蠕铁气缸盖缩孔缺陷分析及工艺优化

2021-02-02孙晓敏王福祥臧加伦刘庆义

中国铸造装备与技术 2021年1期

孙晓敏，王福祥，臧加伦，刘庆义，2，齐建

（1.潍柴动力股份有限公司工艺工匠研究院，山东潍坊 261061；2.内燃机可靠性国家重点实验室，山东潍坊 261061）

随着国家排放标准的升级，柴油发动机愈发要求高爆压、轻量化[1]，随之对于气缸盖铸件的要求更加严苛。传统的灰铁气缸盖已经不能满足需要，相关企业正在努力开发蠕铁气缸盖来代替[2，3]。相比于传统的灰铸铁材料，蠕墨铸铁生产控制困难，稳定区间小，极易产生缩松、气孔、夹渣、砂眼、缩孔等铸造缺陷[4]。本文以本单位某款联体蠕铁气缸盖为研究对象，采用扫描电子显微镜（SEM）分析了蠕铁气缸盖缩孔缺陷，通过不断的优化工艺方案，提高铸件质量，消除缩孔缺陷。

1 工艺简述

本气缸盖材质为RuT450，毛坯尺寸为1200 mm×404 mm×143mm，毛坯净重185kg，属于我公司生产的大型联体气缸盖，如图1 所示。铸件壁厚差别较大，进气管处壁厚仅为5mm，底板厚度达到15mm，螺栓搭子直径为33mm，此铸件易形成热节，缩松倾向大。

图1 气缸盖示意图

2 缺陷分析

宋长运[5]等认为，铸件凝固后期在液相中的气体溶质高度集中，当热节处发生收缩时会产生真空孔洞，孔洞的存在为气体的析出提出了有力通道，继而阻碍了金属液体的补缩，加剧了缩孔缺陷的形成。缩孔形成过程如图2 所示。

图2 缩孔机理图

式中 PA——砂芯产生的气体作用于金属液表面的张力；

P静——金属液的静压力，由金属液高度和密度决定；

P阻——气体进入金属液的阻力，由金属液的粘度、表面张力、氧化膜等决定；

P腔——型腔内的气体压力[5]。

不难看出，只有公式1 成立时，气体才会进入缩松缺陷内部。通常情况下，金属液具有抵御外来气体侵入的阻力，但当厚度部位、易于形成热节处在凝固收缩产生缩松时，会造成真空状态，即PA＞P静+P阻+P腔，从而将气体吸入缺陷内部，形成较大的孔洞类缩松。

分析可知，宋[5]认为“气”和“缩”是控制缩孔缺陷的两大途径，即通过控制气体发生量、减少缩松的产生来避免。有关论文[6]认为，想要型腔内气体发生量达到最低，须内浇口总截面积与排气总截面积满足不等式2。

本产品经过计算:S内浇口总截面积=5116mm2

本产品造型时使用的排气针共3 种，即A（6 根ø24.5mm）、B（8 根ø23.3mm）、C（13 根ø23.3mm）。

不等式2 成立，型腔发气量已达到最小值。不难看出，该气缸盖的工艺设计已满足排气需求。

经解剖发现，缺陷主要集中在气缸盖螺栓搭子、气门导管等局部厚大部位，如图3 所示。图3b中，孔内局部呈现树枝晶状，表面不光滑，呈现缩孔特征。为此，“气”不是引起该缺陷的原因，我们应该考虑通过调节“缩”来控制缩孔缺陷。

图3 缺陷形貌

3 工艺改进及优化

3.1 工艺方案A

工艺方案A 与本公司现有某款灰铁气缸盖工艺方案类似[7]，平组立浇，进气管侧在砂型底部，一箱一件，浇注系统各组元截面设计比例S直：S横：S内=1.17:1:1.9，满足先封闭后开放，选定阻流面积为26.5cm2。

解剖发现，采用工艺方案A 不能满足本款蠕铁气缸盖生产需求，在气缸盖螺栓搭子、气门导管处均存在不同程度的缩孔缺陷，如图4 所示。该位置局部厚大、易于形成热节，为缩孔缺陷的形成提供了便利条件。

图4 缩孔缺陷宏观形貌

3.2 工艺方案B

工艺方案B 在工艺方案A 的基础上，在厚大热节部位增加冷铁棒来实现快速冷却，从而改变凝固顺序，来控制缩孔缺陷。气缸盖结构复杂，螺栓搭子处极易形成孤立热节，冷铁可以实现热节的激冷，促使铸件石墨化膨胀提前[8]，从而控制铸件凝固时收缩。该气缸盖螺栓搭子加工后直径为17mm，布置冷铁棒尺寸为ø12mm。根据工艺方案A 生产出现的缩孔缺陷位置，在气缸盖进排气侧螺栓搭子处增加冷铁棒，冷铁棒及放置示意图如图5 所示。

图5 冷铁图纸及工艺简图

解剖发现，采用工艺方案B 仍不能满足生产需求，在螺栓搭子、气门导管处依然存在缩孔缺陷，缺陷如图6 所示。不难看出，单纯在螺栓搭子位置布置冷铁棒，难以实现对热节的极冷，缩孔缺陷得不到有效解决。

图6 缩孔缺陷宏观形貌

3.3 工艺方案C

结合工艺方案A、B，工艺方案C 采用“发热保温冒口+内外冷铁”工艺。在螺栓搭子处继续采用冷铁进行激冷，为增大激冷效果，同时布置内冷铁棒、外冷铁。外冷铁制芯时固定在砂芯上，与铸件直接接触。内冷铁布置在铸件内部，浇注后与铸件融合为一体，内冷铁通过螺纹固定在外冷铁上。在喷油器孔位置布置发热保温冒口，此位置通过冒口进行补缩。通过CAE 模拟得知，该气缸盖模数为2.3cm，选取发热保温冒口模数为2.8cm，冒口模数满足补缩需求。工艺方案C 工艺简图如图7所示。