16v280氣缸蓋鑄造缺陷的分析

16v280氣缸蓋鑄造缺陷的分析

鑄造工藝設計難點16v280氣泵蓋的漏水，尤其是車輛運行中的漏水，一直是中國南車集團齊莊溝車輛廠（以下簡稱齊機廠）生產(chǎn)車輛的主要品質問題。它不僅造成經(jīng)濟損失，而且影響了齊機廠的產(chǎn)品質量。氣缸蓋是柴油機上的重要零件,結構復雜,技術要求高,鑄造工藝性能相對較差,但對鑄件尺寸、內(nèi)在組織致密性、內(nèi)腔清潔度要求很高,因而給鑄造工藝設計帶來了很大難度。在生產(chǎn)過程中,氣缸蓋因鑄造缺陷泵漏的質量問題一直困擾著該產(chǎn)品的生產(chǎn),因泵漏造成的廢品損失非常大,經(jīng)過廣大工藝師的不斷探索和改進,到目前為止,氣缸蓋的質量已相當穩(wěn)定。1v280氣缸蓋相氣缸蓋的毛坯外形見圖1所示。氣缸蓋的材質為蠕墨鑄鐵,它具有良好的鑄造性能,其流動性優(yōu)于球墨鑄鐵,適宜于澆注結構復雜的鑄件,具有良好的致密性和耐熱疲勞性能,因此適合于制造大功率內(nèi)燃機的氣缸蓋等耐熱件。造成氣缸蓋泵漏的主要原因有夾雜、縮孔、縮松以及壁厚不均勻等,通過解剖和數(shù)據(jù)統(tǒng)計,認為主要有以下幾個方面:(1)夾雜類缺陷造成泵漏。氣缸蓋的材質為蠕墨鑄鐵,要獲得蠕蟲狀石墨,必須進行蠕化處理,戚機廠采用包底沖入法進行蠕化處理。由于蠕墨鑄鐵中含有鎂、鈣等元素,故易于與鐵液中的硫和裹入鐵液中的氧化合后形成渣。在澆注過程中,由于16V280氣缸蓋的內(nèi)腔結構復雜,不利于鐵水中的雜質上浮,較易形成夾雜類缺陷,增加泵漏的傾向。(2)砂型、砂芯的尺寸精度低或砂芯落在砂型中的位置不正確。通過對16V280氣缸蓋的解剖,發(fā)現(xiàn)鑄件內(nèi)腔的壁厚存在厚薄不均的現(xiàn)象(見圖2),特別是水腔與氣道之間的壁厚尺寸不穩(wěn)定,偏差大,局部壁厚達不到設計要求,最薄處僅1mm,增加了泵漏傾向。(3)鑄件中部壁厚相對較厚,溫度相對較高,較晚凝固,再加上壁厚不均,補縮不暢,易產(chǎn)生縮松。2采用技術措施2.1澆注系統(tǒng)設計由于氣缸蓋鑄件結構復雜,且壁厚較薄,大部分壁厚僅為10mm,同時工作環(huán)境差,耐壓要求高,再加上蠕墨鑄鐵鐵水具有一定的氧化傾向,其縮松傾向又較片狀石墨鑄鐵大,故澆注系統(tǒng)必須同時具備以下條件:①充型平穩(wěn)、快速,以防止鐵水在澆注過程中氧化及造成鑄件局部冷隔;②一定的補縮能力,盡可能補充澆注及凝固初期的液態(tài)金屬收縮量,減少縮松缺陷,獲得較為致密的鑄件。針對上述分析,采用半封閉的階梯式澆注系統(tǒng)用于氣缸蓋鑄造,既能確?？焖俪湫?鐵水不易氧化形成夾雜;又能保證金屬液面上升平穩(wěn),并且鑄件上部分的溫度較高,有利于雜質、氣體等上浮,排入冒口中,改善鑄件的液態(tài)補縮能力。澆注系統(tǒng)比例:ΣF直∶ΣF橫∶ΣF內(nèi)=1∶1.32∶0.89,其截面見表1所示。在澆注過程中,為提高鐵水純凈度,通過試驗采用陶瓷過濾網(wǎng)裝置,防止鐵水中的渣通過澆注系統(tǒng)進入鑄型,減小夾渣傾向。2.2氣缸蓋鑄型生產(chǎn)由于氣缸蓋各部位相關尺寸之間的精度要求較高,且形狀復雜,普通的粘土砂手工造型方法很難確保其尺寸精度,尤其是水腔與氣道之間的壁厚尺寸難以保證。氣缸蓋以前采用粘土砂造型生產(chǎn),模樣采用木模、塑料模,本身尺寸精度比較低,再加上起模時敲敲打打,鑄型尺寸難以保證,從而造成鑄件壁厚不均勻。在分析對比各種鑄型及其制作方法的優(yōu)缺點后,結合現(xiàn)有的實際條件,選擇了呋喃樹脂自硬砂組芯的工藝方法來生產(chǎn)氣缸蓋鑄型,其中上、下水腔及進、排氣道砂芯,由于其結構更為復雜,尺寸精度要求更高,所以采用熱芯盒射芯機來組織生產(chǎn),其砂芯緊實度較高,表面光滑,可提高內(nèi)腔表面質量,確保氣缸蓋工作時的氣流、水流順暢,有利于柴油機功率的正常發(fā)揮。應用新制金屬模樣和樹脂砂造型線制作外模,由于金屬模樣尺寸精度高,起模是在砂型具有一定硬度后進行的,故鑄型尺寸穩(wěn)定性好,砂型的表面質量良好,有利于獲得尺寸精度高且穩(wěn)定可靠的鑄件,確保壁厚尺寸。2.3研磨和爬行處理(1)碳使用量的影響由于氣缸蓋對致密性要求較高,而且蠕墨鑄鐵的成分要求與球墨鑄鐵相近,因此在生產(chǎn)中采用共晶附近的成分,以利于改善鑄造性能。碳是促進石墨化的元素,有利于減少白口傾向,同時,碳當量高,則體積收縮小,凝固時體積膨脹大,利用鑄型的剛度能減少縮松,有利于改善鑄件的內(nèi)在質量。但碳當量太高,則易產(chǎn)生石墨漂浮,通過反復實踐,碳當量控制在3.6%～3.9%時比較合適。含磷量過高在晶界會形成磷共晶體,它會降低鑄件的沖擊韌性,提高脆性轉變溫度,使鑄件易出現(xiàn)縮松和冷裂,因此,對含磷量必須嚴格控制,一般宜在0.08%以下。生產(chǎn)中最關鍵的是控制比較低的原鐵液含硫量,以保證能穩(wěn)定地獲得蠕墨鑄鐵。硫和所有的蠕化元素都有很大的親和力,原鐵液含硫量越高,所需的蠕化劑也越多,越容易形成硫化夾渣,產(chǎn)生夾渣類缺陷。另外控制好原鐵液中含硫量,可以提高蠕化率,而蠕化率的提高有利于改善收縮性能,減小縮松傾向。(2)羅馬法結論的應用蠕化處理采用稀土鎂硅鐵合金和高硅鈦鐵的復合處理工藝,通過干擾元素鈦的作用,使鎂的蠕化范圍得到擴大,有利于控制蠕化率,穩(wěn)定生產(chǎn)。蠕化處理的方法為包底沖入法,處理包凹坑內(nèi)合金的放置見圖3所示。凹坑內(nèi)的合金一定要舂緊、壓實,以延緩反應時間,保證吸收率,鐵液在中間包內(nèi)鎮(zhèn)靜,降溫至蠕化處理溫度1440～1460℃后,倒入處理包內(nèi)進行蠕化處理,蠕化處理用的鐵液量占總鐵液量的50%～60%,待處理平穩(wěn)后,后補鐵水同時加入孕育劑進行孕育處理?，F(xiàn)時生產(chǎn)中使用高硅鈦鐵代替原來的低硅鈦鐵,由于高硅鈦鐵是鈦硅鐵的多元合金,具有熔點低的特點,其熔點為1250℃,大大低于低硅鈦鐵的熔點,在鐵水中能很好地被熔化和吸收,減少夾雜物流入鑄型,使蠕化處理的穩(wěn)定性得到較大的提高。由于低硅鈦鐵熔點高,往往不容易熔化,而隨鐵液澆入鑄型,從而使鑄件產(chǎn)生夾雜類缺陷,引起鑄件泄漏。使用高硅鈦鐵后,使鑄件的泄漏大為降低,從而降低了鑄件的泵漏廢品率。2.4砂芯的組裝質量及澆注溫度合箱(配模)在氣缸蓋鑄件的生產(chǎn)中也是1道關鍵的工序,有了優(yōu)質的砂型、砂芯,如果合箱操作做得不好,同樣會對鑄件質量產(chǎn)生影響。氣缸蓋鑄型是由20多個砂芯組裝形成的,所以每個砂芯的組裝質量(相對位置)都將對整個鑄型的質量起決定性的作用。為了確保每個砂芯在鑄型中的相對位置正確,設計了1套落芯卡板,配模時每個砂芯落入砂型時都使用卡板來定位,再固定,從而確保鑄型各部位的形狀及尺寸精度。澆注溫度是鑄造工藝中的1個重要參數(shù)。合適的澆注溫度是獲得優(yōu)質鑄件的保證,澆注溫度偏低,流動性差,則鐵水充型困難,且容易產(chǎn)生冷隔、氣孔等缺陷;澆注溫度過高,則增加液態(tài)收縮量,易造成縮松、縮孔類缺陷。經(jīng)過反復對比試驗、篩選,將澆注溫度選在1360～1390℃比較合適。3尺寸精度的測試通過以上造型工藝及熔煉工藝的改進和實施,氣缸蓋因壁厚尺寸不均勻、夾雜類缺陷以及縮松等原因造成的泵漏廢品率大大下降,鑄件的內(nèi)在質量以及尺寸精度均能滿足設計要求,表2為近年來的統(tǒng)計結果。圖4為隨機抽取的樣品解剖圖片。實踐證明:生產(chǎn)此