发动机缸体(汽缸盖)常见缺陷与对策

1、中小型乘用车发动机缸体（汽缸盖）常见缺陷与对策浅析概述（铸件脉纹形成机理及其防治）改革开放后近十年来，我国的汽车制造工业得到了飞速发展，许多高端汽车品牌，几乎与发达国家同步推出面世，与之相适应的汽车发运机制造业也得到了迅猛发展，其中发动机铸造的水平也得到了极大的提高，无论铸造产量还是铸件技术要求及铸件质量，都有基本上满足了现代汽车发动机日益提高的要求。以中小型乘用发动机主要铸件汽缸体（汽缸盖）生产为例，众多汽车发动机铸造企业都有采用了粘土砂高压造型（少数为自硬树脂砂造型），制芯则普遍采用覆膜砂热芯或冷芯工艺，而在熔炼方面大都采用双联熔炼或电炉熔炼，所生产的发动机均为高强度薄壁铁件。许多厂家为满

2、足高强度薄壁铸铁件的工艺要求，纷纷引进先进的工艺技术装备，如高效混砂机，高压造型线，高度自动化的制芯中心，强力抛丸设备，大多采用整体浸涂，烘干，并且自动下芯。在过程质量控制方面，许多企业实现了在线检测与控制，如配备了型砂性能在线检测，热分析法铁水质量检测与判断装置，真空直读光谱议快速检测。清洁度检查的工业内窥镜等。相当一部分企业还在产品开发方面应用了计算机模式拟技术。可以毫不夸张地说，就硬件配件而言，我国发动机铸造水平丝毫不亚于当今世界上工业发达国家，一句话，具备了现代铸造生产条件。（为叙述方便，以下称上述框架内容的生产条件为现代生产条件。） 然而应该承认，在发动机铸造企业的经济效益

3、与产品质量以及铸件所能达到的技术要求方面，我们与世界发达国家还有较大的差距。提高生产质量，减少废品损失，是缩小与发达国家差距，发挥引进设备效能，提高企业效益的重要途径。本文试图就我国铸造企业在现代铸造条件下，中小型乘用车发动机灰铸铁汽缸体（汽缸盖）铸件生产中常见的铸造缺陷与对策，与广大业界同仁作一交流。1气孔 气孔通常是汽缸体铸件最常见缺陷，往往占铸件废品的首位。如何防止气孔，是铸造工作者一个永久的课题。汽缸体的气孔多见于上型 面的水套区域对应的外表面（含缸盖面周边），例如出气针底部（这时冒起的气针较短）或凸起的筋条部。以及缸筒加工后的内表面。严重时由于型 芯的发气量大而又未能充分排

4、气，使上型面产生呛火现象，导致大面积孔洞与无规律的砂眼。在现代生产条件下，反应性气孔与析出性气孔较为少见，较为多见的是侵入性气孔。现对侵入性气孔分析出如下：1.1原因 1.1.1 型腔排气不充分,排气系统总载面积偏小。 1.1.2浇注温度较低。 1.1.3浇注速度太慢;,铁液充型不平稳,有气体卷入。1.1.4型砂水份偏高;砂型内灰分含量高,砂型透气性差 。 1.1.5对于干式气缸套结构的发动机,水套砂芯工艺不当(如未设置排气系统或排气系统不完善；或因密封不严，使浇注时铁水钻入排气通道而堵死排气道；砂芯砂粒偏细，透气不良；上涂料后未充分干燥；砂芯砂与涂料发

5、气量太大，或发气速度不当，涂料的屏蔽性差).经验证明,干式缸套的缸体的气孔缺陷,很大程度上与水套工艺因素相关连。1.1.6孕育剂未经干燥且粒度不当;铁液未充分除渣,浇注时未挡渣,由此引起渣气孔。 1.1.7浇注时未及时引火 1.2对策1.2.1模型上较高部位设置数量足够,截面恰当的出气针或排气片;而芯头部位设置排气空腔.上述排气系统均应将气体引至型外。通常排气截面为应内浇道总截面积1.51.8倍左右。1.2.2浇注系统按半开放半封闭原则设置为宜,且须具有一定的拦渣功能,这样铁液充型时比较平稳,不会充击铸型或产生飞测或卷入气体.而浇注系统的截面大小以810kg/S的浇注速度来

6、计算较为适宜。1.2.3铁液的熔炼温度应不低于1500°C,而手工浇注时末箱的浇注温度应控制在1400°C左右(视铸件大小与壁厚可适当调整).最好能采用自动工浇注,浇注温度误差应在20°C以内。 1.2.4一个好的适于高压造型的砂处理系统,型砂水分应在控制在2.8-3.2%,其实的紧实率应在3642之间，而湿压强度应达180220kpa(均指在造型机处取样检测).为达这些指标,需监控型砂的灰份,辅助材料的添加量,合适的原砂粒度,循环砂的温度及混砂效率。 1.2.5注意做好铁液去渣,浇注时挡渣引火以及孕育剂的干燥等工作。 1.2.6对于

7、干式气缸套结构的发动机缸体,至关重要的是要有非常完善到位的水套砂芯工艺：a 、水套坭芯用砂的平均细度较之其他砂芯要粗一些，以求有良好的透气性。b、设置充分的互相连通的排气孔网并使之能排出型外，这些孔网尽可能在制芯时生成，亦可在成型后钻加工形成 。对于前者要定期监控检查孔网是否畅通（当心部芯砂固化不良时易将孔网堵塞）。c、对砂芯砂性能要综合考虑，不能片面追求强度。当强度太高时，势必要增大树脂用量，从面使芯砂发气量太高；而当水套芯的结构比较复杂纤薄砂厚不均匀，且以能开出排气孔网时，就要求砂芯有较高的强度，即使发气量大些也无防。 d、当水套芯有排气孔网时，涂料要有较好的屏蔽性；当水套芯截面

8、不便设置排气孔网时，涂料要有较好的透气性，这时砂的粒度也应更粗些。e、当水套芯布有排气孔网时，且使用屏蔽性涂料时，在浸涂时要防止涂料液进入排气孔网，更要注意封火措施（可使用封火垫片材料），以免浇注时铁水进入排气孔网，把排气道堵死；f、涂料的发气量要低，且施涂后一定要充分干燥。 一个成熟的水套芯工艺，可以将缸筒加工后内表面的气孔废品率控制在0.3%，甚至更低。2.砂眼 砂眼也是气缸体（气缸盖）铸件的常见缺陷，多见于铸件的上型 面，也有在缸筒的内表面经加工后暴露出来的。2.1 原因 2.1.1浇注系统设计不合理。2.1.2型砂系列化统管理不善，型砂性能欠佳。2.1.3

9、型腔不洁净。2.1.4砂芯表面状况不良或是施涂与干燥不当。2.2 对策2.2.1就浇注系统设置方面来说，为避免或减少砂眼缺陷，应注意以下事项；a、要有合理的浇注速度。截面太小，则浇注速度太慢，铁液上升速度太慢，上型受铁液高温烘烤时间长，容易使型砂爆裂，严重时会造成片状脱落。浇注系统的比例，应使铁液能平稳注入，不得形成紊流或喷射。b、尽量使铁液流经的整个通道在砂芯内生成，通常坭芯砂（热法覆膜砂或冷芯砂）较之外模粘土砂更耐高温铁液冲刷。而直浇道难以避免设置在外模的粘土砂砂型中通过，这时可在直浇口与横浇口搭接处设置过滤器（最好是泡沫陶瓷质），可以将铁液在直浇道内可能冲刷下来散砂和铁液夹渣加以过滤，从

10、而可减少砂眼和渣眼。c、浇道是变截面的，因此变截面处应尽可能圆滑光洁，避免形成易被铁液冲垮的尖角砂。d、浇道的截面比例宜采用半封闭半开放型式，以降低铁液进入型腔时的流速与冲击，而内浇道位置应尽可能避免直接冲击型壁和型芯，且呈扩张形为好。2.2.2为防止铸件的砂眼缺陷，型砂方面的主要措施是a、是控制型砂中的微粉含量，型砂在反复使用中，微粉含量会越来越高，这会降低型砂的湿压强度，水份及紧实率则会提高，使型砂发脆。b、浇注时砂芯溃散后混入旧砂，未燃尽的残留树脂膜，会使型砂的韧性变差，产生砂眼的可能性也增大。为此需要改善型砂的表面稳定性，降低脆性，提高韧性，方法是应在型砂中增加适当的a-淀粉，均可取得

11、良好的效果，也可以在型腔表面施表面安定剂（喷洒）。2.2.3 在造型、翻箱，特别是下芯、合箱等各环节容易将砂粒掉入型腔，而又未能清理干净，极易造成铸件砂眼缺陷。为此，一是要选取恰当的芯头间隙和斜度并保证下芯和合箱的工装精度，以免破坏砂型或损坏型芯而将砂粒散落在型腔内；二是合箱前清理干净型内可能掉入的砂粒（抽吸法好于吹出法）。2.2.4 不能忽视的是，砂芯的飞边毛刺要清理干净，上涂烘干后待用的砂芯表面的砂粒灰尘也要吹净，否则容易被铁水冲刷并富集在铸件某处形成砂眼。同时，需要强调的是，砂芯上涂不能太厚，优其是当工艺要求个别砂芯的个别部位或全部两次浸渗涂料时，涂料不能太厚，且须等第一次上涂料干燥到一

12、定程度后才能上涂第二次，否则浇注时过厚的涂料会爆裂而形成夹砂（渣）。3 脉纹（飞翅）通常在铸件的内表面或热节部位，如缸体缸盖的水套腔内，或是进排气道内，由于浇注时高温铁液的作用，使砂芯硅砂发生相变膨胀引起砂芯表面产生裂缝，液体金属渗入其中，从而导致铸件形成飞翅状凸起的缺陷，即"脉纹"。脉纹一旦出现，难以清理，当水套腔内有脉纹时，轻者会影响内腔的清洁度，重者会影响冷却水的流量，从而降低对发动机的冷却效果，甚会引起“烧缸”，“拉缸”严重后果；当气道内出现脉纹时，会影响气道涡流特性，最终影响发动机的整机工作性能。生产实残证明，冷芯工艺产生脉纹的倾向要稍大于壳芯产生脉纹的倾向。3.

13、1 原因3.1.1 如上所述，产生脉纹的根本原因是高温铁液作用于砂芯引起硅砂的膨胀裂纹。3.1.2 砂芯材料不具备低膨胀的性能，或者其自身不能吸收这种受热产生的膨胀。3.1.3 砂芯的韧性或高温强度不足以克服膨胀应力导致产生裂纹。3.1.4 所用材料不能低御砂芯在高温下产生膨胀裂纹。3.1.5 铁液未能在砂芯产生裂纹前凝固结壳，从而预防脉纹产生。3.2 对策 针对3.1所列产生脉纹的原因（或者说脉纹形成的机理）。显然应采取以下措施；3.2.1 在保证能得到健全铸件而不产生气孔等缺陷的铁液充型温度下，尽可能采取较低的浇注温度以减轻砂芯受热膨胀的程度；同时采用较快的浇注速度，以避免砂芯长

14、时间受到高温烘烤可能产生的膨胀裂纹。3.2.2 用于易产生脉纹砂芯(如水套芯，进排气道芯)的芯砂原砂预先进行消除相变膨胀处理，或者在砂芯材料中添加一些辅助材料，降低砂芯材料的热膨胀率；再就是原砂的颗粒组成以三筛或四筛级配,以求砂芯材料能自身吸收膨胀变型。3.2.3 必要时，在砂芯材料中使用一定比例的非石英系列砂(如橄槛石砂，锆英砂等)，第一它们的膨胀率极小，第二其导热性能好，使铁液结壳时间早于砂芯相变膨胀开裂时间。3.2.4 提高砂芯材料的韧性和高温强度。3.2.5 使用强度、韧性优良，且导热性能极好的烧结型涂料，以增强砂芯表面抗膨胀裂纹的能力。以上这些措施使用于冷芯砂，也使用于热法覆模砂(壳

15、型砂)。由此看出，预防或减少脉纹缺陷的主要措施是改善砂芯膨胀性能。4 清洁度现代发动机对清洁度的要求非常苛刻，对气缸体(气缸盖)铸件而言，水腔、油腔、挺杆室等到部位允许残留的砂粒和异物，仅限为数克(g)以内，许多企业尽管采取了二次抛丸、强力抛丸，甚至引进了先进的抛丸设备，如鼠笼或机械手抛丸，要完全达到内腔清洁度要求，仍然较为困难，无论是壳芯或是冷芯，情形均一样。 4.1 原因 清洁度达不到要求，从根本上来说是由于铸件结构方面的原因，上述各腔在抛丸时，因为出砂孔眼少而小，铁丸所能投射进去的量有限，所以内腔的光洁度与清洁程度均不及铸件的外表面，也不及曲轴箱和缸筒面等部位。在不能

16、改变铸件结构的情况下，只能查找影响清洁度其他方面的原因。4.1.1 砂芯表面状况不良，如充填不紧实；砂芯表面粗糙；粘膜等。4.1.2 施涂不当，如涂料性能差，玻美度不合适，涂层厚度不够等。4.1.3 现有强力抛丸装置对铸件大部分内外表层都能清理得很干净，但对狭窄复杂的水腔、油腔仍显不足。4.2 对策 4.2.1 改善和提高砂芯表面的质量状况，如选用流动性好的制芯材料(安息角<29°)；合理设置排气塞并加以维护使其畅通；施用品质好的脱模剂防止粘膜等，这些措施的目的是得到表面紧实致密的砂芯。4.2.2 通常都要对坭芯施以涂料层。涂料玻美度要合适；涂料要有较强的渗透

17、性；涂料要有一定的厚度(一般要达0.2mm)，涂层干燥后不能显见砂粒为宜；选用的涂料防粘砂性能优良，在浇注温度下能在铸件表面形成一低熔点的烧结层，而且在铸件冷却过程中因收缩率的不同能自动剥离下来。4.2.3 如3.0所述，要努力避免防止脉纹缺陷的产生。一旦出现脉纹，铸件的内腔清洁度情况就更加恶化。有关措施参见3.2。4.2.4 对铸件内腔清理，国内外的主流工艺方法是采用强力机械抛丸的方式，其形式有鼠笼抛丸，机械手夹持抛丸等。对这类抛丸设备，要维护达到额外电流值，要调整最佳抛射角度，对后一种抛丸方式，还可对难以清理的内腔将程序设置在最佳入射角度时适当延长抛射时间。此外还有以下几种改善和提高内腔清

18、洁度的手段：a、电液压清理，其原因是将待清理铸件置于水池中，在高能量放电过程中，所产生的高压冲击波将粘附在铸件上的砂粒振击脱落，理论上说水能浸入的孔腔内，其粘砂均能清理干净，但这种方法占地面积大，耗能高,流程长(尚要倒空内腔积水并烘干水迹)、维护量大，也有一定的安全问题。b、先将铸件置于炉内焙烧，再进行抛丸。这种方式提高铸件清洁度的效果还是很明显的，但同样是能耗较高、周期长，如以煤炭作加热炉燃料，则作业环境较差。c、有的厂家除采用强力抛丸以外，还针对水道腔或油道腔进行喷丸清理。这种方式对提高内腔清洁度最有效，所能达到的清洁度水平最高，但目前仅有此类通用单机产品，尚需人工握持喷丸头伸进密封的工作

19、室对准有关砂孔喷射，劳动强度大，环境恶劣，期待着专用的自动喷丸设备在气缸体(气缸盖)清理生产线上应用。5 渗漏渗漏是指气缸体（汽缸盖）在压力试验（水压/气压）时的渗漏现象，多发生在汽缸体（或汽缸盖）的水套腔或是油道腔。引起渗漏的原因有夹杂和疏松两大类（机械损伤或铸件裂纹引起的曲轴箱渗漏的情况极少，在此不加论述）。5.1 夹杂引起的渗漏 5.1.1 原因 (1) 砂芯在修芯时未清除飞边、毛刺，或砂芯上有松散粘附的大小不一的砂粒、砂团未清除干净，致使浇注时被铁液冲刷下来并飘浮富集在水套壁或油道壁，形成夹砂(砂眼)。使腔壁贯通渗漏。(2) 组合好的砂芯被粉尘砂粒污染或型腔内不慎掉

20、入散砂，没有清理干净，也会形成砂眼使腔壁贯通而渗漏。(3) 铁液不纯净，而浇道内又无过滤措施或拦渣效果差，使铁液中的夹渣进入型腔，使水腔或油腔的腔壁形成贯通性的渣孔而渗漏。5.1.2 对策 (1) 认真清除砂芯的飞边毛刺，并清除坭芯上附着的砂粒砂团，避免在水腔/油腔壁上可能形成的砂眼。(2) 吹净砂粒与粉尘污染的组合好的砂芯组，清理掉入型腔的砂粒。(3) 直浇道设置高效的过滤器，横浇道应有良好的拦渣功能，并做好铁液净化工作(造渣，除渣)，以防腔壁上产生渣眼。5.2 缩松引起的渗漏这种渗漏常发生在水腔（油腔）或喷油嘴等热节部位。5.2.1 原因（1）铁液成分不恰当。Si/C过高，石墨片

21、粗大，组织疏松。（2）孕育过量，致使共晶团数量过多，微晶间隙难以补缩致密。5.2.2 对策 （1）在规定的碳当量保持不变的前提下，限制Si/C在0.50.6之间。（2）不得孕育过量，较有效的措施是采用SISr(含锶)孕育剂，其石墨化能力级强,用量仅FeSi孕育剂的50%,即可充分孕育消除截面敏感性,以可避免产生过多数量的共晶团。（3）在易产生缩松的热节部位,局部刷除碲粉醇基涂料，增加该部位的冷却能力,防止产生缩松.有报道称，含pb量达0.0008%，即可造成缩松渗漏,须注意使用的炉料中有否镀pb材料，或须先行除去镀层.此外影响缩松渗漏的微量元素还有Ti，AL等，它们都会增加铁液的收缩

22、倾向，严格控制。6材质性能方面的缺陷纵观国内外发动机技术发展趋势，都在追求减薄铸件壁厚，从而减轻铸件乃至整机重量，达到降低油耗的目的，目前发动机单位功率的缸体缸盖重量达到1.8gk/kw左右,相应的铸件主要壁厚仅3.5mm左右，这就对铸件的材质性能提出了很高的要求。概括起来说，主要为：a，干型单铸试棒的抗拉强度qb250Mpa，指定本体部位的抗拉强度Qb250Mpa；b，铸件指定部位的硬度在180HB以上；铸件厚薄断面的硬度差在30HB以下；c，件本体的主要部位珠光体含量在90%以上，石墨型态应在大部分为A型，充充表面有少量B，D型，石墨最大长度液压在250um以下。尽管我国大多数专业发动机铸

23、 件生产厂家，通过技术改造和技术引进，达到了现代生产条件，但也常出现达不到上述材质要求方面的缺陷。6.1原因6.1.1铁液熔炼温度偏低,过冷度小，使得后续的孕育强化效果差。6.1.2炉料(金属炉料与非金属炉料)质量差,微量元素及非金属夹杂物含量高。6.1.3合金化措施不当或（或合金元素选择不当，或合金加入量不当，或合金化方法不当)。6.1.4孕育措施不当(孕育剂成分，孕育剂形态,孕育量,孕育方法等)。6.1.5在保温炉内处置不当(如频繁且大幅度调整化学成分，使铁液在炉内保温时间过长，元素变化大)，成份控制精度差。6.2对策6.2.1提高熔炼温度提高铁液的稳定性，增加其过冷倾向，消除原材料的&q

24、uot;遗传性）；并保证出铁温度大于1480°C，以确初始浇注温度达到1450°C，而终了浇注温度达1400°C。6.2.2加强冲天炉控制，使之炉况稳定，从而保证进入保温电炉的铁液成分稳定(减少成分烧损的波动)这样可减少电炉内成分调整所需的时间，以免增加铁液的收缩倾向和白口倾向。6.2.3保温电炉内不得已需要增C操作时，一定要选择吸收率高的增碳剂，二要保证有充分电磁搅拌和充分吸收的时间，否则所取铁水样不能反应整个熔体真实含C量，导致实际碳当量发生偏差。6.2.4减少碳当量的波动,提高成分控制精度，要求CE0.05%,Si0.1%。6.2.5对于形状复杂,薄壁高强度

25、的缸体，缸盖类铸件的铁液，即要有高强度，也要有良好的铸造性能，为此通常其成分设计为高强当量（3.9-4.1%），使其具有良好的铸造性能，而为了达到较高力学性能则采用低合金化措施。a根据我国资源情况以及多数企业的经验与习惯，多采用Cr,Cu等合金元素.有利于增加并细化和稳定珠光体，改善石墨状态，从而得到较高的力学性能。b合金的加入量必须加以控制。Cr是一种促进形成并稳定珠光体的元素，且能细化珠光体，因而能显著提高灰铸铁的强度，然而Cr与C又有较强的亲和力，是一种强碳化物元素，这就会增加铁液的白口倾向；同时Cr元素还会降低铸铁的共晶凝固温度，使铁液的凝固温度范围扩大,因此加大了灰铸铁的缩松，缩孔倾

26、向，降低铸件的致密性，这就可能影响Cr对灰铁的强化作用。当Cr是在0.2-0.3%范围时，则能避害趣利。同样，CU也是促进稳定和细化珠光体的元素，Cu又是促进石墨化的元素，这就可以抵消Cr增大白口倾向的不利影响。CU的适宜加入量为0.4-0.5%。由此，推荐Cr与Cu组合使用，会取得更好的效果，即保证了良好的铸造性能，又提高了铸件的力学性能。这里需要指出的是由于Cr,CU元素的作用,增加珠光体并稳定和细化珠光体成片间距很小的层片状组织,改善石墨状态(呈A型),分布于大小,因此缸体,缸盖在热交变应力作用下抵抗热疲劳产生裂 纹的能力也得到提出高(即具有好的热稳定性)3 6.2.6采用恰当

27、的孕育处理，可以提高缸体，缸盖铸件的材质强度，特别是提出高其硬度和显微组织的均匀性，改善厚薄截面的敏感性，使得硬度差在30HB以内，并具有良好的切削加工性，这里恰当的孕育处理包括：a选用合适的孕育剂，在众多孕育剂中，含Ba.Ca.Sr(锶)等元素的孕育剂，不仅有很好的抗孕育衰退作用；且具有强烈的石墨化作用，可显著改善铸件截面敏感性，避免铸件在最小壁厚处的白口倾向，且显微组织也更加均匀。b合适的孕育方法。在包内孕育，喂丝孕育，型内孕育，随流孕育等方法中，以随流孕育为简便，最适宜于大批量流水生产，效果也最好。推荐粒度为0.5-1.0mm，加入量为0.1-0.2%。c 需要指出的是，BaSi孕育剂会

28、使铸件硬度偏低，可加入微量Sn(0.04-0.06%)或Sb(锑)(0.02%)，可称补硬度偏低的不足。6.2.7严格控制炉料，标准是(1)微量元素低；(2)洁净；(3)严禁混入合金元素。7收缩汽缸体(汽缸盖)铸件结构复杂，壁厚差别较大。园弧曲面凸起的厚大部位，大批量水生产时，工艺上又不便采取冒口补缩之类的措施，当其它工艺处置不当时，这些厚大热节处往往会产生集中收缩，严重时会产生较深的缩裂缺陷。7.1原因 7.1.1上述部位的根部，时有造型充填不紧实，该部位铸型硬度/钢度不足的情形。当铁液凝固石墨化膨胀时，发生型壁位移。7.1.2浇注温度偏高7.1.3铸液收缩倾向较大 7.

29、2对策 7.2.1提高型砂的流动性，控制合适的型砂紧实率，对气冲造型或气流预紧实的造型方法，模型相应部位增加排气塞，采取这些措施后，可提高缺陷发生部位的铸型硬度刚度，使高碳当量铁液凝固时不会因为石墨化膨胀产生型壁位移，从而能实现无冒口自补缩。7.2.2在满足充型要求，不得产生气孔等缺陷的情况下，切勿盲目提高浇注温度，（浇注温度太高，还会引起跑火漏箱和粒砂等到缺陷）。7.2.3保证铁液有良好的铸造成性能，尤其要防止铁液的白口倾向收缩倾向。a)要精确控制碳当量（3.9-4.1%），低于下限时，则铁液的收缩倾向加大，在前述部位出现缩孔缺陷的可能性就越大。b)对高碳当量铁液低合金化处理时，要控制可能由此引起收缩增大的倾向，一些增大灰铁白口倾向，收缩倾向的合金元素，要严格用量。如前述Cr，会降低共晶温度扩大凝固温度区间，其用量不得超过0.035%等。c)电炉内采用增碳剂调整碳当量(碳量)时，一定要有充分吸收增c的时间，否则会出现增碳假象。这样的铁水浇注的产品。往往会出现收缩。d)要控