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1、生产技术1998 年 5 月 25 日收到初稿 , 1998 年 7 月 23 日收到修改稿。缸体缸盖类铸件气孔缺陷的讨论中国第一汽车集团公司铸造厂 (长春 130011) 宋万平【提要】 以汽车发动机缸体和缸盖等铸件为例 , 论述了气孔缺陷的特点和分布。经过大量试验 ,并结合多年的实践经验 , 从工艺设计中的浇注系统、铸型排气、型砂温度、制芯材料、铁液浇注速度、铁液浇注温度、铁液气体含量等方面分析了铸件气孔缺陷的主要原因和防止措施。关键词 : 缸体 缸盖 气孔缺陷 型砂温度 浇注温度 浇注速度汽车用缸体 、缸盖等铸件 , 由于使用大量复杂砂芯 , 由型、芯等产生气体引起的气孔缺陷 , 在常见
2、铸件废品中往往占很大的比例。我厂生产的解放 CA141 汽车用 6102 缸体、缸盖铸件 , 在短时间内完成了产品设计和不停产换型工作。在产品工艺性和铸件工艺等方面都存在一些问题。造成转产后一段时间内铸件气孔缺陷较多 , 一度气孔缺陷超过 50 % , 废品率高达三分之一以上 , 影响了总厂装车。对此 , 我们组织了质量攻关 , 经过大量调查、试验和工艺改进 , 使缸体、缸盖等铸件气孔问题有明显好转。现结合本厂实际情况 , 探讨影响缸体、缸盖等铸件产生气孔的主要原因和防止措施。一、气孔缺陷的特点和分布缸体气孔都属于浸入性气孔 , 按产生部位主要分为水套盖板法兰气孔、缸筒气孔、缸顶面气孔和气门室
3、气孔 (图 1) 。图 1 缸体铸件缸体水套盖板法兰气孔主要产生在水套盖板法兰的根部 , 多数在皮下 , 只有打掉通气片后才能发现 ,严重时气孔直接暴露在铸件表面。气孔表面光亮、形状多数不规则 , 也有少部分气孔呈圆形孔洞。缸体缸筒气孔全部为皮下气孔 , 只有在加工后才能发现。气孔缺陷都出现在铸件浇注方向的上部和缸筒活塞运行方向的中部 , 多数分布在 1、 3、 6 缸 , 大部分气孔表面光亮 , 也有部分气孔无光泽 , 形状不规则 , 转产初期直径较大 , 大的直径可达 50mm , 平均直径 30mm , 后期孔洞直径逐步缩小。缸顶面气孔也为皮下气孔 , 孔洞尺寸较小 , 一般不超过3mm
4、 , 乌黑无光泽、似缩孔。气门室气孔多为表面气孔 , 类似浇不足和冷隔。二、主要影响因素和防止措施11 排气系统缸体铸件生产中 , 主要有五类砂芯 , 即气门室芯、水套芯、分电盘芯、缸筒芯和前后端面芯。实际生产一个缸体铸件需要 22 种 33 个砂芯。生产一个缸盖铸件也有水套、气道、挺杆等几个砂芯。这些砂芯是铸件中气体的主要来源。所以在浇注时必须让这些气体通过排气系统排至型外。迅速排除来自砂芯的气体 , 特别是来自水套砂芯的气体是最重要的因素。例如一个 4kg 的水套砂芯将放出大约 0106M3 的气体。如果排气不当 , 砂芯内将建立起气体压力。这种气体压力大于铁液施加给砂芯的静压力 , 当铁
5、液凝固时 ,将导致铸件中形成气孔缺陷。试验表明 , 在不影响清理和起模的情况下、增加通气孔、局部通气孔加大、增设假型和分型面处增加通气槽等 , 对加强排气和缓冲铸型浇注后瞬间产生的气体压力有明显效果 , 使铸件气孔废品显著下降。特别是在缸体顶面铸件上部位置无法直接加设明通气孔的情况下 , 采用通气孔配置通气过桥的办法 , 效果更62 铸造 1998110 1995-2004 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved.为明显。增加通气过桥后 , 原占缸体加工中气孔总废品 1/ 3 的缸顶面小气缩孔完全消除 , 缸筒内
6、和盖板法兰处气孔也随之减少。但加通气过桥后 , 出现落砂和清理时 , 铸件与过桥连接处缺肉的问题。对此 , 我们又采用缸筒砂芯芯头部位增加月牙凸台 , 解决铸件缺肉问题。解决了铸件清理时缸筒边缘缺肉问题后 , 又将通气过桥加宽 , 由原顶部 3 毫米 , 底部 6 毫米 , 加宽到顶部 6 毫米 , 底部 9 毫米。通气过桥更改前 , 浇注后的铸件 , 六根明通气孔无一充满铁水 , 更改后 , 铸件顶部排气畅通 , 六根明通气孔浇注后全部充满铁水 ,而且缸筒气孔大幅度下降。改变缸体等铸件法兰边部的芯头结构 , 强化排气系统的功能是减少气孔的有效办法。例如过去我厂生产的变速箱铸件 , 气孔、冷隔
7、和缩孔缺陷都比较严重 , 我们改变了浇注位置 , 并将法兰处芯头加高至与法兰至高点相同 , 再在此部位增加较大的明排气冒口。更改后 , 不但减少了清理的难度 , 同时根本解决了铸件的气孔、冷隔和缩孔的问题。所以在缸体等复杂铸件的工艺设计中 , 应充分考虑置于上型至高位置中的法兰等部位的排气问题。缸盖等水套砂芯内设排气道与铸型排气孔的封接问题一直是困扰我们的难题 , 过去由于封接不好 , 经常在浇注时产生炝火问题 , 我们采取将缸盖顶部的四个水套砂芯排气孔做成有薄芯片阻隔的形式 , 即 2 毫米的薄砂层可保证气体顺利通过 , 但在个别芯头封火不严使铁液钻入时 , 薄砂层可阻挡铁液进入水套砂芯排气
8、道 , 排气孔可排出水套砂芯内部的气体 , 减少缺陷 (见图 2) 。所以 , 在工艺设计时要考虑排气道的封火问题。图 2 汽缸盖水套排气示意图21 减少造型材料产生的气体涂料及砂芯修补材料等使用不当会促使铸件产生气孔缺陷 。比较了各种砂芯和铸型涂料对铸件气孔的影响 , 铸型增加涂料后 , 特别是在涂料烘烤不良时 ,铸件气孔明显增加。为减少涂料带来的气孔缺陷 , 必须选择发气量小且抗粘砂性强涂料。也可采用改变芯砂粒度 , 取消涂料的方法。如缸体气门室砂芯 , 原采用 S50/ 100 原砂吹制的热芯 , 为防止铸件粘砂 , 砂芯表面浸涂水基石墨涂料 , 涂料后造成该部气孔缺陷较多。对此 , 我
9、们采用 S140/ 70 原砂代替 S50/ 100 原砂 , 用壳芯代替热芯 , 将砂芯表面涂料取消 , 既解决了铸件粘砂又减少了气门空气孔缺陷。对比冷、壳、热三种砂芯 , 采用同样原砂 , 对解决铸件粘砂和气孔问题 , 冷芯盒砂芯获得的效果更为突出。减少芯砂粘结剂加入量、热芯采用低氮树脂等都是减少气孔的有效办法。缸盖等水套砂芯采用覆膜砂对提高砂芯和铸件质量效果都很明显 , 但必须采用高强度、低发气量的芯砂。我厂在 498 缸盖生产中 , 加116 % 118 %树脂 , 得到强度大于 40kg、发气量为13ml/ g 的树脂砂 , 它可明显减少铸件的气孔缺陷。对于水套等砂芯的连接可采用螺丝
10、紧固连接 , 这种方法可将两个或多个砂芯牢固地连接成一体 , 不但可解决砂芯受热后的变形漂芯问题 , 也可极大减少型内气体来源。31 型砂温度我厂砂处理系统因受老厂厂房等条件的限制 , 各方面变化不大。由于大量流水生产 , 造成夏季型砂温度较高。在全年生产中 , 型砂温度从 4 月初开始升高 , 一直到 8 月中旬才逐渐下降 , 而铸件气孔的多少也随型砂温度的高低而变化。为此 , 我们对每天所用的全部型砂进行了温度测量。通过在造型线上对每碾型砂取样测量 , 对比每小时生产铸件的情况 , 获得了缸体盖板和缸筒气孔缺陷随型砂温度高低的变化规律 , 即型砂温度高缸体气孔随之增加 (见图 3) 。图
11、3 型砂温度对气孔的影响全年统计结果表明 , 在通常情况下 , 仅因季节不同 , 冬季气孔缺陷就降至夏季的十分之一。为控制型砂质量 , 一般型砂温度控制在 35 以下 , 我厂灰口部分返回砂温度一度为 50 80 , 混碾后 , 送至造型线上的型砂 , 在高温季节平均温度4717 , 最高温度达 60 。由于型砂温度高 , 铸型合箱后 , 砂型表面水分很快蒸发 , 并形成一般较强的热潮气流经浇口和通气孔冲向型外。当这部分气流遇到冷砂芯时 , 在其表面凝结了大量水蒸气 , 从而增加72铸造 1998110 1995-2004 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co.,
12、 Ltd. All rights reserved.了铸件浇注时型内的气体压力 , 最终导致铸件气孔增加。为降低型砂温度 , 我厂采取如下措施 : (1) 缸体落砂筛下增加热砂分离皮带和隔板 ; (2) 回砂皮带上增加喷水装置 ; (3) 滚筒筛中增加隔板、筋片和细筛网 ; (4) 碾砂机中增加强力通风。上述四项实施后 ,可使型砂温度平均下降 10 左右。41 铝和氧化铁粉一般 , 产生铸件针孔或皮下气孔的主要原因是树脂砂中的尿素衍生物与铁液接触时 , 尿素衍生物首先分解出氨 (N H3) , 在缺乏空气的情况下 , N H3 分解为氮和氢 , 2N H3 N2 + 3H2 。同时 N H3
13、也能燃烧成氮与水 , 水又能继续分解为氢和氧。氮与氢在高温铁液的压力作用下被铁液所吸收并溶解在铁液之中。随着铸型中铁液的冷却 , 被吸收的氮氢气体在铁液中的溶解度下降 , 便以圆形气泡的形式存在铁液内。由于铸件表皮已凝固 , 气泡无法从铸件中逸出 , 这样就在铸件表皮下形成皮下气孔或针孔。若铁液中有一定量 Al 等元素存在 , 由于它能提高铁液中氮和氢的溶解度 , 使铁液吸收更多的氮与氢 , 因此铸件极易产生针孔和皮下气孔。生产中 , 经常在热芯砂等制芯材料中加入氧化铁粉来防止铸件产生针孔或皮下气孔。对氧化铁粉的作用机理 , 有人认为氧化铁和砂粒受铁液作用后 , 形成低溶点氧化膜 , 增大了铁
14、液的界面压力 , 阻止了热芯中的氮等气体和铁液的接触 , 因而防止了针孔的产生。也有人认为氧化铁与铁液接触后发生分解 , 并与碳作用生成一氧化碳 , 由于一氧化碳的气泡逸出 , 同时将铁液中含有的氮、氢带出 , 因而减少了针孔和或皮下气孔的产生。在生产实践中 , 对突发的皮下气孔 , 在没有找到确切原因时 , 增加芯砂中氧化铁粉加入量 , 也可立即消除铸件在此界面上的皮下气孔。与砂型接触的铸件表面 , 也可通过临时增加配有氧化铁粉的面砂来实现快速消除铸件皮下气孔的效果。来历不明的废钢也经常造成铸件出现气孔。这样情况下 , 要及时更换或减少废钢的加入量。51 浇注温度与速度我厂缸体生产试验表明
15、, 浇注温度在 13801410 时 , 对铸件产生气孔的影响不明显。但当浇注温度低于 1380 时 , 随着温度的不断降低 , 气孔缺陷明显增加 (图 4) 。我厂缸体铸件由于采用高压造型 , 砂型密度增加 , 提高浇注速度有利于减少铸件的气孔缺陷 , 特别是由于结构复杂 , 型、芯发气量较大 , 采用底注式浇注系统的铸件 , 因浇注速度慢 , 当铁水流至缸筒顶部和水套盖板法兰处 , 温度不断下降 , 极易形成气孔和浇不到缺陷。缸体浇注速度由 24 秒提高到 19 秒 , 增加直浇口和外浇口截面加大铁水的压力头 , 对缸体、缸盖等铸件减少气孔缺陷也有效果。图 4 浇注温度对气孔的影响61 金
16、属中的气体一般 灰 铸 铁 中 , 全 氧 含 量 为 010005 % 010080 % , 当冲天炉炉气氧化性强 , 送风湿度大 (大于 16g/ m3 ) 以及铁料锈蚀等原因 , 全氧含量可达0101 % 01045 % , 这样的铁液浇出的铸件 , 出现的气孔、夹渣、缩松、疏松等缺陷较严重。美国用冲天炉熔化的铸铁全氧含量为 0100121 %左右 ; 日本为010020 % 010030 % , 我国北京某厂用冲天炉熔化的铸件全氧含量为 010047 % 010110 %。我厂当缸盖等铸件气孔漏水超过 80 %时 , 测得铁液中氧含量为 010147 % 010353 %。而正常生产时的氧含量为 010068 %。灰铁中氮含量为 010063 % 010078 % , 氢含量为 0100003 % 0100004 % , 最多高达 010005 %。铁液中氮含量过高 , 不但导致铸件产生气孔 , 也将增加裂纹缺陷 , 要减少铸件中氮的含量 , 可以
