16v280氣缸蓋鑄造缺陷的分析

鑄造工藝設(shè)計(jì)難點(diǎn)16v280氣泵蓋的漏水，尤其是車輛運(yùn)行中的漏水，一直是中國(guó)南車集團(tuán)齊莊溝車輛廠（以下簡(jiǎn)稱齊機(jī)廠）生產(chǎn)車輛的主要品質(zhì)問題。它不僅造成經(jīng)濟(jì)損失，而且影響了齊機(jī)廠的產(chǎn)品質(zhì)量。氣缸蓋是柴油機(jī)上的重要零件,結(jié)構(gòu)復(fù)雜,技術(shù)要求高,鑄造工藝性能相對(duì)較差,但對(duì)鑄件尺寸、內(nèi)在組織致密性、內(nèi)腔清潔度要求很高,因而給鑄造工藝設(shè)計(jì)帶來了很大難度。在生產(chǎn)過程中,氣缸蓋因鑄造缺陷泵漏的質(zhì)量問題一直困擾著該產(chǎn)品的生產(chǎn),因泵漏造成的廢品損失非常大,經(jīng)過廣大工藝師的不斷探索和改進(jìn),到目前為止,氣缸蓋的質(zhì)量已相當(dāng)穩(wěn)定。1v280氣缸蓋相氣缸蓋的毛坯外形見圖1所示。氣缸蓋的材質(zhì)為蠕墨鑄鐵,它具有良好的鑄造性能,其流動(dòng)性優(yōu)于球墨鑄鐵,適宜于澆注結(jié)構(gòu)復(fù)雜的鑄件,具有良好的致密性和耐熱疲勞性能,因此適合于制造大功率內(nèi)燃機(jī)的氣缸蓋等耐熱件。造成氣缸蓋泵漏的主要原因有夾雜、縮孔、縮松以及壁厚不均勻等,通過解剖和數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì),認(rèn)為主要有以下幾個(gè)方面:(1)夾雜類缺陷造成泵漏。氣缸蓋的材質(zhì)為蠕墨鑄鐵,要獲得蠕蟲狀石墨,必須進(jìn)行蠕化處理,戚機(jī)廠采用包底沖入法進(jìn)行蠕化處理。由于蠕墨鑄鐵中含有鎂、鈣等元素,故易于與鐵液中的硫和裹入鐵液中的氧化合后形成渣。在澆注過程中,由于16V280氣缸蓋的內(nèi)腔結(jié)構(gòu)復(fù)雜,不利于鐵水中的雜質(zhì)上浮,較易形成夾雜類缺陷,增加泵漏的傾向。(2)砂型、砂芯的尺寸精度低或砂芯落在砂型中的位置不正確。通過對(duì)16V280氣缸蓋的解剖,發(fā)現(xiàn)鑄件內(nèi)腔的壁厚存在厚薄不均的現(xiàn)象(見圖2),特別是水腔與氣道之間的壁厚尺寸不穩(wěn)定,偏差大,局部壁厚達(dá)不到設(shè)計(jì)要求,最薄處僅1mm,增加了泵漏傾向。(3)鑄件中部壁厚相對(duì)較厚,溫度相對(duì)較高,較晚凝固,再加上壁厚不均,補(bǔ)縮不暢,易產(chǎn)生縮松。2采用技術(shù)措施2.1澆注系統(tǒng)設(shè)計(jì)由于氣缸蓋鑄件結(jié)構(gòu)復(fù)雜,且壁厚較薄,大部分壁厚僅為10mm,同時(shí)工作環(huán)境差,耐壓要求高,再加上蠕墨鑄鐵鐵水具有一定的氧化傾向,其縮松傾向又較片狀石墨鑄鐵大,故澆注系統(tǒng)必須同時(shí)具備以下條件:①充型平穩(wěn)、快速,以防止鐵水在澆注過程中氧化及造成鑄件局部冷隔;②一定的補(bǔ)縮能力,盡可能補(bǔ)充澆注及凝固初期的液態(tài)金屬收縮量,減少縮松缺陷,獲得較為致密的鑄件。針對(duì)上述分析,采用半封閉的階梯式澆注系統(tǒng)用于氣缸蓋鑄造,既能確?？焖俪湫?鐵水不易氧化形成夾雜;又能保證金屬液面上升平穩(wěn),并且鑄件上部分的溫度較高,有利于雜質(zhì)、氣體等上浮,排入冒口中,改善鑄件的液態(tài)補(bǔ)縮能力。澆注系統(tǒng)比例:ΣF直∶ΣF橫∶ΣF內(nèi)=1∶1.32∶0.89,其截面見表1所示。在澆注過程中,為提高鐵水純凈度,通過試驗(yàn)采用陶瓷過濾網(wǎng)裝置,防止鐵水中的渣通過澆注系統(tǒng)進(jìn)入鑄型,減小夾渣傾向。2.2氣缸蓋鑄型生產(chǎn)由于氣缸蓋各部位相關(guān)尺寸之間的精度要求較高,且形狀復(fù)雜,普通的粘土砂手工造型方法很難確保其尺寸精度,尤其是水腔與氣道之間的壁厚尺寸難以保證。氣缸蓋以前采用粘土砂造型生產(chǎn),模樣采用木模、塑料模,本身尺寸精度比較低,再加上起模時(shí)敲敲打打,鑄型尺寸難以保證,從而造成鑄件壁厚不均勻。在分析對(duì)比各種鑄型及其制作方法的優(yōu)缺點(diǎn)后,結(jié)合現(xiàn)有的實(shí)際條件,選擇了呋喃樹脂自硬砂組芯的工藝方法來生產(chǎn)氣缸蓋鑄型,其中上、下水腔及進(jìn)、排氣道砂芯,由于其結(jié)構(gòu)更為復(fù)雜,尺寸精度要求更高,所以采用熱芯盒射芯機(jī)來組織生產(chǎn),其砂芯緊實(shí)度較高,表面光滑,可提高內(nèi)腔表面質(zhì)量,確保氣缸蓋工作時(shí)的氣流、水流順暢,有利于柴油機(jī)功率的正常發(fā)揮。應(yīng)用新制金屬模樣和樹脂砂造型線制作外模,由于金屬模樣尺寸精度高,起模是在砂型具有一定硬度后進(jìn)行的,故鑄型尺寸穩(wěn)定性好,砂型的表面質(zhì)量良好,有利于獲得尺寸精度高且穩(wěn)定可靠的鑄件,確保壁厚尺寸。2.3研磨和爬行處理(1)碳使用量的影響由于氣缸蓋對(duì)致密性要求較高,而且蠕墨鑄鐵的成分要求與球墨鑄鐵相近,因此在生產(chǎn)中采用共晶附近的成分,以利于改善鑄造性能。碳是促進(jìn)石墨化的元素,有利于減少白口傾向,同時(shí),碳當(dāng)量高,則體積收縮小,凝固時(shí)體積膨脹大,利用鑄型的剛度能減少縮松,有利于改善鑄件的內(nèi)在質(zhì)量。但碳當(dāng)量太高,則易產(chǎn)生石墨漂浮,通過反復(fù)實(shí)踐,碳當(dāng)量控制在3.6%～3.9%時(shí)比較合適。含磷量過高在晶界會(huì)形成磷共晶體,它會(huì)降低鑄件的沖擊韌性,提高脆性轉(zhuǎn)變溫度,使鑄件易出現(xiàn)縮松和冷裂,因此,對(duì)含磷量必須嚴(yán)格控制,一般宜在0.08%以下。生產(chǎn)中最關(guān)鍵的是控制比較低的原鐵液含硫量,以保證能穩(wěn)定地獲得蠕墨鑄鐵。硫和所有的蠕化元素都有很大的親和力,原鐵液含硫量越高,所需的蠕化劑也越多,越容易形成硫化夾渣,產(chǎn)生夾渣類缺陷。另外控制好原鐵液中含硫量,可以提高蠕化率,而蠕化率的提高有利于改善收縮性能,減小縮松傾向。(2)羅馬法結(jié)論的應(yīng)用蠕化處理采用稀土鎂硅鐵合金和高硅鈦鐵的復(fù)合處理工藝,通過干擾元素鈦的作用,使鎂的蠕化范圍得到擴(kuò)大,有利于控制蠕化率,穩(wěn)定生產(chǎn)。蠕化處理的方法為包底沖入法,處理包凹坑內(nèi)合金的放置見圖3所示。凹坑內(nèi)的合金一定要舂緊、壓實(shí),以延緩反應(yīng)時(shí)間,保證吸收率,鐵液在中間包內(nèi)鎮(zhèn)靜,降溫至蠕化處理溫度1440～1460℃后,倒入處理包內(nèi)進(jìn)行蠕化處理,蠕化處理用的鐵液量占總鐵液量的50%～60%,待處理平穩(wěn)后,后補(bǔ)鐵水同時(shí)加入孕育劑進(jìn)行孕育處理?，F(xiàn)時(shí)生產(chǎn)中使用高硅鈦鐵代替原來的低硅鈦鐵,由于高硅鈦鐵是鈦硅鐵的多元合金,具有熔點(diǎn)低的特點(diǎn),其熔點(diǎn)為1250℃,大大低于低硅鈦鐵的熔點(diǎn),在鐵水中能很好地被熔化和吸收,減少夾雜物流入鑄型,使蠕化處理的穩(wěn)定性得到較大的提高。由于低硅鈦鐵熔點(diǎn)高,往往不容易熔化,而隨鐵液澆入鑄型,從而使鑄件產(chǎn)生夾雜類缺陷,引起鑄件泄漏。使用高硅鈦鐵后,使鑄件的泄漏大為降低,從而降低了鑄件的泵漏廢品率。2.4砂芯的組裝質(zhì)量及澆注溫度合箱(配模)在氣缸蓋鑄件的生產(chǎn)中也是1道關(guān)鍵的工序,有了優(yōu)質(zhì)的砂型、砂芯,如果合箱操作做得不好,同樣會(huì)對(duì)鑄件質(zhì)量產(chǎn)生影響。氣缸蓋鑄型是由20多個(gè)砂芯組裝形成的,所以每個(gè)砂芯的組裝質(zhì)量(相對(duì)位置)都將對(duì)整個(gè)鑄型的質(zhì)量起決定性的作用。為了確保每個(gè)砂芯在鑄型中的相對(duì)位置正確,設(shè)計(jì)了1套落芯卡板,配模時(shí)每個(gè)砂芯落入砂型時(shí)都使用卡板來定位,再固定,從而確保鑄型各部位的形狀及尺寸精度。澆注溫度是鑄造工藝中的1個(gè)重要參數(shù)。合適的澆注溫度是獲得優(yōu)質(zhì)鑄件的保證,澆注溫度偏低,流動(dòng)性差,則鐵水充型困難,且容易產(chǎn)生冷隔、氣孔等缺陷;澆注溫度過高,則增加液態(tài)收縮量,易造成縮松、縮孔類缺陷。經(jīng)過反復(fù)對(duì)比試驗(yàn)、篩選,將澆注溫度選在1360～1390℃比較合適。3尺寸精度的測(cè)試通過以上造型工藝及熔煉工藝的改進(jìn)和實(shí)施,氣缸蓋因壁厚尺寸不均勻、夾雜類缺陷以及縮松等原因造成的泵漏廢品率大大下降,鑄件的內(nèi)在質(zhì)量以及尺寸精度均能滿足設(shè)計(jì)要求,表2為近年來的統(tǒng)計(jì)結(jié)果。圖4為隨機(jī)抽取的樣品解剖圖片。實(shí)踐證明:生產(chǎn)此