位置最終確定還必須經(jīng)鑄造生產(chǎn)實際的驗證，根據(jù)生產(chǎn)實踐的具體情況來調(diào)整氣缸蓋鑄件的出氣冒口都設(shè)在鑄型頂面。這樣設(shè)置既利于單獨的凸臺及邊角處的出氣順暢，又能減少冒口數(shù)量，有效地減少皮下氣孔的產(chǎn)生。

2 縮孔缺陷分析

內(nèi)澆口開設(shè)位置對鑄件的溫度分布有重要影響。內(nèi)撓口設(shè)置要保證澆注充型的平穩(wěn)性和鑄型排氣順暢，現(xiàn)在采用的是中注式澆注系統(tǒng)如圖1b）。原來采用的是底注式，內(nèi)澆口為扁平放置，如圖1a），氣孔缺陷不穩(wěn)定，且易造成導(dǎo)管孔縮松。修改后，內(nèi)澆口改為豎直放置，氣孔缺陷明顯減少，且未出現(xiàn)大面積反復(fù)。個人認為原先的底注式，不利于缸蓋的順序凝固和冒口補縮，造成在最大冒口根部凝固后，鑄件表面形成縮孔。

圖1 內(nèi)澆口位置圖

漏水缺陷一直是困擾170缸蓋質(zhì)量的一個重要原因，經(jīng)排查，主要分為兩類：縮松漏水與砂眼漏水?，F(xiàn)在主要影響的是砂眼漏水。

2.1 縮松漏水

縮松是指鑄件最后凝固的區(qū)域沒有得到液態(tài)金屬或合金的補縮形成分散和細小的縮孔?？s松隱藏于鑄件的內(nèi)部，外觀上不易被發(fā)現(xiàn)，在打壓過程中易造成漏水[2]。

解決措施：主要方法為安放冒口與增加冷鐵。由于縮松集中在導(dǎo)管處，不易增加冒口，因此采用了安放冷鐵的方法。在導(dǎo)管處設(shè)置冷鐵，使其實現(xiàn)自上而下的順序凝固。冷鐵用灰鐵材料，增加此處的冷卻速度，減少縮松傾向。通過此方法，此類漏水缺陷已解決[3]。圖2為芯子上增加冷鐵后的圖片。

圖2 芯子上增加冷鐵后

2.2 砂眼漏水

主要是造型、澆注過程中，型砂沖入型腔造成鑄件內(nèi)壁上砂眼，造成打壓過程中漏水。

2.3 其他因素的影響

1）型砂質(zhì)量影響

型砂質(zhì)量是影響鑄件砂眼的重要因素。型砂質(zhì)量的控制涉及到原材料質(zhì)量、型砂配比、型砂混制、型砂和舊砂性能的檢測，以及掌握生產(chǎn)中型砂性能的變化等許多方面。

型砂的緊實率能夠表示型砂的干濕程度。型砂太干，膨潤土的黏結(jié)力不能充分發(fā)揮，會造成型砂的強度不足，也不利于射壓等造型方法對砂型的緊實，砂型容易破損，鑄件容易產(chǎn)生沖砂和砂孔等缺陷；型砂太濕，會造成型砂的流動性差，砂型不容易緊實均勻，同時過多的水分會造成鑄件的氣孔、針孔、嗆火夾砂等缺陷。一般情況下現(xiàn)在控制的緊實率為 35%～40%[2]。

型砂的濕壓強度反映出砂型承受各種外力的能力。砂型在生產(chǎn)過程中要經(jīng)受起模、搬運、下芯、合型等過程，為了避免出現(xiàn)破損和塌落，必須具備足夠的濕態(tài)強度。在澆注過程中，砂型還要承受金屬液的沖刷和沖擊，以及石墨析出時的膨脹力，這些原因可能導(dǎo)致砂孔、疏松、脹砂等缺陷。尤其是發(fā)動機缸體、缸蓋等復(fù)雜鑄件，對于型砂的濕態(tài)強度要求較高。一般情況下，型砂在緊實率為35%～40%。濕壓強度至少達到0.16 MPa。需要注意的是，應(yīng)該以較低含量的膨潤土來達到建議的濕壓強度水平。

2）設(shè)備影響

現(xiàn)在中件線的設(shè)備精度存在問題，合箱機合箱精度是造成砂眼的主要原因。芯子高度為300mm，但合箱定位用的砂箱銷子有效高度不到100mm，這就造成合箱過程中，定位銷不起作用，主要靠設(shè)備自己找正，因此設(shè)備定位精度是影響砂眼的主要因素。通過修改砂箱定位、設(shè)備定位等加以解決。主要是在合箱處的下砂箱處增加輔助定位，保證合箱時下砂箱位置不變，提高合箱精度。

3）芯子強度的影響

可能芯子強度等因素對砂眼也有影響。現(xiàn)在對冷芯制芯采用高強度樹脂，砂眼未出現(xiàn)明顯反復(fù)，但當(dāng)用普通冷芯盒樹脂制芯時，缸蓋表面出現(xiàn)碎砂塊。因此懷疑芯子強度與砂眼有關(guān)。

3 結(jié)論

通過對170缸蓋進行的一系列工藝改進，在生產(chǎn)實踐中取得了較為明顯的效果。針對缸蓋氣孔缺陷，保證排氣通暢，修改澆注系統(tǒng)，調(diào)整合適的澆注速度是有效方法。針對縮松漏水缺陷，可適當(dāng)考慮加冷鐵等激冷措施。而對砂眼等漏水缺陷，則相對要考慮的因素較多，不排除設(shè)備因素等原因。

［1］李智華，邱茂贊，何杰仁.氣缸蓋鑄件氣孔缺陷的探討［J］.鑄造工程，2001（2）：36-37.

［2］佚名.鑄造工藝學(xué)［M］.機械工業(yè)出版社，1998.

［3］吳忠民.汽缸蓋漏水缺陷的分析和對策［J］.山西機械，1996（1）.