石墨复合内冷铁的设计及应用

蒋 辉，徐玉龙，邵长元，谭传宝，吴玉成

（潍柴重机股份有限公司，山东 潍坊 261108）

1 石墨冷铁应用现状与特性

石墨冷铁因密度低、导热系数及比热容高、熔点高以及受热膨胀小的特点，其应用有操作方便，激冷效果好且不容易出现白口等优势，使得石墨冷铁逐渐被广泛应用和推广[1]。但石墨冷铁的制作成本较铸铁冷铁高，且因易破损，回用率低，其使用成本也高，这两个方面是制约石墨冷铁广泛应于的主要原因[2]。

由表1 可知，石墨虽然比热容是铸铁的3～4倍，但密度仅是其1/4，即相同体积的石墨储热能力约是铸铁冷铁的一半。综合以上分析，石墨冷铁与铸铁冷铁各有特点，要根据具体使用条件选择。

2 不同材质内冷铁的特点

2.1 金属内冷铁

优点：金属密度大，相同体积，储热能力强于石墨冷铁，在复杂铸件内部、空间有限位置激冷效果更好；

缺点：内冷铁表面与铸件本体熔合不可清理出来，一方面增加了后续加工工序，且金属冷铁与铸件本体材料有差异，更难加工；另一方面加工金属内冷铁时存在冷铁随刀具旋转而导致打刀的风险，还存在冷铁末端被刀具压到复杂型腔内部无法取出的风险。

2.2 石墨内冷铁

优点：内冷铁可以清理出来，不增加后续加工工序，不存在不好加工和打刀等风险；

缺点：石墨密度小，相同体积，虽然比热容大，但整体储热能力弱于金属冷铁，在复杂铸件内部、空间有限位置激冷效果较弱。

2.3 石墨复合内冷铁

一部分使用石墨材料加工而成，该部分与金属液直接接触，另一部分使用金属加工而成，两个部分组合在一起使用，其优缺点如下：

优点：与金属液接触的石墨利用其优良的导热性能，将热量传递给金属部分，金属部分不与铸件直接接触，利用其密度大、质量重的特点储热，一方面铸件清理时可以将石墨部分清理掉，内冷铁不随铸件转移到加工工序，另一方面利用金属储热能力强的特点，保证内冷铁整体激冷效果；

缺点：石墨复合冷铁成本较高，清理时将金属部分取出，可循环利用，可一定程度上减小使用成本。

3 石墨复合冷铁应用实例

以生产中速机机体铸件为例，铸件轮廓尺寸：1 700 mm×1 000 mm×780 mm，材质：RuT400.毛坯重1 700 kg.铸件集成有水腔、凸轮轴腔、油道等结构，内部筋板、凸台交错，结构复杂，存在结构交叉引起的孤立热节（如图1 所示），导致挺杆孔处产生缩松缺陷（如图2 所示），且无法使用冒口补缩，只能使用内冷铁消除。

图1 机体热节位置

图2 挺杆孔加工后出现缩松

分别采用3 种冷铁验证生产效果。

3.1 金属内冷铁

金属内冷铁利用钢材加工成型，如图3a）所示，为防止后续加工打刀和掉落，设计防转和防掉结构，表面镀铜，防止生锈产生气孔。

验证结果：解剖及后续小批量验证均无缩松产生，未出现打刀现象，但是多出一道钻孔工序，且挺杆孔被内冷铁堵住后，内腔极难清理干净。

3.2 石墨内冷铁

石墨内冷铁由石墨块加工成型，如图3b）所示。

验证结果：后续小批量验证未发现缩松，但解剖发现热节处仍存在零星缩松。石墨可以清理打掉，无需加工去除，挺杆腔清理方便。

3.3 石墨复合冷铁

石墨复合冷铁由石墨块及钢棒加工并组合在一起使用，如图3c）所示。

图3 冷铁示意图

验证结果：解剖及后续小批量验证均无缩松产生，石墨可以清理打掉，无需加工去除，挺杆腔清理方便。

3.4 三种内冷铁成本对比分析

由表2 可知，钢冷铁材料费用较低，冷铁上带有防转和防掉结构且表面镀铜，故成本以加工费和表面处理费用为主；石墨冷铁其原料本身较贵且为石墨方结构，加工时需先将石墨方锯成小块，再加工成需要的形状，耗时较多，其成本主要是材料费和加工费；石墨复合冷铁比石墨冷铁多了金属部分，但金属部分材料费较低，没有复杂形状，加工费较低，没有表面处理费用，故金属部分费用较低，再考虑金属部分可以反复使用，石墨复合冷铁成本与石墨冷铁相比相差不大，具有一定的应用前景，但与镀铜钢冷铁相比成本仍相差近一半。由此可见，石墨复合冷铁的使用成本仍是限制其推广应用的重要因素。

表2 三种内冷铁成本组成

4 结论

通过设计并验证石墨复合冷铁，可解决缩松问题，但使用成本仍是限制其推广应用的重要因素，与传统冷铁相比具有以下优势：

1）充分利用石墨导热性高及钢储热能力强的特点，可以解决复杂内部结构的缩松问题；

2）利用石墨易碎特性，作为内冷铁可以清理掉，减少后续加工内冷铁工序，和以此带来的打刀风险；

3）复合内冷铁的金属部分，可以根据使用空间及储热需求进行灵活设计，给复杂结构且空间有限的铸件解决缩松问题带来新的思路。