呂宇靖，王哲夫，錢寅通，時(shí) 光

（中國中車集團(tuán)大連機(jī)車車輛有限公司，遼寧大連 116000）

180 汽缸蓋是國內(nèi)某主力戰(zhàn)艦動(dòng)力系統(tǒng)的核心部件，主要作用為定時(shí)地開啟和關(guān)閉汽缸的進(jìn)、排氣門，以保證新鮮可燃混合氣和空氣得以及時(shí)進(jìn)入汽缸并把燃燒后生成的廢氣及時(shí)排出汽缸，因此產(chǎn)品結(jié)構(gòu)復(fù)雜，使用環(huán)境惡劣，對鑄件材質(zhì)和尺寸精度要求很高。180 汽缸蓋尤其對于氣閥座要求很高，我車間在以往生產(chǎn)同類產(chǎn)品時(shí)，高壓面氣閥座處只需給出加工量，加工后鑲缸套使用即可，而180 汽缸蓋則要求氣閥座處加工后直接使用，不鑲缸套，這對氣閥座處的縮松缺陷控制及材料的致密性提出了很高的要求，既要能保證強(qiáng)度，滿足其正常使用過程中的磨損，又要保證后續(xù)加工的可行性，防止鑄件出現(xiàn)白口組織，影響使用性能。本文旨在通過對汽缸蓋結(jié)構(gòu)分析、模型結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、鑄造及熔煉工藝措施方面進(jìn)行論述，使鑄件達(dá)到使用要求。

1 180 汽缸蓋結(jié)構(gòu)特征和技術(shù)要求分析

1.1 結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

180 汽缸蓋是一個(gè)由平面和孔系組成的復(fù)雜箱體類鑄件，結(jié)構(gòu)緊湊，內(nèi)部布置進(jìn)、排氣道、冷卻水腔、滑油腔、貫穿螺孔（8 個(gè)）、噴油器孔等（圖1、2 所示）。水腔內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜，筋板多且薄，并將水腔整體分割成6 個(gè)區(qū)域，每個(gè)區(qū)域間僅靠厚度為8mm 筋板相連接，同時(shí)尺寸精度和車間以往生產(chǎn)的同類鑄件相比較也是非常嚴(yán)格，主要壁厚尺寸公差都只有-0.5mm、+1.0mm。此外缸蓋加工后的檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)及其嚴(yán)格，不僅水腔、油道要經(jīng)過水試，而且各個(gè)部位要進(jìn)行氣試，保證鑄件不能有漏水、滲水現(xiàn)象，這些都對缸蓋的強(qiáng)度及材料的致密度提出更高的要求。所以要想保證鑄件質(zhì)量達(dá)到使用要求，不僅要提高外觀質(zhì)量，更重要的是保證內(nèi)在質(zhì)量，才能生產(chǎn)出優(yōu)質(zhì)的鑄件。

圖1 180 缸蓋外形圖

圖2 缸蓋內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖

1.2 主要參數(shù)：

缸蓋外形尺寸：460mm×344mm×215mm；

重量：凈重105kg，毛重：120kg。

1.3 缸蓋的技術(shù)要求

180 汽缸蓋技術(shù)要求可以歸納為三個(gè)方面。

（1）外觀及尺寸精度：鑄件非加工面粗糙度要求為Ra12.5～50μm，冷卻水腔內(nèi)不允許有＞1mm的金屬氧化物，并采用“石灰乳法”或“紅色滲透劑法”檢驗(yàn)表面裂紋等缺陷。鑄件主要壁厚及公差要求為一般尺寸公差要求為DIN1686-GTB15級。

（2）內(nèi)在質(zhì)量：鑄件內(nèi)部不允許有縮松、夾渣、氣孔等鑄造缺陷，并進(jìn)行強(qiáng)度和密封性試驗(yàn)，水腔和滑油腔液體試驗(yàn)壓力為0.6MPa 和0.8MPa，歷時(shí)15min；水腔、進(jìn)排氣道、燃油腔、減壓腔和啟動(dòng)腔在溫度60～80℃的水中進(jìn)行空氣壓力試驗(yàn)，試驗(yàn)壓力為0.1MPa，歷時(shí)5min。

（3）材質(zhì)及機(jī)械性能要求見表1，檢測位置見圖3。

本體硬度在缸蓋氣門座之間進(jìn)行，檢查率100%，每100 個(gè)缸蓋解剖1 件，檢驗(yàn)本體機(jī)械性能和金相組織。

2 鑄造工藝設(shè)計(jì)

2.1 分型面的選擇

鑄造分型面是指鑄型組元間的接合面，分型面的選取應(yīng)遵從以下原則。

（1）盡可能將鑄件的全部或大部分放置在同一箱內(nèi)，以減少因錯(cuò)型造成的尺寸偏差；（2）應(yīng)盡量把鑄件的加工定位面和主要加工面放在同一箱內(nèi)，以減少加工定位的尺寸偏差；（3）應(yīng)減少砂芯的數(shù)量；（4）為方便起模，分型面應(yīng)選在鑄件的最大截面處。

表1 缸蓋材質(zhì)及機(jī)械性能表

圖3 硬度檢測要求

通過上文對180 汽缸蓋鑄件結(jié)構(gòu)的分析可知，鑄件整體為箱型結(jié)構(gòu)，主要加工平面有燃燒室面、低壓面及進(jìn)排氣道的密封面，內(nèi)部還要進(jìn)行如噴油器孔、螺栓孔、檢爆閥孔等多個(gè)孔系的加工，且尺寸公差等級要求很高。因此為保證鑄件尺寸精度，分型面的選擇應(yīng)將鑄件全部放置到下箱中，而且由于燃燒室面受沖擊較大，特將燃燒室面朝下，上箱放置出氣冒口或冒口。

2.2 澆注系統(tǒng)的設(shè)定

2.2.1 澆注系統(tǒng)的方式選擇

澆注系統(tǒng)設(shè)計(jì)應(yīng)充分考慮到金屬液的引流平穩(wěn)、流動(dòng)方向和速度的可控、具有擋渣能力、調(diào)節(jié)鑄型腔內(nèi)的溫度分布有利于強(qiáng)度鑄件補(bǔ)縮等因素。180 汽缸蓋型腔內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜，主要壁厚為6mm，材質(zhì)為QT800-2，鐵水流動(dòng)性較差，因此采用半封閉式澆注系統(tǒng)，既能夠保證鐵水可以較為平穩(wěn)的充型，也具有一定的擋渣能力，且由于分型面的選取方式將鑄件全部放置在下箱中，內(nèi)部砂芯眾多，尤其以水腔砂芯結(jié)構(gòu)最為復(fù)雜，因此內(nèi)澆道的引入位置不能直接沖擊砂芯，以免造成砂芯破損導(dǎo)致鑄件缺陷；同時(shí)上下水腔砂芯在鐵水澆注過程中，完全包裹在鐵水中，砂芯的排氣全部依賴于芯頭處的工藝孔，因此對于澆注系統(tǒng)的引入應(yīng)充分考慮砂芯排氣的問題。綜上所述，澆注系統(tǒng)采用半封閉底返式。

2.2.2 澆注系統(tǒng)的尺寸設(shè)計(jì)

（1）選取澆注截面比為1：1.8：1.2，取V1=0.7，V2=0.75，V3=0.7，直澆道有效高度H=300+120=420（mm）[1]；

計(jì)算K1，K2；

（2）確定澆注系統(tǒng)截面積

內(nèi)澆道：?30 單位陶管3 道；

橫澆道：60cm2；

直澆道：?60 單位陶管。

2.3 冒口與冷鐵設(shè)計(jì)

2.3.1 冒口設(shè)計(jì)

冒口設(shè)計(jì)原理基于鑄件的均衡凝固理論，即遵循球墨鑄鐵件可以充分利用其液態(tài)收縮和石墨化膨脹疊加的自補(bǔ)縮和澆冒口的外補(bǔ)縮來獲得合格鑄件原則。鑄件經(jīng)冷卻模擬分析，內(nèi)部缺陷主要集中在噴油器孔、檢爆閥及啟動(dòng)閥三處，其中噴油器孔屬于獨(dú)立結(jié)構(gòu)不與水腔相連，鑄出后噴油器外壁與油管孔及上、下水腔隔壁相交形成熱節(jié)導(dǎo)致縮松，縮松位置為水腔砂芯所分割，無法有效激冷或補(bǔ)縮，經(jīng)過分析后決定將噴油器孔鑄死，并設(shè)置一個(gè)補(bǔ)縮冒口，其余熱節(jié)處各設(shè)置一個(gè)保溫冒口即可，如圖4 所示。

圖4 冒口放置

2.3.2 冷鐵設(shè)計(jì)

180 汽缸蓋爆發(fā)面厚度為25mm，閥座處熱節(jié)圓?25mm，結(jié)合車間以往生產(chǎn)其他種類汽缸蓋產(chǎn)品經(jīng)驗(yàn)，外冷鐵厚度可按照B=（0.8～1.2）T 選取，T=16～24mm，考慮到爆發(fā)面要求晶粒細(xì)化，硬度要求高，因此選取冷鐵厚度為20mm，冷鐵布置如圖5 所示。

圖5 冷鐵放置

2.4 鑄造工藝參數(shù)的確定

工藝參數(shù)的選定對保證鑄件尺寸、質(zhì)量、提高生產(chǎn)率和節(jié)省原材料都具有很大的作用。選擇時(shí)，一般都根據(jù)現(xiàn)場具體情況靈活應(yīng)用。

2.4.1 鑄件縮尺的確定

180 汽缸蓋屬于復(fù)雜箱體類鑄件，內(nèi)部砂芯眾多，在凝固過程中阻礙金屬收縮，根據(jù)我公司生產(chǎn)同類產(chǎn)品的經(jīng)驗(yàn)，縮尺選擇8‰。

2.4.2 工藝補(bǔ)正量

技術(shù)條件中規(guī)定主要壁厚公差+1/-0.5mm，考慮在澆注過程中存在砂芯上浮及砂芯表面氣模的影響，模具壁厚按照上公差，此外根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，單側(cè)涂料層厚度約0.5～0.75mm，考慮以上因素，模具壁厚定為7.75mm（圖紙尺寸6mm）。

2.4.3 機(jī)械加工余量

根據(jù)GB/T 6414-1999 及實(shí)際經(jīng)驗(yàn)選擇加工余量如下：低壓面8mm；高壓面5mm；水腔工藝孔3mm；油管孔3mm。

2.5 造型方法的選擇

由于分型面的選擇，鑄件整體被放置在下箱中，因此需采用從下至上的疊芯方式進(jìn)行吊芯。鑄件內(nèi)部設(shè)有水腔、氣道等結(jié)構(gòu)，其中尤其以水腔砂芯結(jié)構(gòu)最為復(fù)雜，各個(gè)獨(dú)立區(qū)域僅靠8mm 厚筋板相連，且水腔與氣道間壁厚尺寸精度要求很高，這對于砂芯的強(qiáng)度及排氣都提出了很高的要求。按照以往生產(chǎn)模式，若采用手工陶粒砂制芯，一則在制芯時(shí)，由于水腔砂芯筋板壁厚較薄，放置芯鐵后舂砂會(huì)導(dǎo)致芯鐵位置偏移，最終漏出砂芯表面而導(dǎo)致后續(xù)會(huì)出現(xiàn)粘砂缺陷；二則手工制芯無法控制砂芯尺寸的精確度，從而對于180 汽缸蓋尺寸精度的可控性無法提供保障；三則陶粒砂的硬化速度受環(huán)境溫度影響較大，冬季生產(chǎn)時(shí)，硬化速度慢，批量生產(chǎn)會(huì)影響進(jìn)度。而覆膜砂具有強(qiáng)度高、發(fā)氣量低、潰散性好等特點(diǎn)，適合制作復(fù)雜薄壁的砂芯，而且使用覆膜砂熱芯盒射芯，不受環(huán)境影響，在保證砂芯質(zhì)量的同時(shí)提高生產(chǎn)效率。因此，綜上所述，砂芯采用覆膜砂熱芯盒射芯，而外型整體為長方體結(jié)構(gòu)，造型時(shí)無特殊難點(diǎn)，故采用呋喃樹脂砂造型。

3 熔煉工藝設(shè)計(jì)

3.1 化學(xué)成分的選定

3.1.1 基本元素的選定

（1）碳和硅

由于球狀石墨對基體的削弱作用很小，故球墨鑄鐵中石墨數(shù)量多少，對力學(xué)性能的影響不顯著，在確定球墨鑄鐵的碳硅含量時(shí)，主要從保證鑄造性能考慮，當(dāng)碳當(dāng)量過低時(shí)，鑄件易產(chǎn)生縮松和裂紋；碳當(dāng)量過高時(shí)，易產(chǎn)生石墨漂浮，使鑄鐵中的夾雜物數(shù)量增多，降低鑄鐵性能。因此，在選擇碳硅含量時(shí)，應(yīng)按照高碳低硅的原則，由于180 汽缸蓋材質(zhì)要求為珠光體球墨鑄鐵，特選擇碳含量3.6%～3.8%，硅含量為1.5%～1.6%。

（2）錳

錳元素在鑄鐵中可以強(qiáng)化鐵素體和穩(wěn)定珠光體的同時(shí)，還能減小硫的危害作用，但錳有正偏析傾向，可能富集于共晶團(tuán)晶界處，促使形成晶間碳化物，降低球墨鑄鐵的韌性。因此，對于材質(zhì)為珠光體球墨鑄鐵的180 汽缸蓋而言，需將錳含量控制在0.6%～0.8%之間。

（3）磷

磷在球墨鑄鐵中有嚴(yán)重的偏析傾向，易在晶界處形成磷共晶，嚴(yán)重降低球墨鑄鐵的韌性，同時(shí)磷還增大球墨鑄鐵的縮松傾向，易造成縮松缺陷。因此應(yīng)將磷含量控制在0.3%以內(nèi)。

（4）硫

球墨鑄鐵中的硫與球化元素有很強(qiáng)的化合能力，生成硫化物或硫氧化物，不僅消耗球化劑，造成球化不穩(wěn)定，而且還使夾雜物數(shù)量增多，導(dǎo)致鑄件產(chǎn)生缺陷，此外還會(huì)使球化衰退速度加快，故在球化處理前應(yīng)對原鐵液的含硫量加以控制，保證硫含量在0.02%以內(nèi)[2]。

3.1.2 合金元素

（1）鉬

由于180 汽缸蓋抗拉強(qiáng)度要求高，鐵液中加入少許鉬可以提高球墨鑄鐵強(qiáng)度，但鉬含量過高時(shí)，在鑄鐵結(jié)晶過程中，會(huì)導(dǎo)致共晶團(tuán)內(nèi)有較大的正偏析傾向，容易促進(jìn)共晶團(tuán)邊界形成富鉬的四元磷共晶或鉬的碳化物等脆性相，影響鑄件整體強(qiáng)度，故將鉬的含量選定為0.1%～0.2%。

（2）鉻

鉻用于珠光體球墨鑄鐵中，可起到穩(wěn)定珠光體及強(qiáng)化力學(xué)性能的作用，但同時(shí)加入量過多會(huì)易形成鐵鉻碳化物，故將加入量定為0.2%～0.3%。

（3）鎳

鎳具有穩(wěn)定珠光體的作用，同時(shí)鎳作為合金元素的優(yōu)點(diǎn)是其在共晶團(tuán)內(nèi)部分布比較均勻，不會(huì)因偏析而使共晶團(tuán)邊界脆化，但鎳為比較貴重的金屬，故加入量分別為0.4%～0.5%。

綜上所述，鐵水化學(xué)成分控制范圍詳見表2。

3.2 球化處理

3.2.1 球化劑的選擇

國內(nèi)生鐵一般均含有球化干擾元素，在鎂系球化劑中需要含有一定量的稀土元素來中和這些元素。國內(nèi)最常用的球化劑是稀土鎂硅鐵合金?，F(xiàn)選用牌號(hào)為FeSiMg7RE1 的稀土鎂硅鐵作球化劑。

表2 缸蓋鐵水化學(xué)成分要求

3.2.2 球化處理工藝

采用沖入法進(jìn)行球化處理，首先將球化劑裝入堤壩一側(cè)，上面覆蓋硅鐵合金，稍加緊實(shí)，然后再覆蓋無銹鐵屑等覆蓋劑。鐵液溫度過高時(shí)蓋鋼板。處理時(shí)，應(yīng)盡可能地將鐵液一次沖入鐵液包的另一側(cè)，一般先注入鐵液總量的2/3 或3/4，等反應(yīng)基本結(jié)束后，再補(bǔ)加余量鐵液，然后將渣扒除。

3.3 孕育處理

180 汽缸蓋共進(jìn)行兩次孕育，一次孕育采用包內(nèi)孕育，在采用沖入法球化時(shí)，把孕育劑全部蓋在澆包的球化劑之上，待沖入鐵液進(jìn)行球化處理時(shí)，同時(shí)發(fā)生孕育作用；二次孕育采用隨流孕育，在鐵水向水口箱澆注過程中，將孕育劑通過手持容器均勻的隨著鐵水流入水口箱內(nèi)進(jìn)行孕育處理。

4 模擬結(jié)果分析

按照上文所述的工藝對鑄件進(jìn)行計(jì)算機(jī)凝固模擬，結(jié)果如下圖所示。

由充型分析結(jié)果可見，充型過程中液面平穩(wěn)上升，無紊流、飛濺現(xiàn)象，可以有效避免卷氣與二次渣的形成，內(nèi)水口位置避開砂芯，充型過程不會(huì)對砂芯產(chǎn)生嚴(yán)重的沖刷作用。

由凝固分析結(jié)果可見，冒口與冷鐵使用，使鑄件主要熱節(jié)區(qū)域形成局部的順序凝固，完成補(bǔ)縮。

5 試驗(yàn)驗(yàn)證

圖6 充型過程模擬

圖7 凝固過程模擬

根據(jù)模擬結(jié)果，按照設(shè)計(jì)的鑄造工藝進(jìn)行鑄件的實(shí)際生產(chǎn)驗(yàn)證，實(shí)際生產(chǎn)出的鑄件在經(jīng)過超聲波探傷檢驗(yàn)后，沒有發(fā)現(xiàn)超標(biāo)的縮松、縮孔缺陷，鑄件經(jīng)過解剖著色探傷后顯示內(nèi)部組織致密，檢測結(jié)果證明了該鑄造工藝方案的合理性和可行性。

6 結(jié)論

圖8 缸蓋解剖滲透探傷

（1）通過系統(tǒng)研究180 汽缸蓋的鑄造工藝、工裝，采用MAGMA 軟件進(jìn)行模擬分析，制定最佳的鑄造工藝；通過熔煉工藝試驗(yàn)，確定最佳的熔煉工藝，完成了180 汽缸蓋工藝制定及生產(chǎn)試制。

（2）解決了合金鑄鐵材質(zhì)性能、金相組織、鑄件密封性試驗(yàn)等關(guān)鍵技術(shù)，達(dá)成預(yù)期目標(biāo)。

（3）該試制180 汽缸蓋的完成，實(shí)現(xiàn)了操作工藝可控，檢驗(yàn)控制有效。