柴油机缸体铸件的铸造工艺及凝固过程的数值模拟

柴油机缸体铸件的铸造工艺及凝固过程的数值模拟

船体是发动机的重要组成部件之一。恶劣的条件下，它长期承受着摩擦、高温和高压等交变压力和疲劳。良好的力学性能、金相组织和致密性对壳体有重要影响。它的性能更是保证柴油机正常工作的前提，对铸件质量要求很高。鉴于上述原因，笔者公司开展了大功率柴油机缸体铸件的试制。1铸造结构和技术要求1.1高炉灰铸铁熔体铸件结构特点柴油机缸体为16缸缸体，外形尺寸3915mm×1029mm×1162mm，最小壁厚12.5mm，最大壁厚120mm，铸件质量约7278kg，整个铸件外形尺寸大，壁厚相差悬殊，内外结构复杂（如图1所示），为典型的高强度灰铸铁缸体铸件。1.2附铸试块的性能金相组织要求为A型石墨，珠光体体积分数达95%以上，石墨片大小≥4级，且4级以上的石墨片占比≥90%，允许有少量2级或3级，晶间碳化物体积分数≤2%，以上性能通过检测附铸试块确定，附铸试块尺寸150mm×150mm×450mm。本体厚大断面壁厚120mm处和附铸试块的抗拉强度均要求≥258MPa。缸体使用镶铸管形成油管结构，长3915mm，内径90mm，油管弯曲变形量控制在3.2mm以内。2雕塑工艺设计2.1浇注系统设计采用呋喃树脂砂造型，原砂采用粒度为40/70目的天然石英砂，w(SiO采用金属模型，型板造型，保证尺寸精度的要求。铸件采用砂箱尺寸为5200mm×2200mm×800/1000/400mm。采用底脚板朝上的中间注入式浇注系统，横浇道设置在分型面上，每档砂芯设置内浇道，并在内浇道处布置尺寸为150mm×150mm×30mm的过滤网，且内浇道进入型腔部位呈喇叭状，如图2所示。同时，采用组芯方式，将不同大小、形状的砂芯组合成主体型芯再下入型腔，避免单独砂芯过多，导致在配箱过程中出现磕碰现象。由于铸件壁厚不均匀，在壁厚比较厚的位置铺放外置冷铁，降低该位置的局部热量，从而降低该位置的模数，改变铸件凝固顺序，消除局部热节，进而防止该位置的缩孔、缩松缺陷，并在合箱后对型腔吹热风，避免水分给铸件带来气孔缺陷。2.2铸造模拟网格划分利用Procast数值模拟软件对设计完成的工艺方案进行模拟，结合缸体结构及各部位不同壁厚，对模拟部件分别进行网格长度赋值，为保证模拟精度，网格赋值要保证模拟部位实现最少3层网格划分，模型网格划分如图3所示2.3增碳和覆盖物的添加采用10t中频感应电炉熔炼铁液，熔化速度6.33t/h，酸性炉衬。炉料配比为80%废钢+20%回炉料，炉内采用普通增碳剂进行增碳，包内冲入0.5%的硅锰锆孕育剂，浇注时将0.2%的硫氧瞬时孕育剂均匀撒入浇口杯。铁液的熔炼温度1500～1520℃，孕育完成到浇注完成的时间控制在15min之内，浇注温度控制在1360～1380℃。3生产试验3.1主体结构表征铸件浇注后，对附铸试样进行理化检测，金相组织和力学性能检验结果合格，其中，附铸试块的抗拉强度314MPa，石墨形态为100%A型石墨，4级以上的A型石墨≥95%，铁素体体积分数<2%，碳化物体积分数<1%（如图7所示）；对本体厚大断面壁厚120mm处每档取样，抗拉强度平均值为295MPa；本体硬度检测，气缸顶部硬度222HB，油底壳装配面处229HB，缸体窗口处221HB，主轴承处217HB。材料性能均符合技术文件要求。3.2实际铸件质量检测铸件清理后，表面较光滑，无粘砂、夹渣、气孔、砂孔等缺陷。对铸件进行了3D扫描检测、外观检测及RT检测，都满足图纸及质量要求。为了进一步检测铸件质量，对缸体进行解剖；解剖后，对解剖表面再次进行渗透检测，未发现解剖面存在夹渣、气孔、砂孔、缩松等缺陷，如图8所示。4砂芯设计要求(1）选择底脚板朝上的中间注入式浇注系统利于铁液补缩，同时底脚板为全加工面，通过加大加工量的方法，可防止顶面夹渣、夹砂缺陷。(2）采用将部分小的、复杂的砂芯组装成整体，减少配箱过程中下芯数量，降低操作人员的技能要求，铸型定位简单、精准，生产的铸件壁厚尺寸均匀、同心度高。(3）设计合理的冷铁位置及尺寸，可以有效消除铸件内部的缩孔、缩松缺陷，提高铸件本体的力学性能。(4）运用