大型球铁气缸盖铸造工艺优化

2019-01-17

大型铸锻件 2019年1期

(潍柴重机股份有限公司，山东261108)

气缸盖是柴油机中的关键部件，内腔结构复杂，集水腔、气腔、油腔于一体，相互之间不能渗漏，这就对气缸盖壁厚的致密性提出很高要求，不允许有缩松、气孔、渣孔等缺陷。

我公司某种气缸体材质为QT400-15，要求抗拉强度≥400MPa，屈服强度≥250MPa，延伸率≥15%，本体硬度135～185HBW。轮廓尺寸887mm×474mm×531mm，毛坯重量470kg，铸造工艺性差，生产难度大，铸件废品率居高不下。

1 原始工艺验证情况

为了满足气缸盖的材质和性能要求(要求硬度检测点位于进、排气阀孔之间的燃烧室侧中间位置，本体性能检测也在此部位)，将气缸盖的燃烧室面定为铸件浇注最下端，采用一箱两件底注浇注系统，碱性酚醛树脂自硬砂造型，上、下水夹层结构薄弱，采用热芯盒制芯工艺，其他砂芯采用三乙胺冷芯盒制芯工艺。浇注温度定为1365～1375℃。铸件三维图如图1所示，进气管也集成在铸件上。

按照原工艺验证阶段废品率高达70%，缺陷主要有进气管支撑条缩松、冷隔，排气道缩松，斜油孔处、气门导管孔以及喷油器孔内缩松、打压漏水等。铸造缺陷如图2所示。

图1 铸件三维简图Figure 1 3D sketch of casting

2 原因分析

2.1 渣孔、呛孔类缺陷

对原始工艺进行了模拟分析，并与实际生产进行了对比。充型过程模拟如图3所示。可以看出，整个充型过程都存在卷气现象，浇注初期在内浇口附近，浇注中期在油池底部以及浇注后期的油池裙边卷气严重。充型过程的温度场变化如图4所示。可以看出，整个充型过程中温度场不均匀，进气管附近的温度比较低，将会带来冷隔风险。

经过计算分析，浇注系统不合理，原工艺中封闭式浇注系统，内浇口截面小，浇注过程中液体金属产生冲击和涡流，飞溅严重，极易引起裹气、夹渣等缺陷。另外，只有一层内浇道，而且完全底注，这就导致了进气管附近的铁水温度低。此处的气体以及夹杂物不易排出。

图2 铸件典型缺陷Figure 2 Typical defects of casting

图3 充型过程模拟Figure 3 Simulation of mold filling process

图4 温度变化Figure 4 Temperatures change

2.2 缩松类缺陷

球墨铸铁具有糊状凝固的特性，如果凝固时间较长，就会造成凝固时球墨铸铁件的外壳二次膨胀，松弛了内部压力，而且铸件本身自补缩能力有限时，容易在铸件热节处形成缩孔和缩松，使铸件的致密度下降[1]。

铸件热节分布如图5所示。可以看出，进气管顶部的支撑条，附近厚大搭子部位，排气道法兰盘附近，喷油器与排气道一侧的气门导管孔附近，以及斜油孔附近都属于铸件热节区。这些部位成为铸件最后凝固的区域，凝固时形成了孤立的液相区。

图5 铸件热节分布Figure 5 Distribution of casting hot spots

分析铸件结构，这些部位要么正好是铸件壁厚过渡T形区域，要么是厚大部位，且与周围壁厚相差较大，极易产生缩松缺陷。进气管顶部属于铸件的最高点，此时周围已经没有多余铁水对其进行补缩，进气管出现缩松的倾向较大。基本与模拟热节结果吻合。

3 改进措施

(1)加大内浇口截面积，改变浇注系统截面比，改为开放式浇注系统，使得充型过程铁水平稳上升，从而改善了铁水飞溅、裹气现象。

(2)油池芯增加冒口(见图6)，使得原先集聚在油池芯底部的气体通过冒口快速排出，同时也为下面的斜油孔部位进行了补缩。

(3)增加了上层浇道(图7)，当液面达到上层浇道时，铁水通过上层浇道进入型腔，提高了铸件上部的温度，从而改变了进气道附近铁水温度场，使温度场更均衡。

图6 油池芯增加冒口Figure 6 Riser added to the core of oil pool

图7 改进浇注系统Figure 7 Improvement of pouring system

(4)在熔炼工艺不变的情况下，解决缩松有效的办法就是利用冷铁的激冷效果以及冒口的补缩效果。通过冷铁的激冷作用改变热节附近的温度场，从而改进周围铁水的凝固顺序，尽量使局部遵循同时凝固理论。选择合理的保温冒口，既能起到对缩松缺陷处的补缩效果，还能增强局部排气效果。所以针对铸件中产生的缩松缺陷采取了以下措施：

a)进气管顶部增加冒口，搭子处布置冷铁。冒口和冷铁配合使用，详见图8。

b)排气道热节附近也布置了冷铁来消除缩松。