聯體缸蓋典型鑄造缺陷的解決方法

（濰柴動力股份有限公司，山東濰坊 261061）

聯體缸蓋典型鑄造缺陷的解決方法

王勇，臧加倫，秦鵬

（濰柴動力股份有限公司，山東濰坊 261061）

以六缸聯體缸蓋為例，對氣缸蓋氣孔缺陷及內腔質量問題進行了分析，詳細介紹了缺陷的解決措施，認為設計合理的砂芯、型腔排氣通道，適當控制芯組二次烘干水分及適當提高澆注溫度是有效預防氣孔缺陷的主要因素。

聯體缸蓋；氣孔；內腔質量

0 引言

氣缸蓋是柴油機的關鍵部件之一，要求有很高的氣密性與整體強度，內腔為砂芯形成，質量要求也較高。相比于單體缸蓋，聯體缸蓋鑄件容易發生整體變形，其復雜的內腔結構特點使鑄造過程中容易出現氣孔、燒結等問題，增加了鑄造工藝開發和實施的難度。本文將以我公司開發生產的六缸聯體缸蓋為例，提出了聯體缸蓋典型鑄造缺陷的解決措施。

1 聯體缸蓋工藝簡介

我公司有5～9 L多款柴油機，本文以典型的9 L機聯體缸蓋為例簡要介紹其鑄造工藝。9 L機聯體缸蓋的毛坯如圖1所示。采用平組立澆工藝生產，每箱2件。

芯組采用整體組芯工藝，底盤芯和上蓋芯為冷芯，上、下水套芯、進、排氣道芯為覆膜砂熱芯。將6顆下水套芯、6顆排氣道芯、1顆進氣道芯及1顆上水套芯依次通過水玻璃粘結劑和熱熔膠組裝到底盤芯上，形成底盤芯組，整體浸涂、烘干。上蓋芯單獨浸涂和烘干后與底盤芯組組合成單個鑄件芯組，如圖2所示。兩件單體芯組通過4根螺絲桿緊固，形成整體芯組。

圖1 9 L機聯體缸蓋

采用先封閉后開放式澆注系統，排氣道端朝上，頂部設置多處冒口和出氣針，各進、排氣道芯頭鉆孔并與外圍砂型的排氣孔連通，如圖3所示。

圖2 聯體缸蓋平組立澆芯組

圖3 聯體缸蓋立澆工藝示意圖

2 聯體缸蓋典型鑄造缺陷的解決

聯體缸蓋常出現的鑄造缺陷是氣孔及內腔燒結、脈紋等缺陷。缸蓋內腔的燒結和內腔清潔度差，會導致發動機水夾層的冷卻效果降低，從而降低發動機的可靠性。基于多年的對聯體缸蓋工藝開發的經驗，本文介紹了上述典型鑄造缺陷出現的原因及解決措施。

2.1 氣孔缺陷

聯體缸蓋氣孔缺陷多發生在缸蓋排氣道側，如圖4所示。氣孔缺陷產生的原因較多，主要是來自型腔和砂芯的氣體無法及時排出型外。采取的主要措施如下。

1）設計砂芯排氣孔，加強砂芯排氣，保證出氣通道暢通。進、排氣道砂芯及水套芯為實心砂芯，且砂芯體積較大，通過在砂芯芯頭處鉆排氣孔，使得澆注過程中產生的大量氣體能通過排氣孔排出。為防止砂芯浸涂涂料時涂料進入砂芯芯頭處的排氣孔，浸涂前采用泡沫或橡皮泥封住排氣孔防止涂料進入排氣孔，待砂芯烘干后捅開，如圖5所示。

圖4 聯體缸蓋氣孔缺陷

圖5 聯體缸蓋夾層、氣道排氣通道

2）底盤芯和上蓋芯制芯時預留砂芯排氣通道，便于澆注時芯組內產生的氣體能及時排出，如圖6、7所示。

圖6 聯體缸蓋底盤芯排氣通道

圖7 聯體缸蓋上蓋芯排氣通道

3）合理設計水套芯及進、排氣道芯與底盤芯之間的間隙：若間隙過大，澆注時鐵液易通過間隙進入砂芯排氣孔堵死砂芯排氣通道；若間隙較小，組芯時易出現部分砂芯斷裂問題。必要時采用耐火石棉墊圈密封砂芯之間的間隙，可以阻止鐵液進入砂芯排氣通道，有效保證了氣體的排出，如圖8所示。

圖8 聯體缸蓋石棉墊圈密封示意圖

4）合理設計外模與芯組之間的間隙，并在上模樣上設置壓砂環，防止澆注過程中溢出的鐵液鉆入出氣通道，使得型腔內的氣體無法排出，如圖9所示。

圖9 聯體缸蓋外模壓砂環示意圖

5）適當控制砂芯烘干溫度與時間，使得砂芯二次烘干水分控制在0.6%以下。

6）適當提高澆注溫度。將澆注溫度由1 390～1 410 ℃提高到1 400 ℃到1 420 ℃，能夠有效地降低鑄件產生氣孔缺陷的傾向，同時能保證不會因澆注溫度提高而增加鑄件出現粘砂、斷芯等鑄造缺陷。

2.2 燒結缺陷

聯體缸蓋內腔較為復雜，特別是上下水腔，砂芯壁厚不均勻，易出現內腔燒結缺陷，如圖10所示。通過分析，認為主要是由于制芯工藝不合理導致砂芯局部分層固化或是制備水腔砂芯使用的覆膜砂耐高溫性能差，澆注時砂芯受熱膨脹開裂，產生局部燒結缺陷。針對上述缺陷采取的措施如下。

圖10 聯體缸蓋內腔燒結缺陷

2.2.1 制芯工藝改進

根據內腔燒結情況解剖砂芯，發現部分燒結部位砂芯分層固化嚴重，部分固化層厚度小于3 mm，如圖11所示。通過改變制芯工藝，在砂芯分層固化部位增加砂芯過砂棒，如圖12所示，頂部對應部位增加射嘴，使得分層固化層厚度大于6mm，消除了缸蓋此處的燒結缺陷。

圖11 砂芯分層固化

圖12 砂芯增加過砂棒

2.2.2 高強度覆膜砂

對于其他燒結部位，未發現砂芯出現分層固化缺陷，主要是通過更換砂芯的原材料及浸涂砂芯的涂料來解決的。

新的制芯材料采用的是某公司生產的加入了一定量寶珠砂的覆膜砂，粒度為50/100。寶珠砂主要成份為氧化鋁，耐火度大于1 790 ℃，熱膨脹率低于0.15%，抗金屬液潤濕能力強，透氣性好，易潰散，具有較好的抗高溫開裂性能。

通過使用高強度覆膜砂，鑄件內腔質量得到了較大的提升，內腔燒結缺陷明顯減少。

2.2.3 涂料

對于砂芯壁厚較薄的部位，通過局部預刷鋯英粉涂料，再整體浸涂某公司的3501涂料后內腔燒結缺陷基本消除，如圖13所示。

2.3 內腔脈紋

在鑄造生產中，通常在鑄件的內表面或高溫熱節處會出現毛刺狀的凸起，被稱為脈紋缺陷[1]。圖14為聯體缸蓋氣道內易出現的脈紋缺陷。這種缺陷的存在，不僅影響了鑄件的表面粗糙度，增加了鑄件的清理工作量，重要的是影響了氣缸蓋的氣道性能，最終影響了發動機的工作性能。

圖13 聯體缸蓋內腔質量

圖14 缸蓋內腔脈紋

對于脈紋的形成機理，一般認為是由于砂芯表層的石英砂產生了α-β的相變，引起體積膨脹；樹脂粘結劑燃燒和分解產生氣體，由于粘結劑的燃燒分解而降低鑄型強度；砂芯表面產生許多細小網狀縫隙并使砂芯表層的涂料隨之產生裂縫，鐵液在未凝固之前砂芯表面就形成縫隙，鐵液也隨之滲入砂芯裂縫，形成脈紋[2]。因此，只要使砂芯在高溫狀態下保持較高的強度及韌性，保證其表層受到熱相變應力作用時通過其本身的變形而緩解開裂傾向，產生裂紋的傾向就要小的多。

2.3.1 將原砂再生或使用焙燒砂

原砂膨脹是脈紋產生的根本原因，因此降低原砂膨脹是解決脈紋缺陷首先考慮的因素，原砂在高溫下存在晶相轉變，同時伴隨體積的膨脹，如果石英砂經過900℃以上高溫焙燒冷卻后晶相轉變將不可逆，所以原砂再生或焙燒使用會顯著改善脈紋缺陷。

2.3.2 使用防脈紋涂料

在液態金屬沖蝕砂芯時，防脈紋涂料在砂芯表面形成燒結層，能緩沖或抵消硅砂熱膨脹產生應力，而涂料中高導熱性組分，能有助于金屬液的快速凝固，因此可起到較好的防脈紋作用。

2.3.3 采用覆膜砂熱芯制芯替代三乙胺冷芯制芯

與冷芯制芯相比，覆膜砂熱芯的高溫強度較高，高溫下砂芯通過自身的變形緩解了熱相變應力帶來的開裂傾向，可從根本上消除缸蓋存在的脈紋缺陷。

3 結論

1）設計合理的砂芯、型腔排氣通道，適當控制芯組二次烘干水分及適當提高澆注溫度是有效預防氣孔缺陷的主要因素。

2）高強度覆膜砂制芯工藝及優質的涂料提高了砂芯的抗高溫膨脹和燒結能力，具有良好的潰散性，基本消除鑄件存在的燒結缺陷。

3）原砂再生、使用防脈紋涂料及覆膜砂熱芯工藝，緩解了砂芯表層的開裂傾向，基本消除鑄件存在的脈紋缺陷。

[1] 胡彭生．型砂（第2版）[M]．上海：科學技術出版社，1994.

[2] 王文清，李魁盛. 鑄造工藝學[M]．北京：機械工業出版社，2002.

[3] 王超,尚嘉麗,齊亞平.聯體缸蓋氣孔缺陷的防止[J].中國鑄造裝備與技術,2012(6).

[4] 程俊偉,焦耀峰 .砂芯對缸蓋組織的影響[J].中國鑄造裝備與技術,2012(6).

Prevention of common casting defect of conjoint cylinder head

WANG Yong, ZANG JiaLun, QIN Peng
（Weichai Power Co., Ltd., Weifang 261061, Shandong, China）

With conjoint cylinder head as a example, the problem of gas hole and internal cavity defect are analyzed, and the resolve measures are described.

conjoint cylinder head; gas hole; internal quality

TG245；

A；

1 006-9658（2016）04-0063-04

10.3969/j.issn.1 006-9 658.2016.04.01 6

2016-01-12

稿件編號: 1601-1206

王勇（1983—），男，工程師，主要從事鑄造工藝開發工作.