姬愛(ài)青，譚傳寶，劉 斌，董志鵬，馬素娟，秦 鵬

（1.濰柴重機(jī)股份有限公司，山東濰坊 261108；2.濰柴動(dòng)力股份有限公司，山東濰坊 261108）

某12缸V型柴油機(jī)氣缸體具有壁薄、筋多、結(jié)構(gòu)復(fù)雜的特點(diǎn)。在氣缸體毛坯樣件試制過(guò)程中，主要存在的問(wèn)題是水腔通道內(nèi)腔脈紋和挺桿內(nèi)腔裂紋，嚴(yán)重影響鑄件質(zhì)量。從產(chǎn)品結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和整個(gè)工藝流程著手，采取多項(xiàng)措施，經(jīng)過(guò)三個(gè)月的時(shí)間，徹底消除了鑄件內(nèi)腔脈紋、裂紋問(wèn)題。

1 氣缸體簡(jiǎn)介

氣缸體三維及內(nèi)腔結(jié)構(gòu)如圖1所示。氣缸體結(jié)構(gòu)為12缸V型結(jié)構(gòu)，V型夾角90°，缸距230 mm，兩側(cè)面集成進(jìn)水道，主要壁厚為10 mm；氣缸體基本尺寸：1 505 mm×898 mm×656 mm；鑄件重量約1 080 kg；材料為HT280.

2 氣缸體原鑄造工藝存在問(wèn)題及分析

該氣缸體鑄造工藝為堿性樹(shù)脂自硬砂造型、三乙胺冷芯盒制芯、整體組芯、立澆底注半封閉式澆注系統(tǒng)、澆注溫度1 380℃～1 400℃.鑄件在樣件試制、生產(chǎn)過(guò)程中，主要存在挺桿內(nèi)腔粘砂、脈紋、裂紋缺陷。

圖1 氣缸體結(jié)構(gòu)圖

2.1 挺桿內(nèi)腔粘砂、脈紋

粘砂、脈紋缺陷主要出現(xiàn)在左右側(cè)水腔通道內(nèi)腔以及挺桿室內(nèi)腔，如圖2所示。

圖2 解剖后內(nèi)腔脈紋情況

分析原因?yàn)椋豪湫竞兄菩居蒙盀樘烊还枭?，鑄件澆注過(guò)程中砂芯在高溫鐵液澆鑄充型過(guò)程中砂芯表面突然受到高溫液態(tài)金屬的接觸、烘烤，產(chǎn)生如下變化：

1）砂芯表層的石英砂將產(chǎn)生α-β的相變，引起體積膨脹；

2）樹(shù)脂黏結(jié)劑燃燒和分解產(chǎn)生氣體，由于黏結(jié)劑的燃燒分解而降低鑄型強(qiáng)度。

砂芯表面的變化不僅使砂芯表面產(chǎn)生許多細(xì)小網(wǎng)狀縫隙并使砂芯表層的涂料隨之產(chǎn)生裂縫，由于鐵水在未凝固之前砂芯表面就形成縫隙，鐵水也隨之滲入砂芯裂縫，所以鐵水最終凝固后，鑄件內(nèi)腔表面將出現(xiàn)許多網(wǎng)狀缺陷，俗稱(chēng)脈紋[1]。

2.2 挺桿內(nèi)腔裂紋

裂紋缺陷主要出現(xiàn)在缸孔之間的串水孔頂部圓角處，裂紋從圓角處產(chǎn)生，沿缸孔中心方向向上延伸，外形曲折，長(zhǎng)度有5 mm到60 mm不等，裂口的內(nèi)壁呈黑的氧化色，表面不光滑，如圖3所示。

圖3 裂紋位置及形態(tài)示意圖

分析原因?yàn)椋簹飧左w缸孔之間的串水孔處兩側(cè)厚大，中間壁薄，成啞鈴狀結(jié)構(gòu)，如圖4所示。凝固過(guò)程中，溫差較大，中間壁薄位置先凝固，兩側(cè)厚大部位后凝固產(chǎn)生較大的拉應(yīng)力，將中間薄壁位置拉裂[6]。

3 改進(jìn)措施及驗(yàn)證效果

3.1 水腔通道及挺桿內(nèi)腔粘砂、脈紋的解決

根據(jù)脈紋產(chǎn)生的原因，對(duì)于解決脈紋缺陷主要采取以下三種措施。

圖4 裂紋位置剖面示意圖

3.1.1 使用高強(qiáng)度樹(shù)脂

高強(qiáng)度樹(shù)脂主要優(yōu)點(diǎn)：1）強(qiáng)度高，適合于制造復(fù)雜的砂芯；2）減少鑄造缺陷，改善表面光潔度；3）硬化后開(kāi)模，尺寸精度高。使用高強(qiáng)度的樹(shù)脂，提高砂芯的強(qiáng)度，從而可減輕或防止脈紋的產(chǎn)生。

3.1.2 使用杜倫斯防脈紋涂料

氣缸體結(jié)構(gòu)復(fù)雜，內(nèi)腔清理難度較大，為了保證內(nèi)腔質(zhì)量，選擇杜倫斯防脈紋涂料。高溫鐵水進(jìn)入鑄型時(shí)，涂料在砂芯（型）表面形成燒結(jié)層，能緩沖或抵消硅砂熱膨脹產(chǎn)生應(yīng)力，而涂料中高導(dǎo)熱性組分，能有助于金屬液的快速凝固，因此可起到較好的防脈紋作用[5]。

3.1.3 使用陶瓷砂、焙燒砂制芯工藝

陶瓷砂是人工燒制的陶瓷球形顆粒。最早由美國(guó)的Carb Ceramics公司于20世紀(jì)80年代研制問(wèn)世，90年代美國(guó)和日本先后將其應(yīng)用于鑄造行業(yè)，作為鋯英砂的替代品。陶瓷砂具有以下優(yōu)異的性能：1）顆粒為球形，流動(dòng)性好，易于緊實(shí)；2）熱膨脹系數(shù)??；3）耐火度高、透氣性好、易于潰散；4）回用再生性能好，性?xún)r(jià)比高[2]。

焙燒砂是將擦洗砂加熱到870℃以上，并具有一定的保溫時(shí)間，使硅砂充分膨脹實(shí)現(xiàn)相變，因此焙燒砂又稱(chēng)相變砂[3]。經(jīng)相變處理后，不僅使膨脹率大幅下降，而且砂粒中的結(jié)晶水、有機(jī)污染物、碳酸鹽、氧化物等經(jīng)高溫焙燒后被大量清除，因此焙燒砂與擦洗砂相比不僅酸耗值低、灼減量和發(fā)氣量低，含泥量少，更主要的是膨脹率低。不僅能夠減少黏結(jié)劑加入量，更能有效防止鑄件產(chǎn)生熱裂、粘砂等缺陷，提高鑄件精度?？缮a(chǎn)鑄鋼件、鑄鐵件和非鐵合金鑄件。

陶瓷砂、焙燒砂兩者都具有熱膨脹系數(shù)低、耐高溫，兩者按照質(zhì)量比1：1的配比混砂，可更好地減輕或防止脈紋的產(chǎn)生[4]。

3.2 鑄件挺桿內(nèi)腔裂紋的解決

經(jīng)過(guò)對(duì)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，主要采取以下措施解決串水孔裂紋：

1）串水孔周邊增加一定高度的加強(qiáng)筋，如圖5所示。

圖5 串水孔結(jié)構(gòu)更改前后示意圖

2）缸孔之間壁厚d增大至一定值，如圖6所示。

圖6 缸孔壁厚更改示意圖

3.3 驗(yàn)證效果

1）經(jīng)過(guò)生產(chǎn)驗(yàn)證，采取上述措施驗(yàn)證后，博杜安氣缸體鑄件的脈紋缺陷已消除。

2）根據(jù)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)修改，對(duì)大缸芯冷芯盒結(jié)構(gòu)進(jìn)行了修改，經(jīng)過(guò)生產(chǎn)驗(yàn)證，缸孔串水孔裂紋缺陷得到了徹底解決。

圖7為采取措施前后機(jī)體內(nèi)腔解剖圖。

圖7 機(jī)體解剖內(nèi)腔示意圖

4 結(jié)論

1）實(shí)踐證明，解決脈紋缺陷，可以從砂芯原材料、涂料入手，選擇低膨脹系數(shù)芯砂、選擇防脈紋涂料。

2）陶瓷砂焙燒砂工藝比硅砂有獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)，應(yīng)用前景廣泛。