大功率柴油机球铁机体工艺优化

杨恒远，李永刚，刘继波，于建忠，耿建华

（潍柴重机股份有限公司，山东潍坊 261108）

大功率柴油机球铁机体工艺优化

杨恒远，李永刚，刘继波，于建忠，耿建华

（潍柴重机股份有限公司，山东潍坊 261108）

L32机体在生产过程中存在问题较多，冷隔、缩松、夹渣缺陷及尺寸问题尤为突出。针对这些铸造问题进行了分析并对工艺改进优化。经过生产验证，冷隔、缩松、夹渣铸造缺陷及尺寸问题得到有效控制，提升了铸件品质，满足了技术文件要求。

冷隔；缩松；夹渣；工艺优化

大功率船用柴油机是我公司从MAN公司引进的战略产品，包含6、7、8、9缸四种机型。大功率柴油机机体体积大、质量大，是柴油机的支撑和骨架，承载很多的零部件，对机体的强度和刚度有严格的要求，且根据铸件品质标准要求，对铸件的关键部位需要进行磁粉探伤和超声波检测。由于机体尺寸大，造成制芯、研箱困难，因此铸造操作工序难度大，铸件在生产过程中极易出现各种各样的品质问题。

L32机体是其中的一种机型，9缸毛坯几何尺寸为5 760×1 620×1 800（mm），铸件材质为QT400-15，铸件毛坯质量20 t，浇注质量约26 t，见图1。

图1 L32机体简图

L32机体采用碱性酚醛自硬砂工艺、铁木结合的工艺装备生产，采用单侧底注式浇注系统。在生产过程中存在冷隔、缩松、夹渣等铸造缺陷，并且在划线检验时发现存在尺寸问题，严重影响铸件品质，见图2。

图2 缺陷图片

1 冷隔产生的原因及解决措施

冷隔是指在铸件中金属流汇合处，由于金属熔液熔合不完善或金属熔液不连续所导致的在铸件中产生的穿透或未穿透的缝隙。L32机体出现冷隔主要集中在两个位置，铸件浇注底面和机体公共底盘处。1.1 底面冷隔

根据工艺设计，L32/40机体采用拔塞浇注工艺，先将塞头放置在直浇口上面，塞头与直浇口之间缝隙用涂料抹严，然后用铁液充满浇口箱，待铁液温度满足浇注温度的工艺要求时，利用导链将塞头拔起，同时浇包向浇口箱内倒入铁液，直至完成浇注过程。

通过对浇注过程的分析，认为在铸件底面出现冷隔的原因是塞头直接放置在直浇口上方，铁液从浇包倒入浇口箱的过程中对塞头产生冲击，塞头在力的作用下产生晃动，填充塞头与直浇口间隙的涂料层出现缝隙，铁液在塞头拔起以前通过缝隙提前进入型腔内至铸件底面，这时铁液的不连续以及底面冷铁的激冷作用导致底面出现冷隔现象。

经过以上分析，确定缺陷的产生是由于塞头与直浇口之间产生缝隙造成，因此对塞头的机构进行了改进，增加塞头压紧装置，保证塞头在铁液倒入浇口箱的过程中不发生晃动，在浇注时利用杠杆原理将塞头拔起，见图3。采取改进措施后，彻底杜绝了底面冷隔现象。

图3 改进措施

1.2 底盘冷隔

出现冷隔的位置属于铸件浇注时的顶部，分析认为出现冷隔的原因是：①根据工艺要求，在上箱与中箱进行封箱时会导致上箱直浇道与在砂芯内部的直浇道中间存在披缝，浇注过程中铁液在直浇道充满的状态下经过披缝提前进入铸件型腔所形成的冷隔；②单侧浇注系统浇注时间长，浇注过程中铁液到达公共底盘位置时，温度较浇注初始温度下降太多，同时再加上冷铁的激冷作用导致冷隔现象的发生。

通过以上分析，首先采用石棉绳或石棉垫并将其固定，增加对直浇道的封箱操作，避免铁液从披缝进入铸件型腔；其次由单侧浇注系统改为双侧浇注系统，加快浇注速度，降低温度下降程度，同时适当提高浇注温度并增大溢流量。

经过改进措施的实施，冷隔问题也得到了彻底解决。

2 缩松

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的分散和细小的缩孔。常分布在铸件壁厚的轴线区域、厚大部位、冒口根部和内浇口附近。缩松隐藏于铸件内部，外观上不易被发现。

缩松可分为宏观缩松和显微缩松两大类。其中宏观缩松又包含热节缩松、轴线缩松和移砂缩松。根据L32机体缩松出现的位置，可认定为热节缩松。在铸件工艺热节或结构热节处产生的缩松，称之为热节缩松。热节缩松隐藏于铸件壁厚内部，用X射线检验、水压(气压)检查或切削加工予以暴露才能发现。热节比与之相衔接的联接壁厚实，因而凝固的比联接壁慢。当无其他补缩源时，热节就成为联接壁的补缩源。对于有凝固温度范围的合金而言，如果热节对联接壁只有过滤补缩，并且由于热节自身的凝固时期体收缩无法得到补偿，则热节中就形成热节补缩[1]。

通过对热节缩松出现的原因进行分析，确定在热节处增加外冷铁的改进措施，见图4。

图4 增加外冷铁的改进措施

使用外冷铁，实现热节同联接壁的同时凝固，以免热节成为联接壁的补缩源，消除热节缩松的发生。经过生产验证，热节部位经超声波检测后完全合格，满足了MAN机铸件品质标准的要求。

3 夹渣

夹渣是指铸件内部或表面有外来的非金属夹杂物。这种非金属夹杂物统称为“渣滓”，故称这种缺陷为夹渣。按渣滓形成时间先后，有一次渣滓和二次渣滓之区别。一次渣滓形成于先，它是指合金冶炼或熔炼时的冶金熔渣(氧化渣、还原渣、酸性渣、碱性渣等)或溶剂所形成的渣滓；或金属液同炉衬、包衬相互作用产生的渣滓；或金属液炉前处理，例如孕育处理或变质处理后生成的渣滓。二次渣滓形成于后，它是指仅属于在浇包内挡住或去除一次渣滓后，进行浇注直至充型过程中，由于金属液的二次氧化或其他各种原因而形成的渣滓。这两种夹渣易出现在铸件的上表面，砂芯的下表面或铸件的死角处[1]。

根据L32机体出现的夹渣位置，结合夹渣的形成原因，制定以下改进措施：

⑴熔炼工艺。①电炉内高温静置扒渣；②浇包内铁液扒渣并增加挡渣装置；③采用浇口箱浇注工艺，使铁液中的夹杂物充分上浮；④应用滚筒式抛丸清理机，去除金属炉料表面的锈脏。

⑵浇注系统改进。原内浇口位于一颗砂芯的中间部位，通过移动内浇口位置，使其由原内浇口的铁液直冲砂芯芯头变为不直冲砂芯芯头，以避免铁液形成紊流，保证充型平稳，减少铁液中的夹杂物的形成，见图5。

改进措施完成后，夹渣缺陷得到了显著改善。

图5 浇注系统改进措施

4 尺寸

尺寸是指铸件毛坯尺寸。毛坯尺寸的实测偏差，超过铸件尺寸公差规定的正极限偏差或负极限偏差，这种铸件缺陷称之为尺寸超差。铸件毛坯正超差，一般毛坯质量也正超重，铸件就“肥头大耳”，耗费能源和金属材料，机械加工时延长加工时间，经济效益差。铸件毛坯尺寸负超差，会使机械加工余量不够或甚至无此余量而无法加工，亦会使铸件报废；会使铸件壁厚过薄，导致铸件结构强度降低，刚性变差；水压或气压检验的容器铸件，由于壁厚过薄也易渗漏[1]。

L32机体在划线检验时发现公共底盘、油孔等部位的厚度偏小，不能达到图纸要求尺寸，属于铸件尺寸负超差缺陷，而恰恰这些尺寸属于重要尺寸，一旦失控，将对铸件品质造成极大的影响。

经过对整个过程的排查，并对整套机体芯盒进行测量，确定出现尺寸问题是由设计和操作两方面的原因造成。考虑成本问题再加上生产等各方面因素的制约，L32机体的工装不可能在进行重新制作。因此针对尺寸问题，制定以下措施：(1)对芯盒进行修改，同时采取工艺补正措施，对尺寸偏小部位适当进行补贴；(2)重新设计制作样板，对铸件的关键尺寸进行控制，并对操作者进行培训，严格控制操作规范；(3)在尺寸满足加工工艺的前提下，适当借线加工。

采取措施后，尺寸问题也得到了彻底解决。

5 结论

大型球铁柴油机机体在铸造生产过程中影响铸件品质的因素很多，也会产生多种铸造缺陷，但是只要认真分析，不断总结，并对整个铸造生产过程严格控制，无论是设计方面的原因，还是操作方面的原因，总能找到合理的解决方法。通过对铸造工艺进行优化，才能不断提高产品品质，满足客户的需求，提升企业竞争力。

[1] 陈国桢，肖珂则，姜不居.铸件缺陷和对策手册[M].北京：机械工业出版社,1996.

[2] 王潘兴,于建忠,毕海香,等. 大功率柴油机球铁机体铸造工艺探讨[J]. 中国铸造装备与技术,2015(2).

Casting process optimization of large power ductile cast iron cylinder crankcase

YANG HengYuan,LI YongGang,LIU JiBo,YU JianZhong,GENG JianHua
(Weichai heavy machinery Co.,Ltd., Weichai Group,Weifang 261108,Shandong,China)

There are some problems in the process of production about L32 cylinder for the strategic product Introduced from MAN company. Cold insulation, shrinkage porosity, slag inclusion and the size problem are particularly prominent. The casting problems mentioned above were analyzed and process optimization measures were suggested in this article. Through production verification, the casting problems such as cold insulation, shrinkage, slag inclusion and the size problem have been effectively controlled. The casting quality was improved signifi cantly and the castings can meet the quality standards of MAN company.

cold insulation;shrinkage porosity;slag inclusion;size problem;process optimization

TG244+.4；

A；

1006-9658（2016）05-42-03

10.3969/j.issn.1006-9658.2016.05.012

2016-03-31

稿件编号:1603-1314

杨恒远（1982—），男，工程师，主要从事铸造工艺开发及现场管理工作.