何輝，王建榮，楊儉

（中車戚墅堰機(jī)車有限公司，江蘇常州 213011）

某公司生產(chǎn)的大型柴油機(jī)機(jī)體自試驗(yàn)開始至批量生產(chǎn)的較長時(shí)期，在鑄件厚大部位的氣缸蓋螺栓孔內(nèi)發(fā)現(xiàn)有孔洞缺陷，在此其間，為防止缺陷產(chǎn)生采取了改進(jìn)澆注系統(tǒng)、控制澆注溫度等一系列工藝措施，但始終未能消除，造成多個(gè)機(jī)體在機(jī)加工后報(bào)廢。

1 產(chǎn)品結(jié)構(gòu)和生產(chǎn)工藝

柴油機(jī)機(jī)體材料為QT500-7，鑄件輪廓尺寸3940mm×1462mm×1297mm，重量8.5t。機(jī)體澆注位置為氣缸平面朝下、油底殼安裝面朝上；鑄型（芯）開始階段為粘土砂型，2000年改為樹脂砂；鑄造方法為劈箱造型，砂型分為上型、下型、左側(cè)型、右側(cè)型和前、后端型六個(gè)砂型；澆注系統(tǒng)最初為鐵液從主軸承座上方引入的頂注式澆注系統(tǒng)（圖1）；在主軸承和氣缸蓋螺孔等厚實(shí)部位設(shè)置內(nèi)冷鐵（圖2）。

2 缺陷的分布和形貌

氣缸蓋螺栓孔部位結(jié)構(gòu)為在?90mm圓柱體中心加工緊固氣缸蓋的螺孔，孔的構(gòu)成是上部為?52mm×55mm的光孔，下部M48×90mm的螺孔（圖3）?？锥慈毕荽蠖喟l(fā)生于螺紋的前幾牙，少量出現(xiàn)在螺紋中部；缺陷為分散點(diǎn)狀，造成螺紋斷牙和缺牙（圖4）；在機(jī)體64個(gè)氣缸蓋螺栓孔內(nèi)均發(fā)生過缺陷，曾經(jīng)在機(jī)加工前對(duì)氣缸蓋螺栓孔部位進(jìn)行超聲波檢查，判定52個(gè)螺栓孔內(nèi)有縮松，說明幾乎所有螺栓孔均會(huì)產(chǎn)生缺陷，只是因?yàn)榇蟛糠治挥跓峁?jié)中心的缺陷已在機(jī)加工鉆孔時(shí)去除。

圖1 機(jī)體澆注工藝簡圖

圖2 機(jī)體內(nèi)冷鐵設(shè)置

圖3 機(jī)體氣缸蓋螺栓孔結(jié)構(gòu)

圖4 氣缸蓋螺栓孔內(nèi)缺陷

3 缺陷分析

該缺陷之所以在長時(shí)間多次發(fā)生后才得到有效控制，主要是前期對(duì)球墨鑄鐵的收縮特性認(rèn)識(shí)不足，對(duì)缺陷的性質(zhì)判斷不準(zhǔn)確。

3.1 第一階段

缺陷發(fā)現(xiàn)初期分析認(rèn)為對(duì)熱節(jié)已采取內(nèi)冷鐵激冷，不可能產(chǎn)生收縮虧欠性缺陷，認(rèn)定缺陷為氧化夾渣。產(chǎn)生原因是頂注式澆注系統(tǒng)的飛濺氧化鐵液與生銹的冷鐵產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)，即因飛濺氧化的鐵液在上升過程遇到生銹的冷鐵發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，產(chǎn)生氧化夾雜物，傾斜的冷鐵阻擋夾雜物的上升，在冷鐵周圍集聚形成缺陷。采取的改進(jìn)措施是澆注系統(tǒng)由頂注式改為直澆道穿過缸孔芯，進(jìn)入下型再返入型腔的底注式（圖5），并取消內(nèi)冷鐵，缺陷沒有得到消除。

圖5 底注式澆注系統(tǒng)

3.2 第二階段

依據(jù)缺陷具有較光滑的氣孔特征，認(rèn)為缺陷主要原因是氣體侵入，分別采取了改進(jìn)烘烤工藝、增加砂芯及型腔排氣、增加澆注溫度等措施，結(jié)果缺陷發(fā)生概率和嚴(yán)重程度均未改善，且在提高澆注溫度時(shí)缺陷有增加趨勢。

3.3 第三階段

進(jìn)一步對(duì)缺陷部位結(jié)構(gòu)、產(chǎn)生規(guī)律等進(jìn)行統(tǒng)計(jì)和分析，總結(jié)如下：

（1）由圖3可以看出氣缸蓋螺栓孔的部位壁厚較厚，在鑄件中成為孤立熱節(jié)，加上側(cè)面多條立壁的連接，影響了金屬液的散熱，鑄件凝固時(shí)該部位較周邊其他部位凝固時(shí)間長，容易產(chǎn)生收縮虧欠類缺陷。

（2）粘土砂型（芯）改呋喃樹脂自硬砂后缺陷發(fā)生概率增高，因?yàn)闈沧⒑髽渲紵l(fā)熱延長鑄件的凝固時(shí)間，所以樹脂自硬砂型（芯）較粘土砂型（芯）的凝固時(shí)間長，相當(dāng)于氣缸蓋螺栓孔部位壁厚增加。

（3）增加澆注溫度，缺陷發(fā)生概率和缺陷嚴(yán)重程度同時(shí)增加。

（4）頂注和底注式澆注系統(tǒng)對(duì)缺陷發(fā)生沒有影響。

綜合以上特點(diǎn)分析，缺陷發(fā)生于鑄件最后凝固的熱節(jié)處，且凡是延長凝固時(shí)間的因素均會(huì)使缺陷產(chǎn)生機(jī)率增加。初始工藝中雖然在熱節(jié)中心設(shè)置了內(nèi)冷鐵，但由于冷鐵尺寸偏小、球墨鑄鐵凝固時(shí)間長，鑄件澆注至凝固期間熱量的傳遞，使冷鐵與鐵液溫度已基本相近，形成的激冷能力較小，基本失去消除縮孔缺陷的能力。所以，缺陷是由收縮沒有得到補(bǔ)充造成的，而內(nèi)部的氣孔特征是由于在鑄件內(nèi)部形成縮孔的同時(shí)，縮孔周圍產(chǎn)生一定的負(fù)壓，使氣體在金屬液中的溶解度下降，溶解于金屬液中的氣體析出進(jìn)入縮孔并將縮孔擴(kuò)大。因此，缺陷性質(zhì)是一種縮孔在前、氣孔在后的氣縮孔缺陷。

4 改進(jìn)措施和效果

針對(duì)熱節(jié)部位凝固時(shí)間長，防止縮孔縮松缺陷的主要措施是加快熱節(jié)部位的冷卻速度，即氣缸蓋螺栓孔平面和氣缸孔內(nèi)的搭子外圓設(shè)置外冷鐵，冷鐵按式（1）確定。

式中W——冷鐵重量（g）；

Vo——應(yīng)安放冷鐵部位體積（cm3）；

Mo——應(yīng)安放冷鐵部位模數(shù)（cm2）；

Mr——安放冷鐵后的模數(shù)（cm2）。

其中應(yīng)安放冷鐵部位體積Vo=1140cm3；通過計(jì)算并考慮側(cè)面連接板影響鑄件冷卻，應(yīng)安放冷鐵部位模數(shù)Mo=2.5cm；安放冷鐵后應(yīng)保證熱節(jié)在周圍大體凝固完了時(shí),熱節(jié)處殘留金屬液必須小于30%，確定設(shè)計(jì)冷鐵后的模數(shù)為周邊壁的1.1倍，Mr=1×1.1=1.1（cm）；W=10.3×1140×（2.5－1.1）/2.35=6849（g）。

圖6 熱節(jié)部位外冷鐵

依據(jù)以上計(jì)算確定在鑄件底部設(shè)置?90×80mm外冷鐵，側(cè)面設(shè)置厚度為55mm的成形外冷鐵（圖6）。

氣缸蓋螺栓孔部位設(shè)置外冷鐵后，加快了該部位的冷卻速度，基本消除了局部熱節(jié)，生產(chǎn)至今未出現(xiàn)過相同缺陷。

5 結(jié)論

機(jī)體氣缸蓋螺栓孔部位的孔洞缺陷性質(zhì)是收縮得不到補(bǔ)充形成的縮孔，通過設(shè)置外冷鐵，平衡了鑄件壁厚，消除了鑄件局部熱節(jié)，有效防止了缺陷的產(chǎn)生。