4H缸体缺陷的分析及对策

宋 岩

（一拖（洛阳）铸造有限公司,河南洛阳471000）

4H缸体是本公司重要的汽车类产品之一，由于该产品结构复杂，在铸造生产中控制难度大，废品率居高不下。主要存在的问题有水套烧结、上箱搭子气孔、缸孔缺陷等，主要问题集中在缸体水套芯上。对于干式缸体来说，水套芯的生产工艺水平对降低产品废品率起着决定性作用。通常的影响因素有设备工装、产品结构、芯砂种类和涂料等。随着客户对产品质量要求的提高及公司发展的需求，降低废品率势在必行。

1 铸件结构及生产工艺

4H缸体用于柴油车的发动机，材质HT250，轮廓尺寸532mm×382mm×436mm，整体壁厚5～8mm，主体芯采用冷芯工艺，水套芯及其他配套砂芯采用热芯覆膜砂工艺，静压线造型，感应电炉熔炼。浇注系统采用中注＋顶注浇注，内浇口分散布置在1、4缸上箱裙部和2、4轴瓦瓦口，浇口面积比为∑F内：∑F横：∑F直=1：1.4：1.2。阻流面积在内浇口。上模在缸筒顶面位置设置溢流冒口和排气销，浇注前期可以排型腔的气，最后被冷铁水填充，排冷铁[1-3]。铸件结构图如图1。

图1 4H缸体铸件结构图

2 原因分析

2.1 产生气孔的原因

4H缸体是一种干式四缸体，采用卧浇，水套芯、挺杆室和套头芯都离内浇口较远，主体芯、水套芯和挺杆室三层砂芯叠放，发气量比较大，直接向上的排气孔只有上箱的四个ø23mm的芯头，其它侧边溢流冒口辅助排气，排气不足，小头上箱面又是离直浇道最远处，到达此处的铁水很快冷却，致使铁液中的气体没有及时排除，留在铁液中形成气孔[4]，如图2。这是气孔会出现在靠近缸顶面上箱的原因，可是出现气孔的比例却忽高忽低，据统计，单班气孔废品率最高10%，最低没有气孔。对废品的流水号进行统计分析，并没有发现明显的规律，气孔并不是在每包铁水的末箱出现，说明浇注温度适宜，铁水温度并不是造成的气孔的主要原因，那只能在砂芯的排气和发气环节上进行改善。

图2 缸体上模

2.2 产生缸孔缺陷的原因

每个缸孔内都有一处或多处缺陷。表观为浅薄层缺肉，形状为不规则多角形。加工后出现完全消失或少量存在。由于对缸体缸孔内壁要求极高，不得出现任何缺陷，所以该缺陷的出现成为了最大的质量隐患。对缺陷处解剖开，可以看出，缺陷是浅薄一层线状分布在本体内，如图3所示。从缺陷的形态可以看出，夹杂物并非铁水本身所有，应该是外来物质，通过能谱分析是硅酸盐物质，排除砂粒和渣子，应该是涂料层，涂料层在浇注过程中剥落，呈层片状，被铁水挤压成曲面状分布在本体内，与事实相符，因此可以从涂料方面进行整改。

图3 缸孔缺陷位置及解剖图

水套芯浸涂工艺流程为，制芯修芯后先局部刷防烧结料（水套芯螺栓搭子容易烧结部位），再整体浸HA公司的水基料烘干，炉后热态下顶面和底面再浸沁阳醇基防烧结料，防止水套芯烧结。由此可见，水套芯浸涂过程中经过多次的涂料工序，而且使用的是不同厂家不同型号的涂料，涂料层的结合力不够，致使涂料层在浇注过程中剥落，造成缺陷。

2.3 产生烧结的原因

烧结主要集中在缸体水套芯螺栓搭子窝处（缸壁与螺栓搭子之间空腔），水套芯局部最薄处仅2.8～3.5mm。解剖缸体烧结部位，可以发现铸件本体与砂芯有清晰、平整的分界线。用万用表测烧结体电阻，一般在4Ω左右，证明烧结为机械粘砂。由于铁液与芯砂形成具有一定强度的“铁包砂”，缸体铸件水套腔烧结时，破碎、清理困难。这就要求在制芯环节采取措施解决烧结问题：砂芯要致密，不能有镂空；涂层要均匀，涂层深度要合适。

造成砂芯不致密的原因，一般有工装设备问题和砂子粒度，芯盒排气道或排气塞堵塞，设备射砂压力不够等因素。排除工装设备，砂子在运输过程中的粒度偏析是个关键因素，也是不易发现的因素，砂子粒度偏析后，局部砂粒偏粗，砂芯的局部就不够致密，容易引起烧结。

3 工艺措施

3.1 气孔

对于气孔的解决措施，如果温度没有问题，只能从砂芯入手，通常有两种方向：一是减少发气；二是增加排气。减少发气主要针对用砂方面进行改进，采用低树脂高强度的特种覆膜砂制作水套芯，发气量从17.5ml/g降为14ml/g。其次，对于覆膜砂的粒度也有讲究，砂子越细排气越差。在不影响砂芯致密的条件下，尽量选择粒度较粗的型号，根据经验选用40/70的砂子。另外对于水套芯排气措施，不仅外模增加排气通道，砂芯的排气通道必须畅通。经过验证，一旦顶面出砂孔芯头浸料时，排气通道被封闭，会出现批量气孔。所以该水套芯顶面出砂孔不得浸料，确保顶面排气。生产过程中一般为防止芯头浸料可以设计橡胶皮套，在浸料前套在芯头上，或者浸完料芯头部位用清水刷掉涂料。由于水套芯出砂孔芯头小，又不统一，个别芯头有浸料的用清水刷掉涂料。

3.2 砂孔

改进水套芯涂料工艺，取消防烧结料，刷料和浸料使用同厂家的同型号涂料，提高涂料结合力，以增加涂料的抗烧结性的同时避免在浇注过程中脱落。针对涂料的刷涂和过程控制方面进行了多次试验，最终确定工艺：修芯时水套芯螺栓搭子外侧局部刷亚士科W6型涂料，要求只允许刷一遍，不得二次补刷料，允许漏料，波美度50±1；刷料后当班必须再整体浸亚士科W6型涂料进炉烘干待用，波美度37±1；水套芯缸体顶面芯头端面严禁浸料。工艺稳定执行1个月后，缸孔缺陷比例由30%下降至1%。

3.3 烧结

为了消除砂粒偏析，砂子在使用前，将50公斤袋装覆膜砂倒进容器内预混1min后使用。而且对砂子粒度的标准从简单的40/70改为平均细度39～42，砂粒控制更精细化，减小偏析倾向。另外砂芯的抗烧结性与铸件气孔缺陷，在一定程度上存在反向关系，与供货商合作研发新的高强度低发气覆膜砂，减少烧结，应用于4H缸体水套芯，使得烧结问题得到很大程度改善。4H缸体的烧结废品率大幅度降低至2%以内。

之后由于造型线更新，将4H缸体转移至KW线造型生产。静压头高度由350mm提高到500mm。水套烧结问题再次出现，主要集中在1缸水套烧结，比例高达80%。解剖结果显示为机械粘砂。对于解决砂芯的烧结，芯砂和涂料的选择很重要，由于芯砂的更改周期比较长，考虑从现有的涂料工艺进行改善，对水套芯1缸烧结部位进行改进。从公司各种涂料的使用情况来看，锆料有利于烧结的消除。具体试验方案如下。

表1 试验结果

图4 三种涂料工艺的涂层照片

水套芯先在1缸容易烧结部位涂醇基锆料，再整体浸亚士科水基涂料，然后烘干待用。对涂醇基锆料的3种方式进行试验，试验结果如表1。方案和结果如下：方案一对1缸局部刷涂醇基锆料；试验结果表明没有明显改善。方案二对1缸局部淋涂醇基锆料；试验结果表明有所改善。方案三对1缸局部浸涂醇基锆料；经过批量验证，烧结基本消除。

图3通过对三种涂料工艺的涂层深度进行对比发现：刷涂工艺和淋涂工艺涂料渗入的深度不超过0.5mm。浸涂工艺明显比前两种工艺的涂层渗入深度大。通过浸涂时间的延长，渗入深度可达2mm，说明涂料工艺对涂层渗入砂芯的深度有很大的影响。涂料的渗入深度越大，对抑制烧结越有利。

4 结束语

在4H缸体生产中，水套芯用砂的选择需要兼顾多个方面因素，在一定程度上反映出，4H缸体水套芯必须采用粗粒度、高强度覆膜砂，既控制气孔，又使其水套芯烧结减轻。另通过水套芯使用涂料的改进，最终使得4H缸体缸孔缺陷得到控制，生产稳定。

4H缸体采用目前工艺生产，内废率稳定在3%左右，综合废品率稳定在9%左右。