一種船用柴油機氣缸蓋的鑄造工藝探討

張華棟 袁慶贊

摘 要：氣缸蓋是柴油機的關鍵部件之一，其結構形狀復雜、壁厚不均，內部存在進/排氣道、冷卻水腔等結構，截面變化大。此部件的結構特點造成了先期鑄造工藝制定難度大，鑄件不良率高的生產現狀。本文闡述的工藝方案，遵循順序凝固原則，采用頂注側澆方式澆注，于頂面熱節位置設置發熱冒口，底面燃燒室爆發面處設置冷鐵，形成自下而上的溫度梯度，此外配合以合適的用砂、涂料等原輔材料，最終經生產驗證，此產品成品率可達90%以上，可作為穩定工藝量產。

關鍵詞：氣缸蓋;鑄造工藝;制芯;脈紋控制;鑄件清理

1 鑄造工藝制定

此缸蓋鑄件的輪廓尺寸為645mm*383mm*267mm，進/排氣道與水腔間最小壁厚為10mm，燃燒室最大壁厚為68mm，材質為HT300。工藝制定的難點在于上下兩個厚大面的缺陷防治、進/排氣道及冷卻水腔腔光潔度保證、坭芯強度的控制等。以下將針對上述問題進行詳細探討。

1.1 澆注系統確定

因此缸蓋坭芯數量眾多，冷卻水腔坭芯壁厚小，遂采用頂注側澆方式，以最大程度降低鐵液對坭芯主體結構的沖刷，減少充型過程中的斷芯、抬芯風險。鑒于燃燒室性能要求較高，故將其置于缺陷發生幾率較低的底面澆注，并放置隨形冷鐵以確保型腔內鐵液凝固狀態。經測算，此缸蓋本體加澆、冒口系統總鐵液質量為200KG，且大平面朝上澆注，為避免充型過程中的卷氣、夾渣，澆注系統采用半封閉式澆口，并于內澆道頂端延伸一處集渣口，另外直澆道頂端鐵液進口處設置陶瓷濾網，此結構亦有穩定鐵液流動狀態的效用，對于控制充型過程有積極影響。

1.2 制芯方案

1.2.1 冷卻水腔坭芯

冷卻水腔芯結構復雜，分上下兩部分，芯頭支撐數量少且尺寸小，同時其結構為兩側大中間小，中間部分極易發生形變斷裂。另外，冷卻水腔結構較封閉，鑄件出品后內部清理工作將漫長而繁瑣，且腔內的脈紋和夾砂的發生傾向較大。寶珠覆膜砂具有相變傾向小、成型后強度高、退讓性好等特點。參考冷卻水腔的無脈紋、無夾砂，流道通暢等技術要求，選用寶珠覆膜砂為此結構的坭芯用砂，以射芯機制芯。此外，為保證此結構排氣通暢，于坭芯配合面中心位置設置的5*10mm隨形氣道，隨坭芯一體成型，最終由側面較大芯頭處集中引出。根據此結構特點，設計芯盒溫度為210±10℃，保溫時間120s，吹芯氣壓0.3MPa。此制芯方案經生產驗證，坭芯質量要求已達到預期效果。

1.2.2 進/排氣道及其他坭芯

此缸蓋配置進氣道，排氣道各一個，結構相對簡單，易清理，同時遵循原材料的經濟性和易獲得原則，故選用本公司常規使用的派普樹脂自硬方案制作。原砂選用目數為50-100的擦洗烘干平潭海砂，并在使用前進行高溫烘焙，旨在消除易燒損雜質以及最大程度消除其相變傾向，以配合鑄件粗糙度要求，另外內部埋入隨形芯骨，芯骨周圍纏繞纖維通氣管并于芯頭處引出，即強化坭芯強度，亦保證排氣通暢。坭芯制出后入窯，烘烤工藝為210±10℃*（保溫3h）以達到終強度。先期試制結果表明，以此方案配合以適當的涂料方案，鑄件出品后，僅需施行常規拋丸、打磨工序就可達到相應的表面質量要求。

1.3 涂料方案

此部件進/排氣道及冷卻水腔表面粗糙度要求為不低于Ra6.3，雖然冷卻水腔難以清理部位局部允許Ra50，但也須遵循表面無殘砂、脈紋和高于2mm的、披縫的原則。結合其結構復雜，壁厚差大的特點，普通的醇/水基石墨涂料無法在保證鑄件粗糙度的同時兼顧防脈紋。因此涂料方案采用了兼具浸涂性能優秀、涂層強度高、附著力強等特點的RHEOTECH XL型高性能水基防脈紋涂料，涂料工藝為手工浸涂，浸涂后以200±10℃*30min進行烘干，待冷卻后配型轉序。此涂料方案經我司的多次生產驗證表明，其性能特征可以使出品鑄件達到預期的工藝要求。另外此涂料對于芯體和鐵液有著良好的隔離效果，鑄件出品后經過簡單振動敲擊，內腔涂料層和砂即可剝離脫落，極大地降低了后期清理工作的勞動強度。

1.4 配料、熔煉、澆注方案

1.4.1 配料方案

此缸蓋牌號為HT300，單鑄試塊性能要求為Rm（MPa）≥300、硬度210-260HB，根據我司工藝情況及產品技術要求，熔煉原料組分配置如下：生鐵-15%;廢鋼-37%;回爐料-45%;石墨增碳劑-1%;孕育劑-0.8%;錳鐵-0.62%;銅-0.5%;硫化亞鐵-0.08%

1.4.2 熔煉、澆注

熔煉設備為500KG中頻感應電爐，熔煉效率和質量都趨于穩定，遂采用我司常規熔煉工藝，參數為：

熔煉溫度—1530℃;出鐵—1440℃;澆注溫度—1380～1390℃。設計澆注時間為30±5s。為確保孕育效果，熔煉初期加入0.08%的硫化亞鐵進行增硫處理，出鐵時加入0.8%的72%孕育硅鐵隨鐵液一并沖入澆包內。澆注完成后轉置，空冷2.5h后打箱。

1.4 清理方案

此缸蓋的清理工序分兩階段討論，冷卻水腔外的其他目視可見表面質量為常規要求，通過普通振動、打磨、拋丸工序已可達到標準，除進/排氣道，偶發性出現輕微脈紋，對不良處進行針對性打磨處理即可消除，其他方面在此不做贅述。冷卻水腔于坭芯制作和涂料方案選定時已考慮使用寶珠砂及高性能專用涂料，以消除脈紋傾向。經解剖，腔體內未見脈紋跡象，但于部分轉角結構處發現少量浮砂附著于腔體表面，由于可供清理操作的鑄出孔十分狹小且都為直孔，通過外部伸入工裝的方式清理存在多處死角。經試驗，現用密封工裝分對水腔結構密封，內部注滿溫熱肥皂水，水浴30min，完成后排出，并以其中一處孔為進水口，逐一打開其他孔，用脈沖水流沖洗，結束后及時吹干。此方案處理后的冷卻水腔經解剖觀察，已實現清潔無殘砂，符合技術條件中對于冷卻水腔表面質量的要求。

2 結果分析

經過多次工藝優化和生產試驗，此缸蓋的成品率目前已達90%以上，經跟蹤發現，不良品鑄件的瑕疵主要集中在以下兩個方面：（1）頂部大平面氣孔（2）冷卻水腔與進/排氣道間形成的部分壁厚不均勻

針對氣孔，后續生產中已于頂部平面發生概率較大處進行了排氣優化，并利用補砂坭芯外置出氣口定位，既保證氣體順利排出，又保證該處坭芯及鑄件壁厚精度，影響產品質量的嚴重氣孔已得到有效控制。此外，壁厚問題的原因鎖定在：配箱時，由于進/排氣道坭芯和冷卻水腔坭芯結構分離，無法實現相對壁厚定量后的聯動調整，導致一旦發生坭芯變形，配箱時壁厚調整難免顧此失彼。為從根源防止坭芯變形的情況發生，后續為進/排氣道坭芯定制了專用托板，在坭芯形成終強度后再取出流轉，此類問題的到顯著改善。

柴油機氣缸蓋結構復雜，尺寸精度要求高，材料性能和成分指標皆要求苛刻，我司在此缸蓋的鑄造工藝制定中，首次運用了寶珠覆膜砂結合高溫防脈紋涂料來防治脈紋的工藝手段，經生產驗證，取得了了良好的實驗效果。配合后期定制化的內腔清理工序，最終獲得的毛坯可以符合相應的鑄件表面質量和缺陷控制標準。此套工藝體系實驗的成功，為今后同類型產品的生產開發，提供了可靠的實踐依據，是一次里程碑式的突破。