氣缸蓋氣孔缺陷解決措施探討

崔遷義，王洪君

(濰柴動力股份有限公司,山東濰坊 261061)

某氣缸蓋毛坯根據生產需要由原生產單位調整到我公司進行生產,對該鑄件的鑄造工藝做了較大改變。在鑄件工藝切換的調試驗證階段，該氣缸蓋鑄件出現較為集中的氣孔缺陷。

1 工藝簡介

該氣缸蓋毛坯如圖1所示，體積較大,外形尺寸為518mm×396mm×292mm，內腔壁厚大,最薄壁厚也有8mm,缸蓋材質為灰鑄鐵。

圖1 氣缸蓋毛坯圖

該缸蓋采用自硬砂造型工藝，鑄件上下外輪廓均由自硬砂形成，內腔由砂芯組件形成。砂芯組裝前，對每個砂芯及上下型腔進行單獨的刷涂或浸涂之后表干，砂芯組裝完成后連同砂箱進行烘干。砂芯組件包括進氣道芯、排氣道芯、水夾層芯、挺桿芯、噴油器孔芯以及螺柱孔芯共6種砂芯，如圖2所示。

圖2 砂芯組件圖

在制芯工藝上，舊工藝的6種砂芯均為手工自硬砂制芯，新工藝6種砂芯全部為熱芯盒制芯；在造型工藝上，舊的造型工藝采用呋喃樹脂自硬砂造型，新的造型工藝采用堿性樹脂自硬砂造型；熔煉上采用電爐熔煉工藝，澆注溫度為1360～1365℃。

2 缺陷特征

在初次工藝驗證時，澆注后鑄件出現集中氣孔缺陷，鑄件氣孔缺陷率高達60%，氣孔位置主要集中在缸蓋頂面的大平面，如圖3所示。將缸蓋解剖之后,在大平面對應的位置下方出現皮下氣孔如圖4。

圖3 氣孔缺陷

圖4 皮下氣孔

3 原因分析

鑄型在液體金屬的熱作用下，會產生大量的氣體，其氣體來源有：（1）型腔和型砂孔隙中原有的空氣受熱膨脹，通常在鑄鐵澆注溫度下體積也要增加四五倍；（2）鑄型尤其是濕型存在較多的水分，在金屬液的熱作用下水分汽化和遷移，水由液態轉變成1300℃的過熱蒸汽時體積膨脹達7000多倍；（3）粘結劑、附加物和雜質中有機物質受熱、分解與燃燒，產生大量氣體；（4）無機物受熱分解等也會產生許多氣體；（5）金屬液與鑄型界面由于化學反應會產生氣體[1]。因此，減少砂型（芯）在澆注時的發氣量,同時氣體能及時從砂型（芯）中排出，是防止氣孔產生的主要措施。

經過對該氣缸蓋鑄造過程的追溯及與舊鑄造工藝不同點進行對比，結合澆注過程及鑄件氣孔缺陷特征，從排氣機構、澆注系統、原輔材料質量、參數設置等可能會造成氣孔缺陷的工藝參數進行分析，最終認為該缺陷主要原因是型腔和砂芯的氣體無法及時排除型外。審核生產工藝，發現存在以下問題。

3.1 砂芯對氣孔的影響

該氣缸蓋舊工藝的所有砂芯制芯均采用手工自硬砂制芯，所有砂芯都埋有芯骨，均有排氣通道。以氣道芯為例，砂芯內的氣體經過排氣通道由上型的出氣孔排出型腔，如圖5所示。水夾層芯由于結構復雜，在制芯時用退過火的鐵絲在芯骨模板上彎制成所需形狀的芯骨。在芯骨上纏繞導火線并引至出砂孔芯頭處，制芯時將芯骨埋入，制芯完成后，點燃導火線，使砂芯內形成空腔以便于砂芯排氣。

圖5 氣道芯排氣通道

新工藝的所有砂芯均采用耐高溫覆膜砂熱芯盒制芯工藝，而且砂芯內部沒有排氣的通道，尤其是水夾層芯非常厚大，且厚大部位與鑄件產生氣孔的位置相對應，如圖6為割開后的水夾層芯，砂芯厚大且無排氣通道。由于制芯工藝完全不同，因此，砂芯排氣不暢成為形成氣孔缺陷的主要原因之一。

圖6 熱芯砂芯厚大且無排氣通道

在首批生產樣件時，除了在進、排氣道以及挺桿芯的芯頭鉆排氣孔外，其余砂芯均無排氣通道。

3.2 內腔形狀對氣孔的影響

根據鑄件的外形特征發現，上型腔高點處的形狀是一個大平面。上型板出氣針的位置經計算，出氣針的截面積總和要小于內澆口的截面積總和，且大平面處的出氣針分布較少,型腔和型砂孔隙中原有的空氣受熱膨脹后無法及時排除型腔，就會堆積在水夾層芯與上型腔間的大平面處而形成氣孔。因此，型腔內氣體不易排出成為形成氣孔缺陷的主要原因之一。

3.3 涂料對氣孔的影響

該氣缸蓋舊工藝中所有砂芯浸涂福士科水基涂料，而新工藝則浸涂杜倫斯水基涂料。杜倫斯涂料較福士科涂料發氣量大，因此，涂料發氣量不同同樣是產生氣孔的可能原因之一。

3.4 砂芯及砂型烘干對氣孔的影響

在第一批樣件生產時，第一次烘干砂芯時只烘干氣道芯，第二次整體烘干時，升溫到200℃，保溫120min。砂芯浸完涂料之后需要進行烘干，確保砂芯以及涂料層中水分含量低，否則澆注時，水分蒸發產生大量的氣體，易形成氣孔；同時，烘干不能出現過燒現象，否則，鑄件將會出現粘砂、夾砂等缺陷。因此，砂型（芯）烘干參數的不合理設置同樣是鑄造缺陷產生的原因之一。

4 改進措施

4.1 制芯工藝的改進

制芯工藝做三處改進：（1）在水夾層芯大平面處鉆?12mm的孔并和氣道芯一同進行第一次烘干，烘干完成后水夾層芯鉆孔處塞石棉繩填砂刷涂料,之后再用天然氣點火烘干；（2）在水夾層芯的三個芯頭位置鉆?6mm的排氣孔，再塞上石棉繩；（3）增加在噴油器孔芯鉆排氣孔工藝。如圖7所示。

4.2 浸涂及烘干工藝的改進

修改浸涂以及烘干工藝，砂芯浸涂用涂料由杜倫斯水基涂料改用富士科水基涂料；第一次烘干砂芯時烘干氣道芯以及水夾層芯，第二次整體烘干時，烘干溫度由200℃提升到220℃，烘干時間由120min增加到200min。

4.3 造型工藝的改進

修改上型板，每個模樣在圖11箭頭所指的位置增加8個直徑為?12mm出氣針，圖8和圖9為上型板修改前后對比。

圖7 水夾層芯及噴油器孔芯鉆排氣孔

圖8 上型板模樣修改前

圖9 上型板模樣修改后

4.4 改進效果

（1）在對制芯工藝以及浸涂、烘干工藝完成改進后進行生產驗證，氣孔缺陷率從80%降低到20%，氣孔缺陷降低，但系統中仍然存在影響氣孔缺陷的因素。

（2）在對造型工藝完成改進后進行生產驗證，氣孔缺陷率為0，氣孔缺陷從根本上得到了解決。

5 結束語

（1）通過對該氣缸蓋制芯、造型及浸涂工藝的修改，之后進行樣件試生產驗證，最終徹底解決了氣孔缺陷。

（2）通過此次問題探討，得出以下結論：氣缸蓋的絕大數氣孔缺陷主要都是與砂芯和型腔的排氣有關，良好的砂芯及型腔的排氣對降低氣孔缺陷起著決定性作用。