一种船用柴油机气缸盖的铸造工艺探讨

张华栋 袁庆赞

摘 要：气缸盖是柴油机的关键部件之一，其结构形状复杂、壁厚不均，内部存在进/排气道、冷却水腔等结构，截面变化大。此部件的结构特点造成了先期铸造工艺制定难度大，铸件不良率高的生产现状。本文阐述的工艺方案，遵循顺序凝固原则，采用顶注侧浇方式浇注，于顶面热节位置设置发热冒口，底面燃烧室爆发面处设置冷铁，形成自下而上的温度梯度，此外配合以合适的用砂、涂料等原辅材料，最终经生产验证，此产品成品率可达90%以上，可作为稳定工艺量产。

关键词：气缸盖;铸造工艺;制芯;脉纹控制;铸件清理

1 铸造工艺制定

此缸盖铸件的轮廓尺寸为645mm*383mm*267mm，进/排气道与水腔间最小壁厚为10mm，燃烧室最大壁厚为68mm，材质为HT300。工艺制定的难点在于上下两个厚大面的缺陷防治、进/排气道及冷却水腔腔光洁度保证、坭芯强度的控制等。以下将针对上述问题进行详细探讨。

1.1 浇注系统确定

因此缸盖坭芯数量众多，冷却水腔坭芯壁厚小，遂采用顶注侧浇方式，以最大程度降低铁液对坭芯主体结构的冲刷，减少充型过程中的断芯、抬芯风险。鉴于燃烧室性能要求较高，故将其置于缺陷发生几率较低的底面浇注，并放置随形冷铁以确保型腔内铁液凝固状态。经测算，此缸盖本体加浇、冒口系统总铁液质量为200KG，且大平面朝上浇注，为避免充型过程中的卷气、夹渣，浇注系统采用半封闭式浇口，并于内浇道顶端延伸一处集渣口，另外直浇道顶端铁液进口处设置陶瓷滤网，此结构亦有稳定铁液流动状态的效用，对于控制充型过程有积极影响。

1.2 制芯方案

1.2.1 冷却水腔坭芯

冷却水腔芯结构复杂，分上下两部分，芯头支撑数量少且尺寸小，同时其结构为两侧大中间小，中间部分极易发生形变断裂。另外，冷却水腔结构较封闭，铸件出品后内部清理工作将漫长而繁琐，且腔内的脉纹和夹砂的发生倾向较大。宝珠覆膜砂具有相变倾向小、成型后强度高、退让性好等特点。参考冷却水腔的无脉纹、无夹砂，流道通畅等技术要求，选用宝珠覆膜砂为此结构的坭芯用砂，以射芯机制芯。此外，为保证此结构排气通畅，于坭芯配合面中心位置设置的5*10mm随形气道，随坭芯一体成型，最终由侧面较大芯头处集中引出。根据此结构特点，设计芯盒温度为210±10℃，保温时间120s，吹芯气压0.3MPa。此制芯方案经生产验证，坭芯质量要求已达到预期效果。

1.2.2 进/排气道及其他坭芯

此缸盖配置进气道，排气道各一个，结构相对简单，易清理，同时遵循原材料的经济性和易获得原则，故选用本公司常规使用的派普树脂自硬方案制作。原砂选用目数为50-100的擦洗烘干平潭海砂，并在使用前进行高温烘焙，旨在消除易烧损杂质以及最大程度消除其相变倾向，以配合铸件粗糙度要求，另外内部埋入随形芯骨，芯骨周围缠绕纤维通气管并于芯头处引出，即强化坭芯强度，亦保证排气通畅。坭芯制出后入窑，烘烤工艺为210±10℃*（保温3h）以达到终强度。先期试制结果表明，以此方案配合以适当的涂料方案，铸件出品后，仅需施行常规抛丸、打磨工序就可达到相应的表面质量要求。

1.3 涂料方案

此部件进/排气道及冷却水腔表面粗糙度要求为不低于Ra6.3，虽然冷却水腔难以清理部位局部允许Ra50，但也须遵循表面无残砂、脉纹和高于2mm的、披缝的原则。结合其结构复杂，壁厚差大的特点，普通的醇/水基石墨涂料无法在保证铸件粗糙度的同时兼顾防脉纹。因此涂料方案采用了兼具浸涂性能优秀、涂层强度高、附着力强等特点的RHEOTECH XL型高性能水基防脉纹涂料，涂料工艺为手工浸涂，浸涂后以200±10℃*30min进行烘干，待冷却后配型转序。此涂料方案经我司的多次生产验证表明，其性能特征可以使出品铸件达到预期的工艺要求。另外此涂料对于芯体和铁液有着良好的隔离效果，铸件出品后经过简单振动敲击，内腔涂料层和砂即可剥离脱落，极大地降低了后期清理工作的劳动强度。

1.4 配料、熔炼、浇注方案

1.4.1 配料方案

此缸盖牌号为HT300，单铸试块性能要求为Rm（MPa）≥300、硬度210-260HB，根据我司工艺情况及产品技术要求，熔炼原料组分配置如下：生铁-15%;废钢-37%;回炉料-45%;石墨增碳剂-1%;孕育剂-0.8%;锰铁-0.62%;铜-0.5%;硫化亚铁-0.08%

1.4.2 熔炼、浇注

熔炼设备为500KG中频感应电炉，熔炼效率和质量都趋于稳定，遂采用我司常规熔炼工艺，参数为：

熔炼温度—1530℃;出铁—1440℃;浇注温度—1380～1390℃。设计浇注时间为30±5s。为确保孕育效果，熔炼初期加入0.08%的硫化亚铁进行增硫处理，出铁时加入0.8%的72%孕育硅铁随铁液一并冲入浇包内。浇注完成后转置，空冷2.5h后打箱。

1.4 清理方案

此缸盖的清理工序分两阶段讨论，冷却水腔外的其他目视可见表面质量为常规要求，通过普通振动、打磨、抛丸工序已可达到标准，除进/排气道，偶发性出现轻微脉纹，对不良处进行针对性打磨处理即可消除，其他方面在此不做赘述。冷却水腔于坭芯制作和涂料方案选定时已考虑使用宝珠砂及高性能专用涂料，以消除脉纹倾向。经解剖，腔体内未见脉纹迹象，但于部分转角结构处发现少量浮砂附着于腔体表面，由于可供清理操作的铸出孔十分狭小且都为直孔，通过外部伸入工装的方式清理存在多处死角。经试验，现用密封工装分对水腔结构密封，内部注满温热肥皂水，水浴30min，完成后排出，并以其中一处孔为进水口，逐一打开其他孔，用脉冲水流冲洗，结束后及时吹干。此方案处理后的冷却水腔经解剖观察，已实现清洁无残砂，符合技术条件中对于冷却水腔表面质量的要求。

2 结果分析

经过多次工艺优化和生产试验，此缸盖的成品率目前已达90%以上，经跟踪发现，不良品铸件的瑕疵主要集中在以下两个方面：（1）顶部大平面气孔（2）冷卻水腔与进/排气道间形成的部分壁厚不均匀

针对气孔，后续生产中已于顶部平面发生概率较大处进行了排气优化，并利用补砂坭芯外置出气口定位，既保证气体顺利排出，又保证该处坭芯及铸件壁厚精度，影响产品质量的严重气孔已得到有效控制。此外，壁厚问题的原因锁定在：配箱时，由于进/排气道坭芯和冷却水腔坭芯结构分离，无法实现相对壁厚定量后的联动调整，导致一旦发生坭芯变形，配箱时壁厚调整难免顾此失彼。为从根源防止坭芯变形的情况发生，后续为进/排气道坭芯定制了专用托板，在坭芯形成终强度后再取出流转，此类问题的到显著改善。

柴油机气缸盖结构复杂，尺寸精度要求高，材料性能和成分指标皆要求苛刻，我司在此缸盖的铸造工艺制定中，首次运用了宝珠覆膜砂结合高温防脉纹涂料来防治脉纹的工艺手段，经生产验证，取得了了良好的实验效果。配合后期定制化的内腔清理工序，最终获得的毛坯可以符合相应的铸件表面质量和缺陷控制标准。此套工艺体系实验的成功，为今后同类型产品的生产开发，提供了可靠的实践依据，是一次里程碑式的突破。