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1、中小型乘用车发动机灰铸铁汽缸体中小型乘用车发动机灰铸铁汽缸体( (汽缸盖汽缸盖) ) 常见缺陷与对策浅析常见缺陷与对策浅析 康宽滋(江铃铸造厂江西省南昌市 330001)概 述 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动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，无论铸件产量还是铸件技术要求及铸件质量，都基本上满足了现代汽车发动机日 益提高的要求。以中小型乘用车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
2、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铸件。许多厂家为满足高强度薄壁铸 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 光谱仪快速检测，有的还配置了铸件。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拟技术。可以毫不夸张的说，就硬件配置而言，我国发动机铸造水平丝毫不亚 于当今世界工业发达国家，一句话，具备了现
3、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。提高产品质量，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的缺陷，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)
4、，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，较为多见的是侵人性气孔。现对侵人性 气孔分析出如下：11 原因111 型腔排气不充分，排气系统总截面积偏小。112 浇注温度较低。113 浇注速度太慢；，铁水充型不平稳，有气体卷人。114 型砂水份偏高；型砂内灰份含量高，型砂透气性差。115 对于干式气缸套结构的发动机，水套坭芯工艺不当(如未设置排气系统或排气系统不完善； 或因密封不严，使浇注时铁水钻人排气通道而堵死排气
5、道；坭芯砂粒偏细，透气不良；上涂后未充 分干燥；坭芯砂与涂料发气量太大，或发气速度不当；涂料的屏蔽性差)。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。116 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。117 浇注时未及时引火12 对策121 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。通常排气截面应为内浇道总截面积 1518 倍左右。122 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，不会冲击铸型或产生飞溅或卷入气体。而浇注系统的
6、截面大小以 8lkgs 的浇注速度 来计算较为适宜。123 铁液的熔炼温度应不低于 1500，而手工浇注时末箱的浇注温度应控制在 1400左右 (视铸件大小与壁厚可适当调整)。最好能采用自动浇注，浇注温度误差应在 20以内。124 一个好的适于高压造型的砂处理系统，型砂水分应控制在 2832，其时的紧实率 应在 3642之间，而温压强度应达 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。125 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。126 对于干式汽缸套结构的发动机缸体，至关重要的是要
7、有非常完善到位的水套坭芯工艺：、水套坭芯用砂的平均细度较之其他坭芯要粗一些，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、对坭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，从而使 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，且又能开出排气孔网时，就要求砂 芯有较高的强度，即使发气量大些也无妨。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
8、度也应更粗些。、当水套芯布有排气孔网，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)，以免浇注时铁水进人排气孔网，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 3，甚至更低。与缸体水套芯相类似，对缸体的油道芯、挺杆腔坭芯以及缸盖的水套芯，其工艺方法、工艺措施 也可仿照缸体水套芯的工艺思路来考虑。2 砂眼砂眼也是汽缸体(汽缸盖)铸件的常见缺陷，多见于铸件的上型面，也有在缸筒内表面经加工后暴 露出来的。21 原因211 浇注系统设计不合理。212 型砂系统管理不善，型砂性能
9、欠佳。213 型腔不洁净。214 坭芯表面状况不良或是施涂与干燥不当。22 对策221 就浇注系统设置方面来说，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，严重时会成片状脱落。浇注系统的比例，应使铁水能平稳注人，不得形 成紊流或喷射。b、尽量使铁液流经的整个通道在坭芯内生成，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的散砂和铁液
10、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。d、浇道的截面比例宜采用半封闭半开放型式，以降低铁液进人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。222 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，水分及紧实率则会提高，使型砂发脆。b、浇注时坭芯溃散后混入旧砂，未燃尽的残留树脂膜，会使型砂的韧性更差，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，方法是在型砂中添加适
11、当的 a 一淀粉，也有的改用 FS 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)。223 在造型、翻箱，特别是下芯、合箱等各环节容易将砂粒掉人型腔，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， 以免碰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人的砂粒(抽吸法 好于吹出法)。224 不能忽视的是，坭芯的飞边毛刺要清理干净，上涂烘干后待用的坭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，坭芯上涂不能太 厚，尤其是当工艺要求个别坭芯的个别部位或全部两次浸
12、渗涂料时，涂料不能太厚，且须等第一次 上涂干燥到一定程度后才能上涂第二层，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，使坭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”。脉搏纹一旦出现，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，甚至会引起“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。生产实践表明，冷芯工艺产
13、生脉纹的倾向要稍大于壳芯产生脉纹的倾向。31 原因 311 如上所述，产生脉搏纹的根本原因是高温铁水作用于砂芯引起硅砂的膨胀裂纹。312 砂芯材料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。313 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。314 所用涂料不能抵御砂芯在高温下产生膨胀裂纹。315 铁液未能在砂芯产生裂纹前凝固结壳，从而预防脉纹产生。32 对策针对 31 所列产生脉搏纹的原因(或者说脉纹形成的机理)，显然应采取如下措施：321 在保证能得到健全铸件而又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
14、度，以避免砂芯长时间受到高温烘烤可 能产生的膨胀裂纹。322 用于易产生脉纹坭芯(如水套芯、进排气道芯)的芯砂原砂预先进行消除相变膨胀处理， 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形。323 必要时，在砂芯材料中使用一定比例的非石英系列砂(如橄榄石砂、锆英砂等)，第一它 们的膨胀率极小，第二其导热性好，使铁液结壳时间早于砂芯相变膨胀开裂时间。324 提高砂芯材料的韧性和高温强度。325 使用强度、韧性优良，且导热性能好的烧结型涂料，以增强砂芯表面抗膨胀裂纹的能力。以上这些措施既适用于冷芯砂，也适用于热法覆膜
15、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十分苛刻。对汽缸体(汽缸盖)铸件而言，水腔、油腔、挺杆室等部位 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 芯或冷芯，情形均一样。41 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
16、的情况下，只能查找影响清洁度其他方面的原因。411 坭芯表面状况不良，如充填不紧实；砂芯表面粗糙；粘模等。412 施涂不当，如涂料性能差，玻美度不合适，涂层厚度不够等。413 现有强力抛丸装置对铸件大部分内外表面都能清理得很干净，但对狭窄复杂的水腔、油 腔仍显不足。42 对策421 改善和提高坭芯表面质量状况，如选用流动性好的制芯材料(安息角250MPa，指定本体部位的抗拉强度 crb200MPa：b、铸件指定部位的硬度在 180HB 以上，铸件厚薄断面的硬度差在 30HB 以下；c、铸件本体的主要部位珠光体含量在 90以上，石墨形态应大部分为 A 型，允许表面有少量 B、D 型，石墨最大长度应在 2501m 以下。尽管我国大多数专业发动机铸件生产厂家，通过技术改造和技术引进，达
