張玉娟，邢　偉，臧加倫（. 濰柴重機(jī)濱海鑄造廠，山東濰坊 608；. 濰柴動(dòng)力股份有限公司，山東濰坊 606）

CW250機(jī)體臥澆氣孔缺陷解決措施探討

張玉娟1，邢偉1，臧加倫2
（1. 濰柴重機(jī)濱海鑄造廠，山東濰坊 261108；2. 濰柴動(dòng)力股份有限公司，山東濰坊 261061）

分析了CW250機(jī)體鑄件在濰柴重機(jī)濱海鑄造廠大批量生產(chǎn)過(guò)程中，機(jī)體上平面產(chǎn)生氣孔缺陷的原因，總結(jié)了在生產(chǎn)實(shí)踐中解決氣孔缺陷所采取的工藝措施和取得的效果。

機(jī)體；鑄造缺陷；氣孔；砂芯排氣

1　CW250機(jī)體工藝簡(jiǎn)述

大型柴油機(jī)主要用來(lái)提供船機(jī)引擎的動(dòng)力，近年來(lái)，隨著海上競(jìng)爭(zhēng)趨向激烈，國(guó)內(nèi)外大型柴油機(jī)的發(fā)展較為迅速，對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量的要求也越來(lái)越高。大型鑄件的生產(chǎn)相對(duì)于中小型鑄件面臨更多復(fù)雜的技術(shù)難題，工藝必須更加符合本單位的生產(chǎn)條件和原輔材料要求。

機(jī)體是柴油機(jī)的關(guān)鍵零部件，結(jié)構(gòu)復(fù)雜、重量大，質(zhì)量的好壞直接影響到柴油機(jī)的使用性能和生產(chǎn)成本。濰柴重機(jī)濱海鑄造廠生產(chǎn)的CW250機(jī)體鑄件包括6缸和8缸兩種機(jī)型，材質(zhì)為HT250，是濱海鑄造廠最大噸位的灰鐵件，6缸機(jī)體毛坯質(zhì)量4.5 t，8缸機(jī)體毛坯質(zhì)量5.7 t，最大外形尺寸為3 510 mm×1 421 mm×1 060 mm。毛坯生產(chǎn)采用堿性酚醛樹(shù)脂自硬砂工藝，1～2箱/天，共有21種65顆砂芯，均為手工制芯，其中大缸芯由兩半分別制芯，然后組合成一顆整體大缸芯。自硬砂造型，醇基涂料刷涂，天然氣表干，人工研箱，鑄型傾斜5°，澆口箱拔塞澆注，澆注溫度控制在1 375～1 385 ℃，澆注6缸機(jī)體和8缸機(jī)體分別用時(shí)70 s和90 s左右，澆注6缸和8缸機(jī)體分別96 h和120 h后開(kāi)箱落砂，進(jìn)行粗清。

其工藝簡(jiǎn)圖如圖1所示。

圖1　CW250機(jī)體臥澆工藝簡(jiǎn)圖

2　氣孔缺陷特征及原因分析

氣孔是氣體聚集在鑄件表面和內(nèi)部而形成的孔洞，其形狀、大小、位置不一，孔壁光滑，帶氧化色彩。氣孔是機(jī)體臥澆工藝生產(chǎn)中最常見(jiàn)，同時(shí)也是很難徹底消除的一種缺陷。

氣孔有各種類型，產(chǎn)生的原因各不相同，按氣體的來(lái)源不同大致可分為侵入性氣孔、反應(yīng)性氣孔和析出性氣孔。侵入性氣孔是由于澆注過(guò)程中金屬液對(duì)鑄型激烈的熱作用，使型砂和型芯中的發(fā)氣物（水分、樹(shù)脂、粘結(jié)劑等）氣化、分解和燃燒，生成大量氣體，浸入金屬液內(nèi)部所產(chǎn)生的孔洞。

2.1機(jī)體氣孔缺陷特征

CW250機(jī)體自2013年12月在濱海鑄造廠大批量生產(chǎn)以來(lái)，氣孔成為機(jī)體生產(chǎn)中最主要的缺陷，占缺陷的85%以上。氣孔往往在粗清拋丸時(shí)不易發(fā)現(xiàn)，在精拋時(shí)才出現(xiàn)，造成較大的經(jīng)濟(jì)損失，對(duì)鑄件的質(zhì)量也有很大的危害。根據(jù)CW250機(jī)體的氣孔缺陷特征（見(jiàn)圖2所示），可以判斷屬于典型的侵入性氣孔。

圖2　機(jī)體上平面氣孔缺陷特征

2.2氣孔產(chǎn)生原因分析

氣孔缺陷的產(chǎn)生是多種原因相互作用的結(jié)果，通過(guò)對(duì)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)和鑄造工藝及工序過(guò)程的分析，總結(jié)了CW250機(jī)體產(chǎn)生氣孔缺陷的原因，主要有以下幾方面：

（1）機(jī)體自身結(jié)構(gòu)和工藝特點(diǎn)

CW250機(jī)體采用臥澆，排氣側(cè)在上型，缸筒端墊高5°，鐵液從油底殼端引入（見(jiàn)圖3）。由于排氣側(cè)水腔和氣腔處是壁厚（12 mm）相對(duì)較薄的非加工大平面，且處在充型的最末端，充型到此處時(shí)鐵液溫度已較低，靠近型芯表面的鐵液會(huì)較快凝固，使侵入的氣體沒(méi)有充分的時(shí)間從金屬液中上浮和排出，從而形成氣孔。

圖3　機(jī)體結(jié)構(gòu)示意圖

（2）樹(shù)脂加入量對(duì)氣孔缺陷的影響

樹(shù)脂和固化劑加入量的多少對(duì)氣孔缺陷的產(chǎn)生也有較大影響。樹(shù)脂和固化劑在澆注過(guò)程中會(huì)分解燃燒產(chǎn)生大量氣體，加入量過(guò)高會(huì)引起型、芯的發(fā)氣量增加，若不能及時(shí)排出型外，就會(huì)增大產(chǎn)生氣孔的傾向。

（3）砂芯排氣的影響

由于鑄件的生產(chǎn)使用了大量的芯子，其中生產(chǎn)8缸機(jī)體每臺(tái)需要砂芯材料約達(dá)6.97 t，芯子的排氣問(wèn)題成為影響機(jī)體質(zhì)量的一個(gè)重要因素。在澆注過(guò)程中，芯子的絕大部分均被鐵液包圍，特別是氣腔芯和水腔芯，只有幾處小的芯頭排氣，大量的砂芯氣體不能夠順利排出。

（4）澆注溫度等其它因素

（a）控制最佳的澆注溫度范圍，保證在不粘砂的前提下，適當(dāng)提高澆注溫度；

（b）合理的砂型、砂芯的表干次數(shù)與時(shí)間；

（c）保證砂型氣眼位置的合理及暢通。

3　解決氣孔缺陷的措施

只有滿足P氣（金屬液和砂芯砂型界面的氣體壓力）＞P液（金屬液靜壓力）+P阻（金屬液表面張力引起的阻力）+P腔（型腔中金屬液面上升的氣體壓力）的條件下，才會(huì)產(chǎn)生侵入性氣孔。由于CW250機(jī)體鑄件質(zhì)量大、澆注時(shí)間長(zhǎng)，澆注時(shí)型（芯）砂在金屬液的熱作用下產(chǎn)生了大量氣體，使金屬液和砂型界面上的氣體壓力驟然增加，氣體可能浸入金屬液，也可能從砂隙或氣眼中排除型外。因此減少氣孔缺陷的最有效方法，即采取一切措施降低金屬液和砂型（芯）界面的氣體壓力P氣。針對(duì)影響P氣的因素，我們從生產(chǎn)全過(guò)程進(jìn)行了工藝優(yōu)化及改進(jìn)，主要采取的工藝措施有以下幾個(gè)方面。

3.1鑄造工藝的優(yōu)化改進(jìn)

根據(jù)鑄件自身的結(jié)構(gòu)、原工藝的特點(diǎn)以及對(duì)產(chǎn)生氣孔缺陷位置的跟蹤分析，我們?cè)诋a(chǎn)生氣孔缺陷較為集中的部位，增加出氣扁冒口（見(jiàn)圖4）。當(dāng)鐵液未充型到此部位時(shí)起排氣作用，可加快型內(nèi)氣體的排除；當(dāng)鐵液充型到此部位時(shí)起溢流冒口的作用，將較早進(jìn)入型腔的低溫鐵液和氣體溢出，減少氣孔缺陷的發(fā)生。我們對(duì)此工藝先進(jìn)行了模擬驗(yàn)證，從模擬結(jié)果可以看出增設(shè)扁冒口后裹氣現(xiàn)象明顯減輕（見(jiàn)圖5），將此工藝措施應(yīng)用于生產(chǎn)實(shí)踐后，取得了明顯的效果。

圖4　增加扁冒口前后工藝對(duì)比示意圖

圖5　模擬結(jié)果對(duì)比示意圖

為了更有利于氣體的排出，我們實(shí)驗(yàn)改進(jìn)了澆注的傾斜角度，制作了專用墊鐵，由原來(lái)的傾斜5°增加到6°，同時(shí)假箱高度由130 mm改為180 mm，增加了壓頭高度。

3.2合理控制樹(shù)脂加入量

樹(shù)脂砂的強(qiáng)度隨樹(shù)脂的加入量增加而提高，但樹(shù)脂加入量超過(guò)一定限度后，強(qiáng)度進(jìn)一步提高不明顯，反而會(huì)造成發(fā)氣量增大、潰散性差、成本增加等危害，因此合理控制樹(shù)脂加入量非常重要。

根據(jù)CW250臥澆機(jī)體的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，其中凸輪軸腔芯、氣腔芯、水腔芯、主油道芯是整體的長(zhǎng)砂芯，最長(zhǎng)砂芯＞3 000 mm，要求強(qiáng)度較高，而其它砂芯強(qiáng)度可低一些。對(duì)于此類長(zhǎng)的大型砂芯，我廠堿性酚醛樹(shù)脂砂工藝從未生產(chǎn)過(guò)，沒(méi)有經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)可參考，樹(shù)脂砂最佳性能的樹(shù)脂加入量十分關(guān)鍵，需要一定時(shí)間實(shí)踐的跟蹤檢驗(yàn)。經(jīng)過(guò)一段時(shí)間的摸索，我們制定了比較合理的型芯砂性能要求（見(jiàn)表1）。

表1　型芯砂性能要求

3.1加強(qiáng)砂芯排氣

機(jī)體生產(chǎn)使用了大量砂芯，砂芯的排氣是否暢通是氣孔缺陷產(chǎn)生的關(guān)鍵因素，我們對(duì)各種砂芯的排氣系統(tǒng)進(jìn)行了分析和改進(jìn)。

（1）大缸芯的排氣系統(tǒng)改進(jìn)

大缸芯的排氣原先是通過(guò)內(nèi)部加入的￠40 mm芯骨及兩半砂芯中間的一道排氣槽實(shí)現(xiàn)的。為防止?jié)沧㈣F液鉆入芯骨，造成芯骨報(bào)廢，研箱時(shí)將芯骨兩端用砂子堵住，這阻礙了砂芯氣體的排出。經(jīng)過(guò)跟蹤，缸筒端芯骨鉆鐵液的幾率非常小，因此我們對(duì)缸芯的排氣系統(tǒng)進(jìn)行了改進(jìn)（見(jiàn)圖6、7），加強(qiáng)了缸芯的排氣，取得了較理想的效果。

圖6　排氣道改進(jìn)前后對(duì)比示意圖

圖7　芯骨改進(jìn)前后排氣對(duì)比

（2）加強(qiáng)氣腔芯排氣

通過(guò)對(duì)缺陷位置的統(tǒng)計(jì)，氣孔基本都出現(xiàn)在機(jī)體上平面的氣腔芯上部中間窗口的兩側(cè)。原先氣腔芯的排氣是通過(guò)砂芯中間￠80 mm的芯骨上鉆出氣孔，氣體通過(guò)3個(gè)窗口處排氣孔和相通的上型氣眼排出型外。

經(jīng)過(guò)跟蹤研箱和打箱情況，我們發(fā)現(xiàn)氣腔芯由于較長(zhǎng)，中間易向下彎曲，給封箱造成一定困難，砂箱封不好就易鉆氣眼，芯骨進(jìn)鐵液，而芯骨進(jìn)鐵液的鑄件，往往氣孔缺陷較嚴(yán)重。我們對(duì)氣腔芯排氣進(jìn)行了改進(jìn)，將芯骨端面通開(kāi)，增加氣眼將氣腔內(nèi)氣體引出，同時(shí)加強(qiáng)封箱控制，避免封不住鐵液鉆氣眼和芯骨（見(jiàn)圖8所示）。

3.2適當(dāng)提高澆注溫度

澆注溫度也是影響氣孔缺陷的一個(gè)重要因素。鐵液澆注溫度低，凝固時(shí)間就縮短，型芯和鐵液中氣體就沒(méi)有充足時(shí)間排出型外。經(jīng)過(guò)實(shí)踐操作：將澆注溫度由原工藝的1 365～1 375 ℃，提高為1 375～1 385 ℃，并固化到作業(yè)指導(dǎo)書中。

經(jīng)過(guò)統(tǒng)計(jì)實(shí)際澆注溫度，發(fā)現(xiàn)其一般控制在1 379～1 382 ℃之間，既沒(méi)有產(chǎn)生粘砂，且有利于減少氣孔缺陷，效果較好。

3.3加強(qiáng)過(guò)程控制

CW250機(jī)體的生產(chǎn)均為手工操作，鑄件質(zhì)量受人為因素影響較大，因此加強(qiáng)過(guò)程控制對(duì)防止缺陷是十分重要的，特別是對(duì)以下關(guān)鍵工序加強(qiáng)控制：

（1）所有氣眼鉆通培好，必須保證排氣通道暢通；

（2）砂芯每遍刷涂完必須烘干，再進(jìn)行下一遍刷涂；

（3）因研箱時(shí)間較長(zhǎng)，合箱前必需對(duì)研好的下砂型進(jìn)行多次天然氣表干（每次不超過(guò)2 min），同時(shí)上砂型也要烘干，以保證既不能烤糊砂芯，又使型芯的殘留水分較低。

圖8　氣腔芯排氣改進(jìn)前后對(duì)比示意圖

4　結(jié)論

影響鑄件產(chǎn)生氣孔缺陷的因素很多，通常是多種因素相互疊加作用的結(jié)果，防止和解決缺陷的發(fā)生是一個(gè)復(fù)雜的工藝過(guò)程，必須做系統(tǒng)的調(diào)查研究。

在生產(chǎn)實(shí)踐中發(fā)現(xiàn)問(wèn)題并查找到影響因素，然后根據(jù)實(shí)際情況，以理論為依據(jù)，分析采取適當(dāng)?shù)墓に嚧胧拍苋〉美硐氲男Ч?/p>

通過(guò)上述一系列的工藝改進(jìn)和過(guò)程控制措施的實(shí)施，CW250機(jī)體氣孔缺陷率由原工藝的35%下降到9%，未再出現(xiàn)因大的氣孔缺陷而導(dǎo)致機(jī)體毛坯報(bào)廢的現(xiàn)象，大大減少了廢品損失，取得了明顯的經(jīng)濟(jì)效益。

［1］ 李晨希.鑄造工藝設(shè)計(jì)及鑄件缺陷控制［M］.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2009：275-296.

［2］ 李昂，吳密.鑄造工藝設(shè)計(jì)技術(shù)與生產(chǎn)質(zhì)量控制實(shí)用手冊(cè)［M］.北京：金版電子出版公司，2003：2668-2673.

［3］ 齊亞平，于化順，臧加倫.灰鑄鐵缸蓋氣孔缺陷的防止措施［J］.中國(guó)鑄造裝備與技術(shù)，2009（3）.

Discussion of the solutions of hole defect of the CW250 cylinder body by horizontal pouring

ZHANG Yu Juan1，XING Wei1，ZANG Jia Lun2
（1.Weichai Heavy Machinery Binhai Casting Factory，Weifang 261108，Shandong， China；2.Weichai Power Co.Ltd，Weifang 261061，Shandong， China）

The reasons which cause the hole defect on the plane of the CW250 cylinder body casting during mass production process in Weichai heavy machinery Binhai casting factory has been analyszed.Summarizes the technological measures on soluting the hole defect and the results achieved in the production practice.

Cylinder body；Casting defects；Hole defect；Sand core exhausting

TG245;

A；

1006－9658（2015）02-0030-04

10.3969/j.issn.1006—9658.2015.02.009

2014-11-08

稿件編號(hào)：1411-706

張玉娟（1965—），女，高工，從事柴油機(jī)機(jī)體缸蓋的鑄造工藝開(kāi)發(fā)工作.