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1、中小型乘用车发动机缸体（汽缸盖）常见缺陷与对策浅析概述（铸件脉纹形成机理及其防治）改革开放后近十年来，我国的汽车制造工业得到了飞速发展，许多高端汽车品牌，几乎与发达国家同步推出面世，与之相适应的汽车发运机制造业也得到了迅猛发展，其中发动机铸造的水平也得到了极大的提高，无论铸造产量还是铸件技术要求及铸件质量，都有基本上满足了现代汽车发动机日益提高的要求。以中小型乘用发动机主要铸件汽缸体（汽缸盖）生产为例，众多汽车发动机铸造企业都有采用了粘土砂高压造型（少数为自硬树脂砂造型） ，制芯则普遍采用覆膜砂热芯或冷芯工艺，而在熔炼方面大都采用双联熔炼或电炉熔炼，所生产的发动机均为高强度薄壁铁件。许多厂家为
2、满足高强度薄壁铸铁件的工艺要求，纷纷引进先进的工艺技术装备，如高效混砂机，高压造型线，高度自动化的制芯中心，强力抛丸设备，大多采用整体浸涂，烘干，并且自动下芯。在过程质量控制方面，许多企业实现了在线检测与控制，如配备了型砂性能在线检测，热分析法铁水质量检测与判断装置，真空直读光谱议快速检测。清洁度检查的工业内窥镜等。相当一部分企业还在产品开发方面应用了计算机模式拟技术。可以毫不夸张地说，就硬件配件而言，我国发动机铸造水平丝毫不亚于当今世界上工业发达国家，一句话，具备了现代铸造生产条件。 （为叙述方便，以下称上述框架内容的生产条件为现代生产条件。 ） 然而应该承认，在发动机铸造企业的经济效益与产
3、品质量以及铸件所能达到的技术要求方面，我们与世界发达国家还有较大的差距。提高生产质量，减少废品损失，是缩小与发达国家差距，发挥引进设备效能，提高企业效益的重要途径。本文试图就我国铸造企业在现代铸造条件下，中小型乘用车发动机灰铸铁汽缸体（汽缸盖）铸件生产中常见的铸造缺陷与对策，与广大业界同仁作一交流。1 气孔 气孔通常是汽缸体铸件最常见缺陷，往往占铸件废品的首位。如何防止气孔，是铸造工作者一个永久的课题。汽缸体的气孔多见于上型 面的水套区域对应的外表面（含缸盖面周边） ，例如出气针底部（这时冒起的气针较短）或凸起的筋条部。以及缸筒加工后的内表面。严重时由于型 芯的发气量大而又未能充分排气，使上型
4、面产生呛火现象，导致大面积孔洞与无规律的砂眼。在现代生产条件下，反应性气孔与析出性气孔较为少见，较为多见的是侵入性气孔。现对侵入性气孔分析出如下：1.1 原因 1.1.1 型腔排气不充分,排气系统总载面积偏小。 1.1.2 浇注温度较低。 1.1.3 浇注速度太慢;,铁液充型不平稳,有气体卷入。1.1.4 型砂水份偏高;砂型内灰分含量高,砂型透气性差 。 1.1.5 对于干式气缸套结构的发动机,水套砂芯工艺不当(如未设置排气系统或排气系统不完善；或因密封不严，使浇注时铁水钻入排气通道而堵死排气道；砂芯砂粒偏细，透气不良；上涂料后未充分干燥；砂芯砂与涂料发气量太大，或发气速度不当，涂料的屏蔽性差
5、).经验证明,干式缸套的缸体的气孔缺陷,很大程度上与水套工艺因素相关连。1.1.6 孕育剂未经干燥且粒度不当;铁液未充分除渣 ,浇注时未挡渣,由此引起渣气孔。 1.1.7 浇注时未及时引火 1.2 对策1.2.1 模型上较高部位设置数量足够,截面恰当的出气针或排气片;而芯头部位设置排气空腔.上述排气系统均应将气体引至型外。通常排气截面为应内浇道总截面积 1.51.8 倍左右。1.2.2 浇注系统按半开放半封闭原则设置为宜,且须具有一定的拦渣功能,这样铁液充型时比较平稳,不会充击铸型或产生飞测或卷入气体.而浇注系统的截面大小以 810kg/S 的浇注速度来计算较为适宜。1.2.3 铁液的熔炼温度
6、应不低于 1500C,而手工浇注时末箱的浇注温度应控制在 1400C 左右(视铸件大小与壁厚可适当调整).最好能采用自动工浇注,浇注温度误差应在 20C 以内。 1.2.4 一个好的适于高压造型的砂处理系统,型砂水分应在控制在 2.8-3.2%,其实的紧实率应在3642 之间，而湿压强度应达 180220kpa( 均指在造型机处取样检测 ).为达这些指标,需监控型砂的灰份,辅助材料的添加量,合适的原砂粒度,循环砂的温度及混砂效率。 1.2.5 注意做好铁液去渣,浇注时挡渣引火以及孕育剂的干燥等工作。 1.2.6 对于干式气缸套结构的发动机缸体,至关重要的是要有非常完善到位的水套砂芯工艺：a 、
7、水套坭芯用砂的平均细度较之其他砂芯要粗一些，以求有良好的透气性。b、设置充分的互相连通的排气孔网并使之能排出型外，这些孔网尽可能在制芯时生成，亦可在成型后钻加工形成 。对于前者要定期监控检查孔网是否畅通（当心部芯砂固化不良时易将孔网堵塞） 。c、对砂芯砂性能要综合考虑，不能片面追求强度。当强度太高时，势必要增大树脂用量，从面使芯砂发气量太高；而当水套芯的结构比较复杂纤薄砂厚不均匀，且以能开出排气孔网时，就要求砂芯有较高的强度，即使发气量大些也无防。 d、当水套芯有排气孔网时，涂料要有较好的屏蔽性；当水套芯截面不便设置排气孔网时，涂料要有较好的透气性，这时砂的粒度也应更粗些。e、当水套芯布有排气
8、孔网时，且使用屏蔽性涂料时，在浸涂时要防止涂料液进入排气孔网，更要注意封火措施（可使用封火垫片材料） ，以免浇注时铁水进入排气孔网，把排气道堵死；f、涂料的发气量要低，且施涂后一定要充分干燥。 一个成熟的水套芯工艺，可以将缸筒加工后内表面的气孔废品率控制在 0.3%，甚至更低。2.砂眼 砂眼也是气缸体（气缸盖）铸件的常见缺陷，多见于铸件的上型 面，也有在缸筒的内表面经加工后暴露出来的。2.1 原因 2.1.1 浇注系统设计不合理。2.1.2 型砂系列化统管理不善，型砂性能欠佳。2.1.3 型腔不洁净。2.1.4 砂芯表面状况不良或是施涂与干燥不当。2.2 对策2.2.1 就浇注系统设置方面来说
9、，为避免或减少砂眼缺陷，应注意以下事项；a、要有合理的浇注速度。截面太小，则浇注速度太慢，铁液上升速度太慢，上型受铁液高温烘烤时间长，容易使型砂爆裂，严重时会造成片状脱落。浇注系统的比例，应使铁液能平稳注入，不得形成紊流或喷射。b、尽量使铁液流经的整个通道在砂芯内生成，通常坭芯砂（热法覆膜砂或冷芯砂）较之外模粘土砂更耐高温铁液冲刷。而直浇道难以避免设置在外模的粘土砂砂型中通过，这时可在直浇口与横浇口搭接处设置过滤器（最好是泡沫陶瓷质） ，可以将铁液在直浇道内可能冲刷下来散砂和铁液夹渣加以过滤，从而可减少砂眼和渣眼。c、浇道是变截面的，因此变截面处应尽可能圆滑光洁，避免形成易被铁液冲垮的尖角砂。
10、d、浇道的截面比例宜采用半封闭半开放型式，以降低铁液进入型腔时的流速与冲击，而内浇道位置应尽可能避免直接冲击型壁和型芯，且呈扩张形为好。2.2.2 为防止铸件的砂眼缺陷，型砂方面的主要措施是a、是控制型砂中的微粉含量，型砂在反复使用中，微粉含量会越来越高，这会降低型砂的湿压强度，水份及紧实率则会提高，使型砂发脆。b、浇注时砂芯溃散后混入旧砂，未燃尽的残留树脂膜，会使型砂的韧性变差，产生砂眼的可能性也增大。为此需要改善型砂的表面稳定性，降低脆性，提高韧性，方法是应在型砂中增加适当的 a-淀粉，均可取得良好的效果，也可以在型腔表面施表面安定剂（喷洒） 。2.2.3 在造型、翻箱，特别是下芯、合箱等
11、各环节容易将砂粒掉入型腔，而又未能清理干净，极易造成铸件砂眼缺陷。为此，一是要选取恰当的芯头间隙和斜度并保证下芯和合箱的工装精度，以免破坏砂型或损坏型芯而将砂粒散落在型腔内；二是合箱前清理干净型内可能掉入的砂粒（抽吸法好于吹出法） 。2.2.4 不能忽视的是，砂芯的飞边毛刺要清理干净，上涂烘干后待用的砂芯表面的砂粒灰尘也要吹净，否则容易被铁水冲刷并富集在铸件某处形成砂眼。同时，需要强调的是，砂芯上涂不能太厚，优其是当工艺要求个别砂芯的个别部位或全部两次浸渗涂料时，涂料不能太厚，且须等第一次上涂料干燥到一定程度后才能上涂第二次，否则浇注时过厚的涂料会爆裂而形成夹砂（渣） 。3 脉纹（飞翅）通常在
12、铸件的内表面或热节部位，如缸体缸盖的水套腔内，或是进排气道内，由于浇注时高温铁液的作用，使砂芯硅砂发生相变膨胀引起砂芯表面产生裂缝，液体金属渗入其中，从而导致铸件形成飞翅状凸起的缺陷，即脉纹 。脉纹一旦出现，难以清理，当水套腔内有脉纹时，轻者会影响内腔的清洁度，重者会影响冷却水的流量，从而降低对发动机的冷却效果，甚会引起“烧缸” ， “拉缸”严重后果；当气道内出现脉纹时，会影响气道涡流特性，最终影响发动机的整机工作性能。生产实残证明，冷芯工艺产生脉纹的倾向要稍大于壳芯产生脉纹的倾向。3.1 原因3.1.1 如上所述，产生脉纹的根本原因是高温铁液作用于砂芯引起硅砂的膨胀裂纹。3.1.2 砂芯材料
13、不具备低膨胀的性能，或者其自身不能吸收这种受热产生的膨胀。3.1.3 砂芯的韧性或高温强度不足以克服膨胀应力导致产生裂纹。3.1.4 所用材料不能低御砂芯在高温下产生膨胀裂纹。3.1.5 铁液未能在砂芯产生裂纹前凝固结壳，从而预防脉纹产生。3.2 对策 针对 3.1 所列产生脉纹的原因（或者说脉纹形成的机理） 。显然应采取以下措施；3.2.1 在保证能得到健全铸件而不产生气孔等缺陷的铁液充型温度下，尽可能采取较低的浇注温度以减轻砂芯受热膨胀的程度；同时采用较快的浇注速度，以避免砂芯长时间受到高温烘烤可能产生的膨胀裂纹。3.2.2 用于易产生脉纹砂芯(如水套芯，进排气道芯)的芯砂原砂预先进行消除
14、相变膨胀处理，或者在砂芯材料中添加一些辅助材料，降低砂芯材料的热膨胀率；再就是原砂的颗粒组成以三筛或四筛级配,以求砂芯材料能自身吸收膨胀变型。3.2.3 必要时，在砂芯材料中使用一定比例的非石英系列砂(如橄槛石砂，锆英砂等)，第一它们的膨胀率极小，第二其导热性能好，使铁液结壳时间早于砂芯相变膨胀开裂时间。3.2.4 提高砂芯材料的韧性和高温强度。3.2.5 使用强度、韧性优良，且导热性能极好的烧结型涂料，以增强砂芯表面抗膨胀裂纹的能力。以上这些措施使用于冷芯砂，也使用于热法覆模砂(壳型砂)。由此看出，预防或减少脉纹缺陷的主要措施是改善砂芯膨胀性能。4 清洁度现代发动机对清洁度的要求非常苛刻，对
15、气缸体(气缸盖)铸件而言，水腔、油腔、挺杆室等到部位允许残留的砂粒和异物，仅限为数克(g)以内，许多企业尽管采取了二次抛丸、强力抛丸，甚至引进了先进的抛丸设备，如鼠笼或机械手抛丸，要完全达到内腔清洁度要求，仍然较为困难，无论是壳芯或是冷芯，情形均一样。 4.1 原因 清洁度达不到要求，从根本上来说是由于铸件结构方面的原因，上述各腔在抛丸时，因为出砂孔眼少而小，铁丸所能投射进去的量有限，所以内腔的光洁度与清洁程度均不及铸件的外表面，也不及曲轴箱和缸筒面等部位。在不能改变铸件结构的情况下，只能查找影响清洁度其他方面的原因。4.1.1 砂芯表面状况不良，如充填不紧实；砂芯表面粗糙；粘膜等。4.1.2
16、 施涂不当，如涂料性能差，玻美度不合适，涂层厚度不够等。4.1.3 现有强力抛丸装置对铸件大部分内外表层都能清理得很干净，但对狭窄复杂的水腔、油腔仍显不足。4.2 对策 4.2.1 改善和提高砂芯表面的质量状况，如选用流动性好的制芯材料(安息角29) ；合理设置排气塞并加以维护使其畅通；施用品质好的脱模剂防止粘膜等，这些措施的目的是得到表面紧实致密的砂芯。4.2.2 通常都要对坭芯施以涂料层。涂料玻美度要合适；涂料要有较强的渗透性；涂料要有一定的厚度(一般要达 0.2mm)，涂层干燥后不能显见砂粒为宜；选用的涂料防粘砂性能优良，在浇注温度下能在铸件表面形成一低熔点的烧结层，而且在铸件冷却过程中因收缩率的不同能自动剥离下来。4.2.3 如 3.0 所述，要努力避免防止脉纹缺陷的产生。一旦出现脉纹，铸件的内腔清洁度情况就更加恶化。有关措施参见 3.2。4.2.4 对铸件内腔清理，国内外的主流工艺方法是采用强力机械抛丸的方式，其形式有鼠笼抛丸，机械手夹持抛丸等。对这类抛丸设备，要维护达到额外电流值
