論V型柴油機整鑄機體的生產工藝

翟琳陽

(中國北車集團大連機車車輛有限公司，遼寧大連 116021)

1 難點剖析

16RK270型柴油機整鑄機體為V型結構（如圖1），外形尺寸為 3 640 mm×1 500 mm×1 000 mm，材質為QT420-12。壁厚差異較大，最厚處132 mm，最薄處12 mm。對內部質量要求也十分嚴格，缸臺面、曲軸腔筋板、端面均要求磁粉探傷、超聲波探傷。此機體的冷卻水腔位于兩個缸套孔與凸輪軸腔下面，貫穿整個機體長度方向。性能試塊采用?25 mm×150 mm的本體附鑄試塊，并要求與鑄件最厚大部分連接。270機體可安裝凸輪軸、曲軸、動力組等附件，是為了滿足最大剛度和強度而設計的整體鑄造件。內部通道有主機油道、冷卻水通道，因為復雜的結構，所以機加工形狀，尺寸精度很高，機體的生產工藝要從以下幾個方面入手：①吊芯、合箱過程中，相對位置的尺寸精度；②澆注系統以及冷鐵的確定，以保證機體的內外在質量滿足超聲波探傷、磁粉探傷、著色探傷的要求；③鑄件的平均壁厚在30 mm～50 mm，鑄件質量約8 t，采用本體附鑄試塊，試塊的性能要滿足MAN公司提供的機體材料BS2789:1985標準的等級要求,如表1；④化學成分的要求：w(P)≤0.10%,w(S)≤0.02%;⑤金相組織要求：石墨形狀Ⅵ級，大小4～5級，用4%硝酸酒精腐蝕，放大倍數200倍，基體鐵素體≥90%。

圖1 16RK270型柴油機整鑄機體

表1 試塊的性能要求

2 造型工藝的確定

疊箱組芯是國內外機體類鑄件的造型工藝方案中多數采用的工藝方法。但由于該產品尺寸長和半框架結構，性能需要熱處理保證，凸輪軸孔、軸孔、缸孔及橫拉螺栓相對位置要求較高，所以機體的尺寸和加工精度要求高，采用組芯的工藝方法是無法滿足的。

針對以上分析，最終設計出6箱劈模的造型工藝（如圖2）,共包括一個上箱、一個下箱、左右兩個側箱、前后兩個端箱。凸輪軸芯吊在側箱,這樣既方便了下箱與側箱合箱操作，又使凸輪軸孔和燃油泵孔中心尺寸的精確度得到保證，還可以在吊芯過程中方便的校驗空氣腔砂芯和凸輪軸腔砂芯的尺寸,從而保證空氣腔和凸輪軸腔的尺寸精度,操作難度也降低了。

2.1 澆注系統的設計

由于機體結構的特殊性和相對對稱性，選取澆注位置的原則是讓鑄件在凝固過程中采取局部順序凝固、整體同時凝固，上端厚大部分的溫度場與其它位置相平衡，引入位置不能直接沖擊砂芯，避免影響鑄件的收縮和清理。所以在缸臺面開設內澆口，實現整體的底返式澆注。

圖2 6箱劈模的造型工藝

2.1.1 澆注時間t的計算

通常是根據生產經驗確定澆注時間t，澆注時間t是澆注鑄件的質量控制標準之一,對于中、大件及薄壁鑄件尤其重要。澆注時間合理的話，能順利排出鑄型內的氣體，鑄型不易被沖壞，澆不滿的情況也可避免。對于鑄件質量大于4 000 kg的球墨鑄鐵鑄件，在澆注系統設計時常用澆注時間t的計算采取如下公式:

2.1.2 澆注溫度T的確定

大型樹脂砂球墨鑄鐵件,澆注溫度過高的話鑄件收縮嚴重,容易產生縮孔、縮松及粘砂（包括化學粘砂和物理粘砂）傾向。合理選擇澆注溫度有利于保證鑄件的質量，我們在綜合考慮各種影響因素后，最終確定了這種機體的澆注溫度為T=1 330～1 340℃。該溫度還有利于減輕鐵液球化衰退，在型芯砂強度下降前結殼凝固，在凝固后期的膨脹補縮。這一澆注溫度效果通過現場生產實踐證明是比較理想的。

2.1.3 內澆口截面積F內的計算

按照流體力學原理，澆注系統可以近似看成是一個液體流動的管道，把鐵液作為流體，則F內=G/；結合澆注位置、鑄件結構及澆口箱尺寸確定：H0=1 m=100 cm；P=40 cm；C=110 cm。

內澆口采用在大缸芯內埋陶瓷管的方法，?25 mm內徑，每個砂芯埋2道，8個芯合計16道內澆口，分散引入。

2.1.4 澆注系統各組員截面積的確定

大型鑄件的澆注，現在大部分采用兩道直澆口的閘門柱塞式澆口箱，類似于漏包，有利于提高充型壓頭和撇渣等。結合機體的結構特點，我們在查閱大量相關資料后，采用開放式澆注系統，各組員間比例為:F直∶F橫∶F內=1∶1.1∶1.3；所以 F直=60.8 cm2、F橫=66.8 cm2、F內=79 cm2。在快速澆注的基礎上，使金屬液平穩的在型腔內充填是此澆注系統的優點。

2.1.5 冒口與冷鐵的設計

球墨鑄鐵在共晶轉變中析出的石墨會使體積膨脹。大量的實驗表明，球墨鑄鐵本身的化學成分、鑄件大小和鑄型性質都影響著共晶膨脹量。球墨鑄鐵凝固時的共晶膨脹力經測定可達5.7～10個大氣壓。若外型剛度大，共晶膨脹向內部發展，補充晶間空隙，可實現自補縮，減少縮松。此鑄件的材質為球墨鑄鐵，無特大熱節，而且樹脂砂型強度遠遠大于潮模砂，硬化后可達到1.0～1.5 MPa，壁厚均勻，型腔強度基本得到滿足。

該件為大型球鐵件，為了實現無冒口鑄造，澆注系統設計應符合同時凝固原則，能大量地輸送鐵液，使鑄件溫度分布均勻，減小不同充型部位的溫差。只考慮在個別的厚大及重要位置，使用冷鐵，調節溫度場。最后根據機體結構的特殊性，選擇在機體上端面，每個筋板上方安置?30 mm的出氣冒口，以保證型腔內的氣體及燃燒產生的氣體能夠順利排出，并且在冒口上部開設溢溜槽，在鐵液充滿冒口時，將冒口中較冷的鐵液排出。

由于機體主軸承座部分為厚大部分（厚度大于90 mm），設計要求在其兩側鉆孔，要求內部組織致密，為保證內在質量，我們決定同時采用同材質的鐵冷鐵，預埋在砂芯中作為外冷鐵，強制鐵液在主軸承座局部區域內按糊狀凝固方式進行凝固。此工藝使得厚大部分的縮松、縮孔傾向減少，保證了主軸承座內部組織的致密性。

2.2 計算機輔助生產

針對機體砂芯相對位置尺寸精度要求高，傳統手工制作鑄造模具精度低，復雜三維曲面模具制作時極為困難等問題，采用了CAD/CAM技術進行機體模具設計與制作。應用Pro/E軟件高級建模和加工編程技術進行芯盒模具設計和加工編程，在此基礎上，使用五軸數控加工中心對芯盒進行數控加工。生產實踐證明，經機加工的芯盒尺寸精度遠高于手工制作，為機體整體尺寸達到CT10級提供了必要條件。

工藝方案確定后，我們采用MAGMA軟件對確定的機體工藝進行模擬分析，鐵液流動見圖3和圖4，鐵液凝固情況見圖5和圖6。澆注系統采用底注式澆注，因此從流動的狀態來看，金屬液從鑄件的底面平穩地上升，特別是在澆注位置的下部，油管、空氣腔、水腔三部位重疊區域，結構復雜，金屬液沒有直流通道。但因為內澆口布置比較合理，流動狀態（60%以前）十分平穩，沒有紊亂流動的跡象,所以就避免了氣孔、冷隔紋等鑄造缺陷的出現。上半部分流動通道暢通，金屬液填充得更加穩定。由機體凝固過程中不同時段的溫度場我們可看到，機體的凝固在整體上是由下到上的順序凝固，而在個別厚大位置是糊狀凝固。在橫拉螺栓與輔板和拉筋的三維交叉點中心，以及其他若干有縮松傾向的位置，增加隨型冷鐵，再次模擬分析，無明顯的缺陷存在。

圖3 機體流動90%

圖4 機體流動100%

圖5 機體凝固75%

圖6 機體凝固100%

3 熔煉工藝的確定

3.1 爐料的選用

選用國內較好的本溪生鐵，干擾元素較少，錳、磷、硫含量低，鐵液熔煉生鐵選用標準：w(Mn)≤0.3%,w(S)≤0.03%，w(P)≤0.07%；回爐料選用球墨鑄鐵舊料，廢鋼選用碳素鋼，銹蝕厚度不得超過1 mm。

3.2 鐵液化學成分的控制

碳：碳促進石墨化，減小白口傾向，減少滲碳體、珠光體、三元磷共晶含量，增加鐵素體含量，但含碳量過高易引起石墨漂浮、惡化力學性能的問題。

硅：硅明顯促進石墨化，但硅含量過高增加脆性，降低延伸率，降低常溫沖擊韌度，提高脆性轉變溫度，硅量要控制在一個較低的水平。

錳：錳量增大能引起珠光體含量增多，使韌性降低，沖擊韌度降低，含量越低越好。

磷、硫：都是有害元素，磷量過高惡化力學性能，強烈降低沖擊韌度，尤其是低溫韌性，硫量消耗稀土和鎂量，產生夾渣，含量越低越好。

銅：銅固溶強化鐵素體，少量的銅主要作用是提高基體組織的致密性，改善熱處理狀態的沖擊韌度，明顯改善斷面組織均勻性。

殘留稀土和鎂量：含量越高，縮松傾向和夾渣缺陷越大，所以在保證球化效果的前提下，盡量降低殘留稀土和鎂的含量。

根據以上化學成分的影響綜合考慮，化學成分設定在以下范圍內：w(C):3.65%～3.75%，w(Si):2.5%～2.65%，w(Mn)＜0.3%，w(S)≤0.025%，w(P)≤0.10%，w(Cu)：0.15%～0.25%，w（RE）：0.02%～0.05%，w（Mg）：0.03%～0.06%。

3.3 球化和孕育處理

生產高韌性球墨鑄鐵，球化劑和孕育劑的選用及處理方式起到很大的作用。球化劑選用稀土鎂球化劑（Mg含量在7%左右，RE含量在3%左右，Si含量在40%左右），加入量在1.2%～1.3%，球化處理方式采用普通沖入法，選用堤壩式鐵液包，在堤壩的一側加入球化劑并壓緊。孕育劑選用兩種：硅鐵（w(Si):75%左右）和硅鋇復合孕育劑，硅鐵孕育劑加在鐵液包內，覆蓋在球化劑上面，加入量為0.7%～0.9%，硅鋇復合孕育劑進行多次孕育使用，在包內加1/2，在鐵液反應結束后加1/4，在澆注之前在水口箱中加1/4，總加入量為0.4%～0.6%。經過球化和多次孕育處理，使球墨鑄鐵的延伸率穩定提高。

4 熱處理

鑄態下的試塊經檢測，達不到材質要求，所以我們采用高溫退火的熱處理方式。高溫退火熱處理的目的是獲得沒有碳化物的鐵素體組織，消除鑄件中的殘余應力，獲得所要求的機械性能。熱處理曲線見圖7。

圖7 熱處理曲線

5 檢測結果、結論

經檢驗,鑄件外觀表面質量良好,內部質量優良,重要位置和厚大部分均無超限縮孔縮松現象；鑄件質量偏差也符合GB/T11351—1989的標準要求。整臺機體的尺寸公差達到了GB6414—1986中的CT10，鑄造工藝中給定的加工量完全能夠滿足加工要求。

5.1 力學性能及金相組織

按照規定的熔煉工藝要求進行操作，澆注的前五臺機體本體試塊經熱處理后的力學性能及金相組織見表2。

表2 本體試塊經熱處理后的力學性能及金相組

根據統計表看出,前五臺機體的力學性能及金相組織均達到或超過設計要求（QT420-12），完全達到了預計效果，滿足使用要求。

5.2 無損探傷

鑄件在毛坯狀態進行了超聲波檢測，粗加工后進行了磁粉和著色檢測；全部加工完成后進行了射線探傷和水壓試驗。經檢測完全達到驗收標準。

5.3 結論

根據鑄件的實際生產情況及檢測結果，說明在工藝設計過程中所確定的各種參數，工藝方法是完全符合生產與設計要求的。

[1]中國工程機械學會鑄造分會.鑄造手冊（第1卷）:鑄鐵[M].北京:機械工業出版社,2003.

[2]陳琦,彭兆第.鑄件配料手冊[M].北京:機械工業出版社,2001.

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