高強(qiáng)度薄壁灰鑄鐵氣缸蓋氣孔形成機(jī)理與對策

邵大森

（上海柴油機(jī)股份有限公司，上海200438）

高強(qiáng)度薄壁灰鑄鐵氣缸蓋氣孔形成機(jī)理與對策

邵大森

（上海柴油機(jī)股份有限公司，上海200438）

氣孔為氣缸蓋鑄件的主要缺陷，通過正確選用芯砂，加強(qiáng)砂芯的排氣，嚴(yán)格控制澆注溫度、澆注速度；設(shè)計(jì)合理的澆注位置、排氣銷及排氣冒口等工藝措施，使氣孔缺陷得到了有效控制，氣孔廢品率在1%以下。

氣缸蓋侵入性氣孔鑄造工藝

1 前言

氣缸蓋作為柴油機(jī)的關(guān)鍵部件之一，其工作環(huán)境十分惡劣，不僅要長期承受高溫考驗(yàn)，還要長期承受有規(guī)律的瞬時(shí)爆發(fā)高壓，同時(shí)進(jìn)、排氣道形狀對柴油機(jī)性能有著至關(guān)重要影響，所以氣缸蓋質(zhì)量的好壞直接影響柴油機(jī)的使用性能和生產(chǎn)成本。本文以上柴公司生產(chǎn)的主要產(chǎn)品之一D6114B型柴油機(jī)氣缸蓋為例，對氣孔形成機(jī)理作一些分析，并探討其對策。

2 氣缸蓋的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及鑄造工藝

D6114B氣缸蓋采用多缸一蓋結(jié)構(gòu)，它是進(jìn)排氣道、冷卻水套、潤滑油道等結(jié)構(gòu)的結(jié)合體，工作時(shí)集水、氣、油于一身。該氣缸蓋最薄處壁厚僅5 mm，材質(zhì)為HT250，屬于高強(qiáng)度薄壁鑄件。它不但要求尺寸精度高，不允許存在氣孔、砂眼、夾渣、內(nèi)腔夾砂等鑄造缺陷，成品還需經(jīng)水壓試驗(yàn)，不允許發(fā)生泄漏現(xiàn)象。

為了提高鑄件尺寸精度、保證質(zhì)量、適應(yīng)大批量生產(chǎn)特點(diǎn)，我們采用了組芯有箱造型工藝，所有砂芯均為冷芯砂。每個(gè)氣缸蓋共需10種20多個(gè)砂芯。在澆注過程中，除底座和上蓋砂芯外，其余砂芯的絕大部分均被鐵液包圍，金屬液充型過程中紊流現(xiàn)象嚴(yán)重，型腔內(nèi)氣體來不及散逸。同時(shí)由于樹脂砂發(fā)氣量大、發(fā)氣速度快，砂芯排氣不能及時(shí)有效。這些都導(dǎo)致鑄件發(fā)生大比例的氣孔缺陷，嚴(yán)重時(shí)澆注過程中便發(fā)生嗆火現(xiàn)象。

3 氣缸蓋鑄件氣孔缺陷的特征及機(jī)理

3.1 氣孔缺陷的特征

通過對存在氣孔缺陷的氣缸蓋鑄件觀察和分析，發(fā)現(xiàn)氣孔的發(fā)生較有規(guī)律：發(fā)生部位均為排氣面?zhèn)让妫植嘉恢脼槊芊鈳戏健⒋舐菟ù钭由戏健⑿⊥古_上方；有的位于表面，有的位于皮下（機(jī)加工后才能發(fā)現(xiàn)）。氣孔呈梨形或橢圓形，氣孔數(shù)量少，尺寸較大，孔壁光滑，呈暗灰色，孔洞內(nèi)有明顯的氣道尾巴，尖頭指向砂芯。氣孔嚴(yán)重的鑄件，常伴有嚴(yán)重的內(nèi)腔夾砂現(xiàn)象。故認(rèn)為所產(chǎn)生的氣孔為侵入性氣孔，氣孔的發(fā)生與澆注位置的選擇、砂芯發(fā)氣、金屬液的充型及凝固狀態(tài)有著密切關(guān)系。

3.2 氣孔形成的機(jī)理

氣缸蓋氣孔主要為侵入性氣孔，是由于氣體從外部侵入到鐵液中排不出來而形成的氣孔。氣體的來源有3個(gè)方面：

1）砂芯受熱以后，其水分蒸發(fā)，樹脂固化劑燃燒分解以及涂料、修補(bǔ)劑、粘結(jié)劑分解產(chǎn)生的氣體；

2）鑄型水分蒸發(fā)，其它輔料燃燒或分解所產(chǎn)生的氣體；

3）澆注系統(tǒng)設(shè)計(jì)不合理，澆注過程中裹入的氣體。

以上氣體如果不能在澆注過程中有效地排出型腔，最終導(dǎo)致了型內(nèi)氣體壓力升高，當(dāng)金屬液—鑄型界面上局部氣體的壓力p氣大于金屬液表面包括表面張力在內(nèi)的反壓力∑p（∑p=p靜+p阻+p腔）時(shí)，氣體就能在鑄件開始凝固的初期侵入金屬液中成為氣泡，如果此時(shí)金屬液的溫度、粘度等方面的條件有利于該氣泡上浮逸出，則鑄件并不會出現(xiàn)氣孔，否則就會形成侵入性氣孔。侵入性氣孔形成的條件是[1]：

即p氣>（p靜+p阻+p腔）

式中，

p氣——金屬液-鑄型界面上氣泡所在位置處的過剩壓力。它與型砂的發(fā)氣量、發(fā)氣速度、砂型的透氣性、砂型出氣孔的位置和數(shù)量及其它許多因素有關(guān)；

p靜——金屬液的靜壓力。p靜=ρgh。其中h為澆注時(shí)金屬液在型內(nèi)的高度（隨澆注時(shí)間而變化），澆注終了時(shí)為氣泡所在位置至澆口杯內(nèi)液面的高度，ρ為金屬液密度，g為重力加速度；

p阻——?dú)怏w進(jìn)入金屬液內(nèi)所需克服的阻力，取決于金屬液的表面張力和凝固的程度以及它們的粘度；

p腔——作用在金屬液面上的型腔內(nèi)氣體壓力，當(dāng)設(shè)有明冒口時(shí)它等于大氣壓力。

根據(jù)以上的分析結(jié)果，為了避免侵入性氣孔的發(fā)生，就必須設(shè)法減小p氣或增大Σp。

4 防止侵入性氣孔的措施

要解決氣缸蓋鑄件氣孔缺陷的問題，一要選用發(fā)氣速度快、發(fā)氣量低的原材料；二要設(shè)法不讓鐵液堵住砂芯的排氣通道，特別是水套砂芯氣體的排出問題；三是通過采用合適的內(nèi)澆道位置與數(shù)量，配合適當(dāng)?shù)某鰵饷翱谙到y(tǒng)以保證鑄件表層凝固結(jié)殼前氣體能夠完全溢出，有效地防止侵入性氣孔和減少縮松傾向[2]。

4.1 制芯材料選用及過程控制

1）冷芯砂的發(fā)氣量大小及發(fā)氣速度的快慢，直接影響到氣缸蓋鑄件氣孔率的高低。在保證砂芯起芯的熱拉強(qiáng)度、常溫強(qiáng)度及高溫強(qiáng)度的前提下，應(yīng)盡量減少樹脂及附加物的加入量，以減少發(fā)氣量；

2）砂芯經(jīng)過兩次烘烤，確保砂芯殘留水分≤0.5%；

3）氣缸蓋水套芯浸涂用的涂料也應(yīng)選用發(fā)氣量低的材料，因澆注后水套砂芯完全被鐵液包覆，排氣條件差，易產(chǎn)生氣孔缺陷。

4.2 加強(qiáng)砂芯排氣

氣缸蓋砂芯排氣不通暢一直是一個(gè)老大難問題。生產(chǎn)實(shí)踐證明，只要砂芯的排氣通道暢通，即使發(fā)氣量略高，砂芯所產(chǎn)生的氣體完全能夠在鐵液凝固結(jié)殼前排出。

1）根據(jù)水套芯和氣道芯芯頭的大小，采用Φ4 mm鉆頭在芯頭鉆深度為25±5 mm的出氣孔，以利于氣體排出；

2）氣缸蓋水套芯、氣道芯芯頭與芯座配合間隙進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整，以保證芯頭密封良好，杜絕鐵液進(jìn)入排氣通道，保證氣路暢通；

3）在氣缸蓋水套芯悶頭芯頭上方，放置耐火墊圈，保證氣體排氣通道暢通。

4.3 澆注系統(tǒng)對氣孔的影響

1）氣缸蓋澆注系統(tǒng)

澆注系統(tǒng)是鑄型中液態(tài)金屬流入型腔的通道，一般由澆口杯（外澆口）、直澆道、橫澆道及內(nèi)澆道四部分（組元）組成；根據(jù)阻流截面位置可分為：封閉式、開放式和封閉-開放式3種，氣缸蓋澆注系統(tǒng)一般設(shè)計(jì)為封閉—開放式澆注系統(tǒng)[3]。

從表1看出，上柴公司氣缸蓋所選的澆注系統(tǒng)都為封閉-開放式澆注系統(tǒng)（表1中ΣF內(nèi)為內(nèi)澆道總截面積，ΣF橫為橫澆道總截面積，ΣF直為直澆道截面積），這類澆注系統(tǒng)在阻流之前是封閉的，可起較好的擋渣作用；其后開放，防止?jié)沧⑦^程中裹入氣體，可使充型平穩(wěn)，型腔內(nèi)氣體隨著金屬液的上升，順利地從排氣冒口等處排出。在澆注過程中，砂芯受沖刷較輕，可防止因局部過熱而產(chǎn)生斷芯、粘砂等缺陷。砂芯以及附著水分蒸發(fā)，樹脂燃燒分解，部分從芯頭的排氣孔排出，部分進(jìn)入型腔，從排氣冒口排出。故兼有封閉式及開放式二者優(yōu)點(diǎn)。

表1 上柴公司各類氣缸蓋澆注系統(tǒng)類型

2）內(nèi)澆道位置對氣孔的影響

上柴公司氣缸蓋鑄件內(nèi)澆道位置分為二類，一是位于分型面上，即中間注入法，二是底注式，具體見表2。因?yàn)闅飧咨w高度不高，采用這2種方式都可使鐵水平穩(wěn)地充滿型腔，減少鐵水氧化，對型腔沖刷力小，型腔中的氣體和雜質(zhì)容易從冒口或出氣孔中排出。此二類內(nèi)澆道適合于流水線生產(chǎn)。為避免內(nèi)澆道附近局部過熱導(dǎo)致沖砂縮松等缺陷，大型氣缸蓋可以適當(dāng)增加中、底注內(nèi)澆道數(shù)量。

4.4 澆注溫度與澆注速度對氣孔的影響

澆注溫度高可以加快型砂芯的發(fā)氣速度，形成的氣體可以在較短的時(shí)間內(nèi)排出型外。氣缸蓋芯通常都比較復(fù)雜，細(xì)小復(fù)雜部位不能設(shè)置排氣孔排氣。這些部位所產(chǎn)生的氣體只能進(jìn)入型腔，由排氣冒口排出。鐵液的溫度愈高，動力粘度愈小，有利于澆注過程中鐵液裹入的氣體上浮、排除。較高的鐵液溫度還可以防止在部分薄壁處產(chǎn)生冷隔缺陷，減少氣密試驗(yàn)漏水廢品。但過高的澆注溫度對型、芯砂質(zhì)量要求較高。由于缸蓋水套砂芯過于細(xì)小，溫度過高易造成斷芯、水道不通及內(nèi)腔粘砂等缺陷。因此，綜合考慮，壁厚較薄的氣缸蓋可采用始澆溫度1 420%，終澆溫度1 380%的澆注工藝；壁厚較厚的（6~8 mm以上）可采用始澆溫度1 400%，終澆溫度1 360%進(jìn)行澆注[4]。

澆注速度對缸蓋質(zhì)量的影響很大。快速澆注，鐵液溫度的降幅小，對型砂、砂芯的作用時(shí)間短，易消除冷隔等缺陷。但過快的澆注速度，金屬液面上升不夠平穩(wěn)，不利于型腔內(nèi)氣體充分排出，型腔內(nèi)的氣體和進(jìn)入金屬液中的氣體沒有足夠時(shí)間逸出，在鑄型剛剛充滿時(shí)產(chǎn)生過大的液體動壓力而引起脹箱、抬箱和型內(nèi)氣爆等問題；澆注時(shí)間太長，容易產(chǎn)生澆不足、冷隔和氣縮孔，而且鑄型上表面長時(shí)間受強(qiáng)烈的烘烤，產(chǎn)生夾砂、粘砂的可能性增大。

每個(gè)鑄件都有一個(gè)適宜的澆注時(shí)間，澆注時(shí)間由鑄型內(nèi)金屬的總重量和澆注系統(tǒng)來確定的。

氣缸蓋生產(chǎn)中要充分考慮砂芯的發(fā)氣速度，尤其是刷涂料后的砂芯，因?yàn)橥苛系姆N類與涂層的厚度都會對發(fā)氣速度產(chǎn)生影響。通過調(diào)整內(nèi)澆道與冒口的配合，保證排氣冒口在型腔內(nèi)氣體逸出后凝固封閉，降低界面的氣體壓力，避免侵入性氣孔的形成。

表2 上柴公司各類氣缸蓋澆注位置、澆注時(shí)間等有關(guān)的數(shù)值

4.5 出氣銷和排氣冒口系統(tǒng)對氣孔的影響

澆注位置和出氣銷及排氣冒口系統(tǒng)設(shè)計(jì)是否合理、匹配，是從澆注系統(tǒng)設(shè)計(jì)角度解決氣孔缺陷的關(guān)鍵，明出氣孔根部總截面積（僅對型腔出氣）不應(yīng)小于內(nèi)澆道總截面積的2倍，以保證出氣孔能順暢地排出型腔中的氣體。

上柴公司在氣缸蓋生產(chǎn)中經(jīng)常采用的出氣銷和排氣冒口有以下幾種：

1）園錐形出氣冒口（見圖1）

a類適用于流水線生產(chǎn)。優(yōu)點(diǎn)是：結(jié)構(gòu)簡單，易清除；缺點(diǎn)是排氣冒口的頂部在型腔內(nèi)，在鐵水充滿型腔初期，氣體還沒有完全逸出前，容易凝固堵塞排氣通道，如果氣體在底部殘留過多，容易在根部產(chǎn)生氣孔；

b類能較好地解決a類存在的問題，且可以使熱節(jié)上移，防止縮松缺陷，我公司D6114B氣缸蓋大螺栓孔搭子，加工后出現(xiàn)大批氣孔。采用a類出氣銷后，安裝在上蓋砂芯模樣主體上，在整理車間清整鑄件時(shí)易將密封帶混進(jìn)，同時(shí)氣孔雖大幅降低，但不徹底！后采用b類出氣銷，將其吊裝在上蓋砂芯上型板上，比較好地解決了板進(jìn)和氣孔問題。

圖1 圓錐形出氣冒口

2）腰型出氣冒口

腰型出氣冒口可以有效地解決因排氣冒口頂端過早凝固、底部產(chǎn)生氣孔問題，具有補(bǔ)縮作用，但清除困難，易出現(xiàn)帶肉等缺陷。該冒口吊放在D6114氣缸蓋厚大的搖臂座上方，參見圖2。

3）邊緣式出氣銷（冒口）

圖2 腰型出氣冒口

邊緣式出氣銷可分為下列2種：（1）壓邊出氣銷（冒口）：這類出氣銷（冒口）需有上蓋芯的生產(chǎn)線可使用，優(yōu)點(diǎn)是出氣效果良好，清除方便，見圖3（a）；（2）飛邊引出出氣銷（冒口）：這類出氣銷（冒口）常用于分型面在氣缸蓋頂部的鑄造工藝設(shè)計(jì)，安放在內(nèi)澆道對面，排氣效果明顯，清除方便，見圖3（b）。

圖3 邊緣式出氣銷（冒口）

4）蓄氣冷卻棒和冷卻片

蓄氣冷卻棒用在氣缸蓋上表面面積較小的突臺處。由于上平面突臺在澆注過程中易積蓄氣體，氣體難以從型砂內(nèi)排出就會形成氣孔，尺寸不宜過大，對氣缸蓋這類鑄件根部Φ3~Φ6 mm最為適宜。蓄氣冷卻棒在澆滿前起一定的蓄氣作用，澆滿后冷卻棒本身迅速冷卻，起到冷鐵作用，使熱節(jié)遠(yuǎn)離，減少此處氣孔的形成。

蓄氣冷卻片的作用也與蓄氣冷卻棒相似，冷卻片對解決氣缸蓋上表面狹窄密封帶的氣孔問題具有良好作用。

圖4所示是D6114B柴油機(jī)氣缸蓋在密封帶和排氣道側(cè)面上方搭子上所使用的蓄氣冷卻片。吊裝在上蓋砂芯的上型板上。氣缸蓋通過蓄氣冷卻片的使用，此處氣孔缺陷出現(xiàn)的幾率基本降低為零。

圖4 蓄氣冷卻棒、冷卻片

以上柴公司生產(chǎn)D6114B氣缸蓋為例，來說明澆注位置和排氣系統(tǒng)對氣孔缺陷的影響（如圖5）。

D6114B柴油機(jī)氣缸蓋為一箱二件，采用底注式澆注，內(nèi)澆道貼著缸蓋的上蓋芯從底部進(jìn)入型腔。氣缸蓋最高處的搭子、密封帶等部位，在上蓋砂芯上都做有冒口式的排氣孔或排氣槽，與上型排氣通道相連，集中排氣。

底注式澆注系統(tǒng)可使金屬液平穩(wěn)地注滿型腔，型腔中的氣體和雜質(zhì)也容易從頂面或頂側(cè)面出氣孔及冒口中排出。

通過持續(xù)不斷的改進(jìn)工藝，D6114B型柴油機(jī)氣缸蓋的平均綜合廢品率已降低到3%~4%，氣孔的廢品率也由原來的4%下降到1%以下，達(dá)到國內(nèi)同行業(yè)領(lǐng)先水平。

5 結(jié)論

通過選用發(fā)氣量低，發(fā)氣速度快的原材料，保證砂芯排氣暢通；加強(qiáng)過程控制，選擇合適的澆注溫度、澆注速度；設(shè)計(jì)合理的澆注位置、出氣銷及排氣冒口等措施可有效控制氣缸蓋鑄件氣孔缺陷的產(chǎn)生。

1丁根寶.鑄造工藝學(xué)（上冊）[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1985.

2張玉平等.電機(jī)鑄件浸入性氣孔缺陷的產(chǎn)生及消除辦法[J].中小型機(jī)電，1993（5）.

3中國機(jī)械工程學(xué)會鑄造分會.鑄造手冊（第4卷）-造型材料[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2002.

4[日]鹿取一男等.鑄造工學(xué)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1983.

Forming Principle of and Countermeasures to Blowhole in Cylinder Head of High Strength and Thin Wall

Shao Dasen
(Shanghai Diesel Engine Company Limited,Shanghai 200438,China)

The main defect of cylinder head castings is blowhole.Thanks to adopting measures such as selecting core sand,enhancing exhaust property of sand score,controlling pouring temperature and speed;designing reasonable running place,venting stick and riser to prevent blowhole,reject ratio of cylinder head casting has been containing within 1%.

cylinder head,blowhole,foundry technology

來稿日期：2008-12-18

邵大森（1972－），男，工程師，主要研究方向?yàn)殍T造技術(shù)和工藝。