石墨復合內冷鐵的設計及應用

蔣 輝，徐玉龍，邵長元，譚傳寶，吳玉成

（濰柴重機股份有限公司，山東 濰坊 261108）

1 石墨冷鐵應用現狀與特性

石墨冷鐵因密度低、導熱系數及比熱容高、熔點高以及受熱膨脹小的特點，其應用有操作方便，激冷效果好且不容易出現白口等優勢，使得石墨冷鐵逐漸被廣泛應用和推廣[1]。但石墨冷鐵的制作成本較鑄鐵冷鐵高，且因易破損，回用率低，其使用成本也高，這兩個方面是制約石墨冷鐵廣泛應于的主要原因[2]。

由表1 可知，石墨雖然比熱容是鑄鐵的3～4倍，但密度僅是其1/4，即相同體積的石墨儲熱能力約是鑄鐵冷鐵的一半。綜合以上分析，石墨冷鐵與鑄鐵冷鐵各有特點，要根據具體使用條件選擇。

2 不同材質內冷鐵的特點

2.1 金屬內冷鐵

優點：金屬密度大，相同體積，儲熱能力強于石墨冷鐵，在復雜鑄件內部、空間有限位置激冷效果更好；

缺點：內冷鐵表面與鑄件本體熔合不可清理出來，一方面增加了后續加工工序，且金屬冷鐵與鑄件本體材料有差異，更難加工；另一方面加工金屬內冷鐵時存在冷鐵隨刀具旋轉而導致打刀的風險，還存在冷鐵末端被刀具壓到復雜型腔內部無法取出的風險。

2.2 石墨內冷鐵

優點：內冷鐵可以清理出來，不增加后續加工工序，不存在不好加工和打刀等風險；

缺點：石墨密度小，相同體積，雖然比熱容大，但整體儲熱能力弱于金屬冷鐵，在復雜鑄件內部、空間有限位置激冷效果較弱。

2.3 石墨復合內冷鐵

一部分使用石墨材料加工而成，該部分與金屬液直接接觸，另一部分使用金屬加工而成，兩個部分組合在一起使用，其優缺點如下：

優點：與金屬液接觸的石墨利用其優良的導熱性能，將熱量傳遞給金屬部分，金屬部分不與鑄件直接接觸，利用其密度大、質量重的特點儲熱，一方面鑄件清理時可以將石墨部分清理掉，內冷鐵不隨鑄件轉移到加工工序，另一方面利用金屬儲熱能力強的特點，保證內冷鐵整體激冷效果；

缺點：石墨復合冷鐵成本較高，清理時將金屬部分取出，可循環利用，可一定程度上減小使用成本。

3 石墨復合冷鐵應用實例

以生產中速機機體鑄件為例，鑄件輪廓尺寸：1 700 mm×1 000 mm×780 mm，材質：RuT400.毛坯重1 700 kg.鑄件集成有水腔、凸輪軸腔、油道等結構，內部筋板、凸臺交錯，結構復雜，存在結構交叉引起的孤立熱節（如圖1 所示），導致挺桿孔處產生縮松缺陷（如圖2 所示），且無法使用冒口補縮，只能使用內冷鐵消除。

圖1 機體熱節位置

圖2 挺桿孔加工后出現縮松

分別采用3 種冷鐵驗證生產效果。

3.1 金屬內冷鐵

金屬內冷鐵利用鋼材加工成型，如圖3a）所示，為防止后續加工打刀和掉落，設計防轉和防掉結構，表面鍍銅，防止生銹產生氣孔。

驗證結果：解剖及后續小批量驗證均無縮松產生，未出現打刀現象，但是多出一道鉆孔工序，且挺桿孔被內冷鐵堵住后，內腔極難清理干凈。

3.2 石墨內冷鐵

石墨內冷鐵由石墨塊加工成型，如圖3b）所示。

驗證結果：后續小批量驗證未發現縮松，但解剖發現熱節處仍存在零星縮松。石墨可以清理打掉，無需加工去除，挺桿腔清理方便。

3.3 石墨復合冷鐵

石墨復合冷鐵由石墨塊及鋼棒加工并組合在一起使用，如圖3c）所示。

圖3 冷鐵示意圖

驗證結果：解剖及后續小批量驗證均無縮松產生，石墨可以清理打掉，無需加工去除，挺桿腔清理方便。

3.4 三種內冷鐵成本對比分析

由表2 可知，鋼冷鐵材料費用較低，冷鐵上帶有防轉和防掉結構且表面鍍銅，故成本以加工費和表面處理費用為主；石墨冷鐵其原料本身較貴且為石墨方結構，加工時需先將石墨方鋸成小塊，再加工成需要的形狀，耗時較多，其成本主要是材料費和加工費；石墨復合冷鐵比石墨冷鐵多了金屬部分，但金屬部分材料費較低，沒有復雜形狀，加工費較低，沒有表面處理費用，故金屬部分費用較低，再考慮金屬部分可以反復使用，石墨復合冷鐵成本與石墨冷鐵相比相差不大，具有一定的應用前景，但與鍍銅鋼冷鐵相比成本仍相差近一半。由此可見，石墨復合冷鐵的使用成本仍是限制其推廣應用的重要因素。

表2 三種內冷鐵成本組成

4 結論

通過設計并驗證石墨復合冷鐵，可解決縮松問題，但使用成本仍是限制其推廣應用的重要因素，與傳統冷鐵相比具有以下優勢：

1）充分利用石墨導熱性高及鋼儲熱能力強的特點，可以解決復雜內部結構的縮松問題；

2）利用石墨易碎特性，作為內冷鐵可以清理掉，減少后續加工內冷鐵工序，和以此帶來的打刀風險；

3）復合內冷鐵的金屬部分，可以根據使用空間及儲熱需求進行靈活設計，給復雜結構且空間有限的鑄件解決縮松問題帶來新的思路。