16v280气缸盖铸造缺陷的分析

16v280气缸盖铸造缺陷的分析

铸造工艺设计难点16v280气泵盖的漏水，尤其是车辆运行中的漏水，一直是中国南车集团齐庄沟车辆厂（以下简称齐机厂）生产车辆的主要品质问题。它不仅造成经济损失，而且影响了齐机厂的产品质量。气缸盖是柴油机上的重要零件,结构复杂,技术要求高,铸造工艺性能相对较差,但对铸件尺寸、内在组织致密性、内腔清洁度要求很高,因而给铸造工艺设计带来了很大难度。在生产过程中,气缸盖因铸造缺陷泵漏的质量问题一直困扰着该产品的生产,因泵漏造成的废品损失非常大,经过广大工艺师的不断探索和改进,到目前为止,气缸盖的质量已相当稳定。1v280气缸盖相气缸盖的毛坯外形见图1所示。气缸盖的材质为蠕墨铸铁,它具有良好的铸造性能,其流动性优于球墨铸铁,适宜于浇注结构复杂的铸件,具有良好的致密性和耐热疲劳性能,因此适合于制造大功率内燃机的气缸盖等耐热件。造成气缸盖泵漏的主要原因有夹杂、缩孔、缩松以及壁厚不均匀等,通过解剖和数据统计,认为主要有以下几个方面:(1)夹杂类缺陷造成泵漏。气缸盖的材质为蠕墨铸铁,要获得蠕虫状石墨,必须进行蠕化处理,戚机厂采用包底冲入法进行蠕化处理。由于蠕墨铸铁中含有镁、钙等元素,故易于与铁液中的硫和裹入铁液中的氧化合后形成渣。在浇注过程中,由于16V280气缸盖的内腔结构复杂,不利于铁水中的杂质上浮,较易形成夹杂类缺陷,增加泵漏的倾向。(2)砂型、砂芯的尺寸精度低或砂芯落在砂型中的位置不正确。通过对16V280气缸盖的解剖,发现铸件内腔的壁厚存在厚薄不均的现象(见图2),特别是水腔与气道之间的壁厚尺寸不稳定,偏差大,局部壁厚达不到设计要求,最薄处仅1mm,增加了泵漏倾向。(3)铸件中部壁厚相对较厚,温度相对较高,较晚凝固,再加上壁厚不均,补缩不畅,易产生缩松。2采用技术措施2.1浇注系统设计由于气缸盖铸件结构复杂,且壁厚较薄,大部分壁厚仅为10mm,同时工作环境差,耐压要求高,再加上蠕墨铸铁铁水具有一定的氧化倾向,其缩松倾向又较片状石墨铸铁大,故浇注系统必须同时具备以下条件:①充型平稳、快速,以防止铁水在浇注过程中氧化及造成铸件局部冷隔;②一定的补缩能力,尽可能补充浇注及凝固初期的液态金属收缩量,减少缩松缺陷,获得较为致密的铸件。针对上述分析,采用半封闭的阶梯式浇注系统用于气缸盖铸造,既能确保快速充型,铁水不易氧化形成夹杂;又能保证金属液面上升平稳,并且铸件上部分的温度较高,有利于杂质、气体等上浮,排入冒口中,改善铸件的液态补缩能力。浇注系统比例:ΣF直∶ΣF横∶ΣF内=1∶1.32∶0.89,其截面见表1所示。在浇注过程中,为提高铁水纯净度,通过试验采用陶瓷过滤网装置,防止铁水中的渣通过浇注系统进入铸型,减小夹渣倾向。2.2气缸盖铸型生产由于气缸盖各部位相关尺寸之间的精度要求较高,且形状复杂,普通的粘土砂手工造型方法很难确保其尺寸精度,尤其是水腔与气道之间的壁厚尺寸难以保证。气缸盖以前采用粘土砂造型生产,模样采用木模、塑料模,本身尺寸精度比较低,再加上起模时敲敲打打,铸型尺寸难以保证,从而造成铸件壁厚不均匀。在分析对比各种铸型及其制作方法的优缺点后,结合现有的实际条件,选择了呋喃树脂自硬砂组芯的工艺方法来生产气缸盖铸型,其中上、下水腔及进、排气道砂芯,由于其结构更为复杂,尺寸精度要求更高,所以采用热芯盒射芯机来组织生产,其砂芯紧实度较高,表面光滑,可提高内腔表面质量,确保气缸盖工作时的气流、水流顺畅,有利于柴油机功率的正常发挥。应用新制金属模样和树脂砂造型线制作外模,由于金属模样尺寸精度高,起模是在砂型具有一定硬度后进行的,故铸型尺寸稳定性好,砂型的表面质量良好,有利于获得尺寸精度高且稳定可靠的铸件,确保壁厚尺寸。2.3研磨和爬行处理(1)碳使用量的影响由于气缸盖对致密性要求较高,而且蠕墨铸铁的成分要求与球墨铸铁相近,因此在生产中采用共晶附近的成分,以利于改善铸造性能。碳是促进石墨化的元素,有利于减少白口倾向,同时,碳当量高,则体积收缩小,凝固时体积膨胀大,利用铸型的刚度能减少缩松,有利于改善铸件的内在质量。但碳当量太高,则易产生石墨漂浮,通过反复实践,碳当量控制在3.6%～3.9%时比较合适。含磷量过高在晶界会形成磷共晶体,它会降低铸件的冲击韧性,提高脆性转变温度,使铸件易出现缩松和冷裂,因此,对含磷量必须严格控制,一般宜在0.08%以下。生产中最关键的是控制比较低的原铁液含硫量,以保证能稳定地获得蠕墨铸铁。硫和所有的蠕化元素都有很大的亲和力,原铁液含硫量越高,所需的蠕化剂也越多,越容易形成硫化夹渣,产生夹渣类缺陷。另外控制好原铁液中含硫量,可以提高蠕化率,而蠕化率的提高有利于改善收缩性能,减小缩松倾向。(2)罗马法结论的应用蠕化处理采用稀土镁硅铁合金和高硅钛铁的复合处理工艺,通过干扰元素钛的作用,使镁的蠕化范围得到扩大,有利于控制蠕化率,稳定生产。蠕化处理的方法为包底冲入法,处理包凹坑内合金的放置见图3所示。凹坑内的合金一定要舂紧、压实,以延缓反应时间,保证吸收率,铁液在中间包内镇静,降温至蠕化处理温度1440～1460℃后,倒入处理包内进行蠕化处理,蠕化处理用的铁液量占总铁液量的50%～60%,待处理平稳后,后补铁水同时加入孕育剂进行孕育处理。现时生产中使用高硅钛铁代替原来的低硅钛铁,由于高硅钛铁是钛硅铁的多元合金,具有熔点低的特点,其熔点为1250℃,大大低于低硅钛铁的熔点,在铁水中能很好地被熔化和吸收,减少夹杂物流入铸型,使蠕化处理的稳定性得到较大的提高。由于低硅钛铁熔点高,往往不容易熔化,而随铁液浇入铸型,从而使铸件产生夹杂类缺陷,引起铸件泄漏。使用高硅钛铁后,使铸件的泄漏大为降低,从而降低了铸件的泵漏废品率。2.4砂芯的组装质量及浇注温度合箱(配模)在气缸盖铸件的生产中也是1道关键的工序,有了优质的砂型、砂芯,如果合箱操作做得不好,同样会对铸件质量产生影响。气缸盖铸型是由20多个砂芯组装形成的,所以每个砂芯的组装质量(相对位置)都将对整个铸型的质量起决定性的作用。为了确保每个砂芯在铸型中的相对位置正确,设计了1套落芯卡板,配模时每个砂芯落入砂型时都使用卡板来定位,再固定,从而确保铸型各部位的形状及尺寸精度。浇注温度是铸造工艺中的1个重要参数。合适的浇注温度是获得优质铸件的保证,浇注温度偏低,流动性差,则铁水充型困难,且容易产生冷隔、气孔等缺陷;浇注温度过高,则增加液态收缩量,易造成缩松、缩孔类缺陷。经过反复对比试验、筛选,将浇注温度选在1360～1390℃比较合适。3尺寸精度的测试通过以上造型工艺及熔炼工艺的改进和实施,气缸盖因壁厚尺寸不均匀、夹杂类缺陷以及缩松等原因造成的泵漏废品率大大下降,铸件的内在质量以及尺寸精度均能满足设计要求,表2为近年来的统计结果。图4为随机抽取的样品解剖图片。实践证明:生产此