170气缸盖工艺研究

2011-01-24王树奎

铸造设备与工艺 2011年5期

王树奎

（1.山东大学材料科学与工程学院，山东济南 250100；2.潍柴动力股份有限公司，山东潍坊 261001）

170系列柴油机是潍柴中速机的主打产品，其产品质量直接关系到潍柴的企业形象和声誉。而气缸盖作为柴油机的核心部件，其质量如何直接关系到柴油机的整机性能和产品的市场竞争力。由于缸盖内腔结构复杂，铸件毛坯综合废品率一直居高不下。分析废品原因，提出改进措施，提高铸件质量，降低综合废品率已成为当务之急。下面是本人的一部分总结，望大家讨论。

1 铸件气孔缺陷分析

170气缸盖从开始生产到现在，废品率一直居高不下，主要影响因素为气孔、漏水缺陷较多。170气缸盖重量为58 kg，其芯子重量在10kg以上，铸件全部由芯子组成。上盖芯与大皮芯为冷芯，其他芯子采用热芯覆膜砂制芯。

气孔形成的原因基本上是由于在金属液凝固时铸件上某一部位的局部气体压力超过了金属液的压力。对所有的气孔缺陷来说，有两种可行的解决方法：一是改变某些因素，以减少发气量或气体压力，二是在发气量不变的情况下，采取措施使气体容易逸出，或提高压力，在气体构成缺陷之前，使气体从原有的出气孔中排出去。

1.1 造型材料的发气量

树脂砂芯的发气量大小直接影响到气缸盖铸件气孔率的高低，在保证砂芯强度≥1.5mPa前提下，尽量减少砂芯中树脂，过氧化物的加入量。树脂砂芯发气量小于15ml，可明显降低气缸盖铸件气孔率[1]。气缸盖型（芯）黏接材料也应使用发气量低的材料，特别是上、下水套芯的黏接，因其浇注后完全被铁水包覆，排气条件很差，更应使用低发气量的黏接材料。

1.2 砂芯排气系统

气缸盖水套砂芯、气道砂芯的排气不通畅也是影响气孔缺陷的一个重要因素。气缸盖水套芯、气道芯芯头与上、下盖板的芯座间隙应调节合适，间隙余量在0.5mm左右。上夹层芯主气眼与上盖芯间隙大，在3mm左右，因此用石棉垫片密封，以保证芯头密封良好，杜绝铁水进入排气通道，保证气路畅通。在盖板芯外侧，外型上箱专门设置有排气通道，以保证气体顺畅排出铸型。另外，在上箱面排气口处加抹封箱膏，以防铁水倒灌堵塞排气通道。

1.3 浇注温度和浇注速度

提高浇注温度可以减少气孔产生，但由于缸盖水套芯局部过于细小，温度过高会造成内腔粘砂堵塞水遭而成废品。当浇注温度低于1390℃时，随着温度的不断降低，气孔缺陷明显增加。浇注温度在1395℃～1415℃之间时铸件气孔缺陷能得到有效控制，且能解决内腔粘砂问题。控制适宜的浇注速度，气缸盖铸件由于内腔结构复杂，树脂砂芯发气量大、排气条件差、浇速过快易产生呛火造成铸件报废。气缸盖铸件近似中注式浇注系统，浇注时间为l8 s～23 s时有利于降低铸件气孔缺陷。

1.4 出气冒口的布置

气缸盖铸件气孔缺陷总是出现在铸件最高或最后凝固的位置，这是由于这些部位铁水压力头较低，气体容易迁移到这些部位。所以，出气冒口的设置就必须考虑浇注时型腔内气体迁移的方向问题出气冒口的位置最终确定还必须经铸造生产实际的验证，根据生产实践的具体情况来调整气缸盖铸件的出气冒口都设在铸型顶面。这样设置既利于单独的凸台及边角处的出气顺畅，又能减少冒口数量，有效地减少皮下气孔的产生。

2 缩孔缺陷分析

内浇口开设位置对铸件的温度分布有重要影响。内挠口设置要保证浇注充型的平稳性和铸型排气顺畅，现在采用的是中注式浇注系统如图1b）。原来采用的是底注式，内浇口为扁平放置，如图1a），气孔缺陷不稳定，且易造成导管孔缩松。修改后，内浇口改为竖直放置，气孔缺陷明显减少，且未出现大面积反复。个人认为原先的底注式，不利于缸盖的顺序凝固和冒口补缩，造成在最大冒口根部凝固后，铸件表面形成缩孔。

图1 内浇口位置图

漏水缺陷一直是困扰170缸盖质量的一个重要原因，经排查，主要分为两类：缩松漏水与砂眼漏水。现在主要影响的是砂眼漏水。

2.1 缩松漏水

缩松是指铸件最后凝固的区域没有得到液态金属或合金的补缩形成分散和细小的缩孔。缩松隐藏于铸件的内部，外观上不易被发现，在打压过程中易造成漏水[2]。

解决措施：主要方法为安放冒口与增加冷铁。由于缩松集中在导管处，不易增加冒口，因此采用了安放冷铁的方法。在导管处设置冷铁，使其实现自上而下的顺序凝固。冷铁用灰铁材料，增加此处的冷却速度，减少缩松倾向。通过此方法，此类漏水缺陷已解决[3]。图2为芯子上增加冷铁后的图片。

图2 芯子上增加冷铁后

2.2 砂眼漏水

主要是造型、浇注过程中，型砂冲入型腔造成铸件内壁上砂眼，造成打压过程中漏水。

2.3 其他因素的影响

1）型砂质量影响

型砂质量是影响铸件砂眼的重要因素。型砂质量的控制涉及到原材料质量、型砂配比、型砂混制、型砂和旧砂性能的检测，以及掌握生产中型砂性能的变化等许多方面。

型砂的紧实率能够表示型砂的干湿程度。型砂太干，膨润土的黏结力不能充分发挥，会造成型砂的强度不足，也不利于射压等造型方法对砂型的紧实，砂型容易破损，铸件容易产生冲砂和砂孔等缺陷；型砂太湿，会造成型砂的流动性差，砂型不容易紧实均匀，同时过多的水分会造成铸件的气孔、针孔、呛火夹砂等缺陷。一般情况下现在控制的紧实率为 35%～40%[2]。

型砂的湿压强度反映出砂型承受各种外力的能力。砂型在生产过程中要经受起模、搬运、下芯、合型等过程，为了避免出现破损和塌落，必须具备足够的湿态强度。在浇注过程中，砂型还要承受金属液的冲刷和冲击，以及石墨析出时的膨胀力，这些原因可能导致砂孔、疏松、胀砂等缺陷。尤其是发动机缸体、缸盖等复杂铸件，对于型砂的湿态强度要求较高。一般情况下，型砂在紧实率为35%～40%。湿压强度至少达到0.16 MPa。需要注意的是，应该以较低含量的膨润土来达到建议的湿压强度水平。

2）设备影响

现在中件线的设备精度存在问题，合箱机合箱精度是造成砂眼的主要原因。芯子高度为300mm，但合箱定位用的砂箱销子有效高度不到100mm，这就造成合箱过程中，定位销不起作用，主要靠设备自己找正，因此设备定位精度是影响砂眼的主要因素。通过修改砂箱定位、设备定位等加以解决。主要是在合箱处的下砂箱处增加辅助定位，保证合箱时下砂箱位置不变，提高合箱精度。

3）芯子强度的影响

可能芯子强度等因素对砂眼也有影响。现在对冷芯制芯采用高强度树脂，砂眼未出现明显反复，但当用普通冷芯盒树脂制芯时，缸盖表面出现碎砂块。因此怀疑芯子强度与砂眼有关。