240气缸盖蠕墨铸铁件缩孔缩松的防止措施.pdf

现代铸铁 圆园24/1代铸铁，2001（1）：58-60.5陈伯艾.“钇基重稀土复合球化剂研制与应用开发课题”通过鉴定N.中国冶金报，2000-10-04（2）.6刘恒广.钇基重稀土球铁抗球化衰退性能试验J.热加工工艺，1980（3）：1-9.（编辑：吕姗姗，E-mail：xdzt_）收稿日期：2023-08-14修订日期：2024-01-17作者简介：夏蘩（1983.6），男，汉族，四川广元人，本科，高级工程师，主要从事铸造工艺等方面的研究工作。240 气缸盖蠕墨铸铁件缩孔缩松的防止措施夏蘩，唐松，王一飞，陈勇，朱洪波（中车资阳机车有限公司，四川资阳641300）摘要：介绍了 240 气缸盖铸件的结构及技术要求，详细阐述了原生产工艺及铸件出现的缩孔、缩松问题，通过对原工艺进行分析，经过多次工艺改进，解决了铸件缩孔、缩松问题。最后指出：（1）对于内腔形状复杂、壁厚突变较大的铸件，在铸造工艺设计时可选择顶注式雨淋浇注系统+冒口的铸造工艺，有利于实现顺序凝固和补缩，减少缩孔、缩松类铸造缺陷；在铸件心部热节部位，通过合理设计冷铁进行激冷，同时需要适当提高冒口模数，能够有效消除铸件缩孔、缩松类铸造缺陷，获得致密的铸件本体组织，满足铸件使用技术要求。关键词：蠕墨铸铁；气缸盖；缩松；缩孔；冒口中图分类号：TG143.49文献标志码：B文章编号：员园园猿原愿猿源缘（圆园24）园1原园园30原05Preventive Measures for Shrinkage and Porosity of Vermicular Graphite Iron 240Cylinder Head CastingsXIA Fan，TANG Song，WANG Yi-fei，CHEN Yong，ZHU Hong-bo（CRRC Ziyang Co.,Ltd.，Ziyang641300，China）Abstract：The structure and technical requirements of 240 cylinder head castings were introduced.The original productionprocess and the shrinkage cavities and porosity problems in castings were elaborated.By analyzing the original process，theproblem of shrinkage cavities and porosity in castings were solved after many process improvements.Finally，it was pointedout：（1）For castings with complex inner cavity shapes and large sudden changes in wall thickness，the top gating system withriser could be selected when designing the casting process，which was conducive to achieving sequential solidification andfeeding，reducing casting defects such as shrinkage cavities and porosity.In the hot section of the casting center，throughreasonable design of the cold iron for chilling and at the same time appropriately increasing the riser module，casting defectssuch as shrinkage cavities and porosity could be effectively eliminated.A dense casting body structure could be obtained andmet the technical requirements.Key words：vermicular graphite iron；cylinder head；shrinkage porosity；shrinkage cavity；riser240 气缸盖是内燃机车 240 柴油机核心关键部件，承受极强的高温高压作用，要求有足够的耐热密封性，良好的强度和刚度。240 气缸盖的外形尺寸 453 mm伊384 mm伊240 mm，铸件质量104 kg，主要壁厚 8 mm，最大壁厚 30 mm，最小壁厚 8 mm，铸件结构如图 1 所示，属于内腔结构极其复杂的箱体类铸件（典型的薄壁异型曲面结构）。材料牌号为 RuT300，所有水腔、气道蠕墨铸铁Vermicular Graphite Iron30圆园24/1现代铸铁图 2铸造工艺三维简图Fig.2Three-dimensional diagram of the casting process应光滑平整，不允许有粘砂、起皮、毛刺等铸造缺陷。燃烧室面、进排气口密封面等关键部位磁粉探伤检查，同时要求低压高压试验，水腔进行500 kPa 的气压试验，试验 5 min 不允许有泄漏，燃烧室面进行 15 MPa 的水压试验，保压 10 min不允许有泄漏。1原铸造工艺及存在的问题1.1原铸造工艺使用呋喃树脂砂造型，一箱 2 件，采用顶注、雨淋式浇注系统+冒口的铸造工艺，顶注、雨淋式浇注系统可有效实现顺序凝固，冒口可保证厚大部位充分补缩。浇注系统的浇道比为移F直:移F横:移F内=1:1.25:0.8，采用40 mm 的直浇道，冒口尺寸150 mm伊160 mm，不放置冷铁，铸造工艺如图 2 所示。浇注温度 1 3401 360 益，浇注时间 2528 s。1.2主要存在的问题原铸造工艺生产铸件毛坯共 830 件，下工序加工后水压试验由于渗漏问题共报废 230 件，废品率达到了 27.7%。通过实物解剖检查，主要情况如下：（1）按照图 3 标记解剖检查回油孔截面情况，厚大部位无目视可见铸造缺陷，经过渗透检测（PT）未发现铸造缺陷，如图 4 所示。（a）顶端面（b）火力面图 1240 气缸盖铸件结构Fig.1240 cylinder head casting structure图 3回油孔解剖位置Fig.3Sectional detection position of oil return hole图 4回油孔截面图Fig.4Cross-sectional view of oil return holeVermicular Graphite Iron31现代铸铁 圆园24/1（2）按照图 5 标记解剖检查直喷孔横向截面情况，渗透检测（PT）在图 6 中 1 位置存在点状缺陷显示，2 位置发现成片缩松缺陷。（3）按照图 7 标记解剖检查直喷孔纵向截面情况，整体目视检查无明显铸造缺陷。渗透检测（PT）发现在标记 1、2 解剖块发现点状缺陷显示，如图 8 所示。为进一步验证缺陷情况，取样到试验室去除PT 痕迹，抛光目测并进行金相检测，确定为铸造缩孔、缩松类缺陷，位于铸件水腔芯中部压水区域位置。该位置缩孔、缩松类铸造缺陷密集成片分布，造成铸件本体组织致密度不够，引起水压试验渗漏，铸件报废。2原因分析通过解剖验证，确定直喷孔侧壁存在密集成片铸造缩孔、缩松类缺陷是造成压漏报废的直接原因，这是由于该处壁厚（8依3）mm，处于整个铸图 5直喷孔检测位置Fig.5Detection position on direct injection nozzle图 6直喷孔横向截面缺陷图Fig.6Cross-sectional defect on direct injection nozzle图 7直喷孔纵向解剖位置Fig.7Vertical detection position of direct injection nozzle（a）位置 1 直喷孔纵向截面缺陷图（b）位置 2 直喷孔纵向截面缺陷图图 8直喷孔纵向截面缺陷图Fig.8Defect diagram of vertical section of directinjection nozzle蠕墨铸铁Vermicular Graphite Iron32圆园24/1现代铸铁图 9原工艺的凝固模拟结果Fig.9Solidification simulation results of theoriginal process件正中间，散热条件很差，凝固时间长，铸件凝固后期整个直喷孔区域和冒口均处于液态未凝固状态（如图 9 所示），冒口无法形成有效补缩。虽然原铸造工艺采用冒口进行补缩，但在设计浇注系统时须通过合理选择铸件、冒口颈、冒口三者的模数关系，达到用冒口补缩的目的。但由于铸件形状的复杂性，理论计算与实际情况有较大差异，冒口、冒口颈的大小要经过不断地调整才能达到预期目的。图 10 中标记 2 处虽然存在缩松类铸造缺陷，壁厚较为厚大，但该处为水腔中的加强筋板，不会引起渗漏。3工艺改进铸铁件在凝固过程中，因液态收缩和凝固收缩，在铸件的热节或者最后凝固的部位将出现缩孔和缩松。蠕墨铸铁产生缩孔、缩松的倾向介于灰铸铁和球墨铸铁之间1-5。缩孔、缩松缺陷可通过改进铸造工艺来解决，通过分析原铸造工艺，冷铁激冷法和冒口补缩改进法可进一步改变凝固过程的冷却速度和温度场变化。首先在直喷孔底面（火力面）处放置一个尺寸50 mm伊50 mm 的圆柱冷铁，底部进行激冷形成温度梯度，改变凝固顺序，使直喷孔快速冷却。通过模拟可以看出，与原铸造工艺相比，相同冷却时间条件下，直喷孔区域凝固变化较小，效果不明显，如图 11 所示。为了彻底解决直喷孔区域铸造缩孔、缩松缺陷问题，考虑到该气缸盖结构异常复杂和缺陷位置，保留冷铁激冷工艺，调整冒口、冒口颈的大小改变模数，形成有效顺序凝固的同时，确保有足够的铁液补缩。通过计算，原工艺冒口体尺寸150 mm伊160 mm，冒口颈尺寸20 mm，模数2.1 cm。工艺改进方案为火力面冷铁不变，冒口体尺寸180 mm伊180 mm，冒口尺寸颈增加到55 mm，冒口模数提高到 3.0 cm。保持原边界条件不变进行模拟，整个温度场形成了自铸件热节区域至冒口的温度梯度，冒口成为最后的凝固区域，形成了良好的顺序凝固，如图 12 所示。4生产试制验证改进铸造工艺后，第一批次生产验证 10 件，经过加工验证及水压试验合格 10 件，合格率100%；第二批次生产验证 56 件，其中 1 件火力面夹砂报废，其余水压试验合格，合格率 98%，有效解决了气缸盖加工后压水渗漏问题。5结论（1）气缸盖类铸件工作时承受极强的高温高压，气密性要求高，要求铸件组织致密，但其内腔形状复杂，壁厚突变较大，在实际生产中易产生缩孔、缩松类铸造缺陷，造成铸件报废。在铸造工艺设计时可选择顶注式雨淋浇注系统+冒口的铸造工艺，有利于实现顺序凝固和补缩，减少缩孔、缩松类铸造缺陷。（2）气缸盖工艺设计时，在铸件心部热节部位，通过合理设计冷铁进行激冷，同时需要适当提高冒口模数，能够有效消除铸件缩孔、缩松类铸造缺陷，获得致密的铸件本体组织，满足铸件使用技术要求。图 10直喷孔三维剖面图Fig.10Three-dimensional cross-sectional view ofdirect injection nozzle1 侧壁2 加强筋板Vermicular Graphite Iron33现代铸铁 圆园24/1（a）原工艺凝固率 55%（b）改进后的工艺凝固率 58%（c）原工艺凝固率 65%（d）改进后的工艺凝固率 67%（e）原工艺凝固率 85%（f）改进后的工艺凝固率 88%图 11原工艺与直喷孔冷铁工艺凝固模拟结果对比Fig.11Comparison of solidification simulation results between the original process and the direct injectionnozzle and chilled iron process冷铁50伊50 mm参考文献1李卫.中国机械工程学会铸造分会.铸造手册 铸铁（第 4 版）M.北京：机械工业出版社，2021.2何春华，梁清延.发动机排气歧管热疲劳开裂试验优化设计J.现代铸铁，2023（2）：14-18.3谢永泽，吕登红，何春华.高强度低应力蠕墨铸铁气缸盖的铸造工艺研究J.现代铸铁，2023（2）：18-24.4王安家，乔进国，鲍俊敏，等.蠕墨铸铁件批量生产的熔炼工艺与控制J.现代铸铁，2023（1）：1-4，29.5贾永刚，王向宁，吴维坚，等.蠕墨铸铁轻量化曲轴箱的工艺研发与应用J.现代铸铁，2023（1）：5-8.（编辑：吕姗姗，E-mail：xdzt_）（c）凝固率 95%（b）凝固率 90%（a）凝固率 50%图 1圆工艺改进后的铸件凝固模拟结果Fig.1圆Solidification simulation results of the casting after process improvement蠕墨铸铁Vermicular Graphite Iron34