RuT450气缸盖铸造工艺的研究.pdf

362023 年第 S2 期工艺试验与应用RuT450 气缸盖铸造工艺的研究某气缸盖要求高爆压、高稳定性1，根据该气缸盖的结构及技术要求，采用蠕墨铸铁铸造工艺进行生产。1铸件结构及技术要求气缸盖为 6 缸 4 气门的柴油机气缸盖，尺寸约为长866 mm 宽 260 mm 高 114.5 mm，零件重量约为 90 kg，零件的基本壁厚 5.0 mm，铸造公差满足 GB/T 6414 中CT8CT9 级。铸件材料牌号 RuT450，要求铸件本体的抗拉强度 450 MPa，布氏硬度 200225 HBW，蠕化率 75%2；免退火工艺，铸件残余应力 40 MPa。外形如图 1 所示。2铸造工艺方案采用一箱两件气缸盖，气缸盖侧立且进气道面朝上，缸盖顶面面对面平行布置，浇铸系统位于 2 件气缸盖中间立浇底注铸造工艺。其中内浇口开设于气缸盖排气面，冒口布置于气缸盖进气道侧面。铸造工艺如图 2所示。图 1 气缸盖示意图Fig.1 cylinder head diagram图 2 铸造工艺方案Fig.2 Casting process scheme3软件模拟分析运用 MAGMA 软件对工艺方案进行分析，分析结果如下。（1）充型分析：结果显示浇系分布设计合理，整个充型完成后，铸件的充型温度均不低于液相线，所铸出的铸件无冷隔的铸造缺陷。（2）卷气分析3：结果显示整个充型过程及整个铸型腔都无明显卷气湍气现象，表明了铸件充型平顺，浇系结构设计合理，铸件无气孔缺陷倾向。（3）充型速度分析：结果显示除了刚开始的 1 s 时间段内有较高的充型速度，最高的充型速度不高于 1.7 m/s，且始终在直浇道内；内流道充型速度逐渐下降至0.5 m/s，并至充型结束内浇口的充型速度保持在 0.5 m/s，这样谢永泽，吕登红（广西玉柴机器股份有限公司，广西 玉林 537005）摘要：根据 RuT450 柴油机气缸盖的技术要求确定了铸造工艺，通过 MAGMA 软件对充型、凝固及缺陷等进行分析，验证铸造工艺的可行性。采用铸件浇注后在砂型内延缓开箱时间，在箱内缓慢冷却的免退火处理工艺，铸件的残余应力小于 40 MPa，同时铸件的力学性能和组织均满足技术要求。关键词：气缸盖；RuT450；铸造工艺中图分类号：TG250文献标识码：B文章编号：1673 3320（2023）S2 0036 05收稿日期：2023-08-28修定日期：2023-09-10作者简介：谢永泽（1974-），高级工程师，主要从事 3D铸造工艺及模具设计等技术工作，E-mail:。2023 年第 S2 期工艺试验与应用37的充型速度，能够保证快速充型且有较短的充型时间达到快浇的目的，从而保证充型完成后，铸型的充内保持较高的温度，不低于液相线，不产生冷隔。（4）凝固分析：结果显示铸件最后凝固的区域为冒口，从而保证了铸件补缩充分，使铸件的缩孔风险更低。（5）缩孔分析：结果显示整个铸件凝固收缩充分，无任何缩孔的可能，表示冒口设计运用得当。（6）应力分析：结果显示整个铸件应力维持在较低的水平，达到低应力的效果，如图 3 所示。图 3 应力分析结果Fig.3 Stress analysis result（7）变形分析：结果显示整个铸件厚度方向变形量为 0.5 mm，铸件的变形量较小，如图 4 所示。图 4 变形量分析Fig.4 Deformation analysis通过 MAGMA 软件分析可知，整个浇系充型快速平稳无卷气湍流，温度分布均衡，补缩充分，无气孔缩孔等铸造缺陷，且铸件有较低的应力及较小的变形量，浇注系统设计合理。4熔炼工艺炉料配料与熔炼温度如表 1 所示。蠕化剂加入量根据（S）进行调整；履盖 0.3%孕育剂；铁液成分要求如表 2 所示，其它元素含量为（Sn）0.005%，（Al）0.020%，（Ni）0.15%，（Mg）0.005%0.015%，（Ce）0.005%0.015%。表 1 炉料配比与熔炼温度Tab.1 Charge ratio and melting temperatureRuT450生铁（质量分数，%）回炉铁废钢（质量分数，%）精炼温度/出铁温度/浇铸温度/配料 1300701 550（保持 5 min）1 5501 4101 420配料 220080表 2 化学成分（质量分数，%）Tab.2 Chemical composition(mass fraction,%)CSiMnSPCuCrNiCE原铁液3.503.801.501.900.300.400.0050.012 0.050.300.40-0.15终铁液3.303.602.002.500.300.400.0050.012 0.050.300.40 0.05 0.0054.154.30382023 年第 S2 期工艺试验与应用5热处理工艺为消除铸件内应力通常都需要进行时效处理，尤其对性能要求较高的气缸盖铸件。传统的时效处理一般有两种方法，即自然时效和人工时效。自然时效是将成形铸件长期放置在室温下以消除其内应力，这种方法时间长达半年以上；为缩短时效时间，都是采用人工时效（即时效退火）的方法来消除铸件内应力，其原理是将铸件重新加热到 530620，经过 46 h 保温，利用塑性变形降低应力，然后在炉内缓慢冷却至200 以下出炉空冷。经时效退火后可消除 90%以上的内应力。铸铁材质的气缸盖铸件常用的时效退火工艺曲线图 5 所示，其工艺通常以 200/h 的加热速度升温至 500600（升温时间 45 h），在 500600 下保温 6 h，然后以 40/h 的速度随炉冷却至 200 以下。图 5 气缸盖铸件退火曲线Fig.5 Annealing curve of the cylinder head casting时效退火温度越高，铸件残余应力消除越显著，铸件尺寸稳定性越好；但随着时效温度的提高，时效后铸件的力学性能会有所下降，因此，要合理制定铸件时效退火的最高加热温度。保温时间一般按每小时热透铸件25 mm 计算。加热速度一般控制在 80/h 以下，复杂零件控制在 20/h 以下。冷却速度应控制在 30/h 以下，200 后空冷。RuT450 气缸盖铸件的免退火处理工艺是气缸盖铸件浇注后在砂箱内延缓开箱时间，使铸件在箱内缓慢冷却，使结构复杂各部位冷却速度趋于缓和，以免在空气中过快冷却。事先在砂箱型腔内埋置测温信号线，把测温信号线引出与外置的测温仪器连接，调整相关设置参数，精准监测铸件温降实况，自动记录设定的时间/温度值数据及曲线图。从浇注后 1 400 高温极值分梯度降为 200 开箱设定值，冷却速度控制在 200300/h，铸件在砂箱内经过 56 h 缓慢冷却，利用砂型的保温性和铸件自身的热能量相互作用降低应力，由于铸件在砂型限制中冷却还可以减少塑性变形程度，然后在箱内缓慢冷却至 200 以下开箱取件置于空冷，开箱后的铸件放置 25 h 以上，自然消除应力，以达到免退火低应力的效果。按 Q/YC 1252.3-2018 YC-型应力测量仪残余应力检验规范，同一型号的气缸盖铸件进行退火工艺与免退火工艺进行检测，检测区域为气缸盖底面第 1 缸与第 6缸应力如（图 6）4。图 6 气缸盖铸件检测区域Fig.6 Annealing curve of the cylinder head casting常规退火检测应力结果如表 3 所示，免退火工艺检测结果如表 4 所示。表 3 常规退火工艺测试结果Tab.3 Test results of routine annealing process铸件编号测点应变 1应变 2应变 3最大主应力 1/MPaB05241-101-67-552.62-89-49-5057.1A05241-74-64-69522-63-49-6147B05271-74-64-8258.62-70-56-10270.3A05261-74-102-7059.42-74-64-7052.42023 年第 S2 期工艺试验与应用39表 4 免退火工艺测试结果Tab.4 Test results of annealing free process铸造编号测点应变 1应变 2应变 3最大主应力 1/MPaA05241-70-50-236.6275-20-337.1B05251555560-38.6290-72-5524.6A052713660-2415.522651-6037.4B05261-1152385.2278-58-6425.9铸件进行常规退火工艺后测得其残余应力值分布在75 MPa 以内，最大主应力值为 70.3 MPa。铸件进行免退火工艺后测得其残余应力值分布在 40 MPa 以内，最大主应力值为 38.6 MPa。由此可知，免退火气缸盖毛坯内应力优于退火气缸盖毛坯指标。5生产验证按以上铸造及热处理工艺生产的铸件，解剖后铸件内腔清洁干净，无粘砂、烧结、脉纹，如图 7 所示。图 7 铸件解剖照片Fig.7 Anatomical photograph of casting在铸件本体气缸盖燃烧室区域进排气道的“鼻梁区”取样，力学性能如表 5 所示，试块的力学性能和金相组织如表 6 所示，腐蚀前后的金相组织如图 8 所示，均符合铸件技术要求。表 5 本体力学性能Tab.5 Mechanical properties of casting body铸号厚度/mm检测编号抗拉强度/MPa硬度（HBW）评判指标抗拉强度/MPa硬度(HBW)A111213.51#479212 4502002252#507220B111213.53#4992154#455218表 6 试块力学性能与金相组织Tab.6 Mechanical properties and metallographic structure of test blocks铸号厚度/mm检测编号抗拉强度/MPa硬度（HBW）蠕化率（%）珠光体（%）A111225A54724880%90%B111225B54024580%90%402023 年第 S2 期工艺试验与应用 （a）腐蚀前(100)（b）腐蚀后(100)图 8 金相组织Fig.8 Metallographic structure参考文献1林勇传，黄健友，谢正良，等.发动机特殊材质蠕墨铸铁 RuT400 的研发与应用 J.内燃机工程，2017，38（6）：86-91.2万浩，金琦，赵振江，等.蠕化率对蠕墨铸铁组织和耐磨性能的影响研究 J.稀土，2021，42（5）：112-118.3刘毅，田季林.基于 MAGMA 的侧浇气缸盖气孔的产生机理探索 J.特种铸造及有色合金，2016，36（10）：1 048-1 050.4毕国永，赵旭一，张路勃.降低高强度缸盖铸件残余应力的工艺研究 J.现代铸铁，2021，41（2）：1-5.Research on Casting Technology of RuT450 Cylinder HeadXIE Yongze,LV Denghong(Guangxi Yuchai Machinery Co.,Ltd.,YuLin 537005,Guangxi China)Abstract:The casting process was determined according to the technical requirements of RuT450 diesel engine cylinder head.The feasibility of the casting process was verified by the MAGMA software through the analysis results of filling,solidification and defects.The anneal-free heat treatment process was adopted,which delayed the opening time of the casting in the sand mold after pouring and slowly cooled the casting in the mold.The residual stress of the casting was less than 40 MPa,and the mechanical properties and microstructure of the casting met the technical requirements.Key words:cylinder head;RuT450;casting process（编辑：杨杨，）