（机械工程专业论文）4rb020101缸体铸造工艺的改进研究.pdf

江苏大学工程硕士学位论文 摘要 4 r b 0 2 0 1 0 1 缸体铸件是一拖集团l r - m n 型四缸发动机机体铸件，是一种 采用干式缸套的发动机机体铸件，主要为一拖集团大型轮式拖拉机、收割机 等农机配套。4 r b 0 2 0 1 0 1 缸体铸件因其结构复杂，在缸体铸造生产过程中主 要存在气孔、水套芯断以及铸件机械性能不均匀，厚大部位硬度低，薄壁部 位硬度高，石墨形态和珠光体含量不能满足要求等问题。 本论文以4 r b 0 2 0 1 0 1 缸体典型铸造缺陷分析和铸造工艺改进为研究对 象，对水套芯子结构进行了改进、选用了新型覆膜砂工艺、改进主体芯子的 排气通道，为解决缸体气孔、水套芯子断等问题进行探讨；本论文还研究了 硅铁孕育剂、稀土铬锰硅孕育剂、硅钡孕育剂在缸体铸造过程中的应用，研 究了不同孕育剂对发动机缸体铸件机械性能和石墨形态、珠光体含量等金相 组织的影响，通过实验分析探讨获得均匀、稳定的缸体金相组织及机械性能 的方法；探讨了在原材料和熔炼工艺稳定前提下，高温熔炼对获得高质量铸 件的影响。 研究表明，选用适当的覆膜砂生产缸体水套芯，同时通过采用金属支架 和局部增厚水套芯，在缸体主体芯组装后增加防跑火措施和增加排气措施对 解决缸体铸件气孔、芯子断有显著效果；硅钡孕育剂与7 5 硅铁孕育剂、稀土 铬锰硅孕育剂相比更有利于铸件本体形成a 型石墨，特别是在消除缸体铸件 薄壁处硬度高和加工困难的问题有明显优势；为提高缸体铸件强度使用硅钡 孕育剂与铬、铜、锡等合金元素配合的方法，可以获得铸件金相组织稳定、 4 r b 0 2 0 1 0 1 缸体铸造工艺的改进研究 机械性能可靠的发动机缸体铸件；实际生产表明在冲天炉与感应电炉双联熔 炼过程中，保证冲天炉出铁温度达到1 4 7 0 。c 以上时，对消除生铁的石墨形态 遗传，稳定获得缸体铸件a 型石墨和9 5 以上的珠光体，较高的铸件强度是 必不可少的条件。 本文通过对水套芯、铁水孕育和合金化及铁水熔炼温度的工艺改进，解 决了4 r b 0 2 0 1 0 1 缸体在生产过程中存在的气孔、芯子断和金相组织、机械性 能不能满足要求的问题。 关键词：缸体铸件工艺改进金相组织机械性能 江苏大学工程硕士学位论文 a b s t r a c t 4 r b 0 2 0101 - t y p ee n g i n eb o d yc a s t i n g si sal r m n t y p ee n g i n et h a tb ed e v e l o p e db y y t o c o m p a n y ，a n dw a su s e do nl a r g ew h e e l e dt r a c t o ra n dc o m b i n eh a r v e s t e r , a g r i c u l t u r a l m a c h i n e r ye q u i p m e n td e v e l o p m e n t t h e4 r b 0 2 0 10 1 - t y p ee n g i n eb o d yc a s t i n g se m p l o i e dd r y c y l i n d e r t h ee x i s t sm a i n l yp r o b l e mi sb l o wh o l e ，j a c k e tc o r eb r o k e na n dc a s t i n gm e c h a n i c a l p e r f o r m a n c ei sn o tu n i f o r m ，c a s t i n gm e c h a n i c a lp e r f o r m a n c ei sn o tu n i f o r ma n dt h i nw a l lp a r t s h i 曲h a r d n e s s g r a p h i t em o r p h o l o g ya n dp e a r l i t ec o n t e n tc a nn o tm e e t t h er e q u i r e m e n t s ，e t c t h i sp a p e r4 r b 0 2 0101c y l i n d e rw i t h4t y p i c a lc a s t i n gd e f e c ta n a l y s i sa n dc a s t i n gp r o c e s s i m p r o v e m e n ta st h er e s e a r c ho b j e c t ，t h ew a t e rj a c k e tc o r es t r u c t u r ei m p r o v e m e n t ，c h o o s et h e n e wc o a t e ds a n dp r o c e s s ，i m p r o v et h es u b je c tc o r ee x h a u s tc h a n n e l ，i no r d e rt os o l v ec y l i n d e r h o l e ，w a t e rj a c k e tc o r ef a u l ta r ed i s c u s s e d ；t h i sp a p e ra l s os t u d i e st h ef e r r o s i l i c o nn u c l e a t i n g a g e n t ，r a r ee a r t hc h r o m i u mm a n g a n e s es i l i c o nn u c l e a t i n ga g e n t ，s i l i c o nb a r i u mn u c l e a t i n ga g e n t i nt h ec y l i n d e rb l o c kc a s t i n gp r o c e s so fa p p l i c a t i o n ，t h ed i f f e r e n tn u c l e a t i n ga g e n to nt h ee n g i n e b l o c k c a s t i n g m e c h a n i c a l p r o p e r t i e s a n d g r a p h i t em o r p h o l o g y , p e a r l i t e c o n t e n ta n d m e t a l l o g r a p h i cs t r u c t u r ei n f l u e n c e ，t h r o u g ht h ee x p e r i m e n t a la n a l y s i st h i s a r t i c l ea t t e m p t st o f i n dt h ec y l i n d e ru n i f o r m i t ya n ds t a b i l i t yo fm i c r o s t r u c t u r ea n dm e c h a n i c a lp r o p e r t i e so ft h e m e t h o d ；d i s c u s s e st h er a wm a t e r i a l sa n ds m e l t i n gp r o c e s ss t a b l ep r e m i s e ，h i g ht e m p e r a t u r e m e l t i n g t og e th i g hq u a l i t y c a s t i n gi n f l u e n c e r e s e a r c hs h o w st h a t ，c h o o s ea p p r o p r i a t ec o a t e ds a n dp r o d u c t i o nb l o c kw a t e rja c k e tc o r e ， a n da tt h es a l r l et i m e ，t h r o u g ht h eu s eo fm e t a ls t e n t sa n dl o c a lt h i c k e n i n gja c k e tc o r e ，i nt h e c y l i n d e rb o d yc o r ea f t e ra s s e m b l yi n c r e a s ea n t ib r e a k o u tm e a s u r e sa n di n c r e a s ee x h a u s t m e a s u r e st os o l v et h ec y l i n d e rb o d yb l o wh o l e ，c o r ef a u l th a ss i g n i f i c a n te f f e c t ；s i l i c o nb a r i u m n u c l e a t i n ga g e n ta n d7 5f e r r o s i l i c o nn u c l e a t i n ga g e n t ，r a r ee a r t hc h r o m i u mm a n g a n e s es i l i c o n n u c l e a t i n ga g e n tm o r ec o m p a r e dt oc a s t i n gb o d yf o r mat y p eg r a p h i t e ，e s p e c i a l l yi ne l i m i n a t i n g c y l i n d e rc a s t i n gt h i nw a l lp l a c eh i 曲h a r d n e s sa n dp r o c e s s i n gd i f f i c u l tp r o b l e m sh a v eo b v i o u s a d v a n t a g e s ；i no r d e rt oi m p r o v et h ec y l i n d e rb l o c kc a s t i n gs t r e n g t hu s i n gs i l i c o nb a r i u m n u c l e a t i n ga g e n ta n dc h r o m i u m ，c o p p e r , t i na l l o ye l e m e n t sf i tm e t h o d ，c a ng e tc a s t i n g m e t a l l o g r a p h i cs t r u c t u r es t a b i l i t y , m e c h a n i c a lp r o p e r t i e sa n dr e l i a b l ee n g i n eb l o c kc a s t i n g ；t h e p r a c t i c a lp r o d u c t i o ns h o w st h a ti nt h ec u p o l aa n di n d u c t i o nf u r n a c ed u p l e xm e l t i n gp r o c e s s ， 1 1 1 4 r b 0 2 0 1 0 1 缸体铸造工艺的改进研究 e n s u r et h ec u p o l ai r o n t e m p e r a t u r eu p t oi4 7 0 a b o v e ，t oe l i m i n a t ei r o no fg r a p h i t e m o r p h o l o g yg e n e t i c ，s t a b l ef o rc y l i n d e rb l o c kc a s t i n gt y p eag r a p h i t ea n dm o r et h a n9 5 o ft h e p e a r l i t e ，h i g h e rc a s t i n gs t r e n g t hi sa ni n d i s p e n s a b l ec o n d i t i o n t h i sa r t i c l et h r o u g ht ow a t e rj a c k e tc o r e ，m o l t e ni r o ni n o c u l a t i o na n da l l o y i n ga n dh o t m e t a lm e l t i n gt e m p e r a t u r ep r o c e s si m p r o v e m e n t ，s o l v et h e4 r b 0 2 0101 c y l i n d e ri n t h e p r o d u c t i o np r o c e s sa r eh o l e ，c o r ef a u l ta n dm e t a l l o g r a p h i cs t r u c t u r ea n dm e c h a n i c a lp r o p e r t i e s c a nm e e tt h er e q u i r e m e n t so ft h ep r o b l e m k e yw o r d s ：e n g i n eb l o c kc a s t i n g ，t e c h n i c a li m p r o v e m e n t ，m e t a l l o g r a p h i cs t r u c t u r e ， m e c h a n i c a lp r o p e r t i e s i v 江苏大学工程硕士学位论文 第1 章绪论 我国是铸铁件的生产大国，铸件产量约占世界铸件总产量的1 3 。2 0 1 0 年各类铸铁 件的产量达到3 9 6 0 万吨，其中汽车、内燃机和农机行业的铸件产量达到1 5 3 0 万吨，占铸 件总产量的3 8 6 。预计到2 0 1 5 年我国的铸件产量将达到5 0 0 0 万吨以上。 1 1 铸造技术发展现状 1 1 1 发达国家铸造技术现状 发达国家总体上铸造技术先进、产品质量好、生产效率高、环境污染少、原辅材料已 形成商品化系列化供应，生产普遍实现机械化、自动化、智能化( 计算机控制、机器人操 作。铸铁熔炼使用大型、高效、除尘、微机测控、外热送风无炉衬水冷连续作业冲天炉， 普遍使用铸造焦，冲天炉或电炉与冲天炉双联熔炼的方法。对重要铸件生产中，铁水成分 要求高，采用热分析技术及时准确控制c 、s 含量，用直读光谱仪2 3m i n 分析出十几 个元素含量且精度高，使铁水成分得以准确控制。 在大批量中小铸件的生产中，大多采用微机控制的高密度静压、射压或气冲造型机械 化、自动化高效流水线湿型砂造型工艺，砂处理采用高效连续混砂机、人工智能型砂在线 控制专家系统，制芯工艺普遍采用树脂砂热、温芯盒法和冷芯盒法。 成功地采用e p c 技术大批量生产汽车汽缸体、缸盖等复杂铸件，生产率达1 8 0 型m 。 在工艺设计、模具加工中，采用c a d c a m r p m 技术；在铸造机械的专业化、成套化制 备中，开始采用c i m s 技术。 铸造生产全过程主动、从严执行技术标准，铸件废品率仅2 5 ；标准更新快( 标 龄4 5 年) ；普遍进行i s 0 9 0 0 0 、i s 0 1 4 0 0 0 等认证。 1 1 2 我国铸造技术现状 铸造是金属成形的一种最主要方法，它是热加工的基础。中国作为全球铸件产量第一大国， 中国的铸造水平却落后于发达国家。我国铸件产量从2 0 0 0 年起超越美国已连续6 年位居 世界第一，已成为世界铸造生产基地。根据全球主要铸件生产国2 0 0 4 年的产量统计可以 看出，十大铸件生产国可分为两类，一类是发展中国家，虽然产量大，但铸件附加值低， 4 r b 0 2 0 1 0 1 缸体铸造工艺的改进研究 小企业多，从业人员队伍庞大，黑色金属比重大；另一类是发达国家，如日本、美国及欧 洲等，他们采用高新技术主要生产高附加值铸件。 从批量和劳动生产率看，欧、美、日的优势很大，日本的劳动生产率是人均年产铸件 1 4 0 吨，我国估计约为2 0 吨，相差7 倍。我国人工成本低于1 美元小时，与发达国家相 差几十倍，因而出口铸件具有优势。在产品质量和档次方面，我们远落后于发达国家。 在国内，铸造业是关系国计民生的重要行业，是汽车、石化、钢铁、电力、造船、纺 织、装备制造等支柱产业的基础，是制造业的重要组成部份。在机械装备中，铸件占整机 重量的比例很高，内燃机占8 0 、拖拉机占5 0 一8 0 、液压件、泵类机械占5 0 一6 0 。 汽车中的关键部件几乎全部铸造而成；冶金、矿山、电站等重大设备都依赖于大型铸锻件， 铸件的质量直接影响着整机的质量和性能。 总体上，学术研究并不落后，但转化为现实生产力的少。国内铸造生产技术水平高的 仅限于少数骨干企业，行业整体技术水平落后，铸件质量低，材料、能源消耗高，经济效 益差，劳动条件恶劣，污染严重。铸造原辅材料生产供应的社会化、专业化、商品化差距 大，在品种质量等方面远不能满足新工艺新技术发展的需要；铸造工艺设计多凭个人经验； 铸件废品率高。 随着公众环境意识的不断提高及国家环境保护法律法规的进一步完善，铸造企业环保 压力的增大，“绿色铸造”的逐步概念得到认可，使铸造企业在铸件产品设计、制造、包 装、运输、使用到报废处理的整个“产品生命”周期中，努力实现对环境的负面影响最小， 资源效率最高，从而使企业经济效益和社会效益达到最优化。 1 2 发动机灰铸铁件的发展方向 随着我国经济的快速发展，极大地推动了汽车、工程机械、农机等行业的发展和技术 进步。发动机作为汽车、农机、工程机械等的“心脏”，铸件重量占发动机总重达到6 0 8 0 。 缸体、缸盖是发动机中形状复杂、技术要求高、生产难度大的关键零件。缸体、缸盖的铸 造工艺质量水平，直接影响发动机的工作性能和使用寿命。 灰铸铁具有优良的铸造性能、优良的减震性、减摩性、导热性和良好的切削性等优点， 被广泛应用于发动机缸体、缸盖等铸件。发动机铸件的轻量化、薄壁化、强韧化成为国内 外发动机行业的发展方向。开发和生产既具有高强度材质又具有良好加工性能的灰铸铁生 产工艺成为各先进铸造企业面临的重要技术难题。 一拖集团公司上世纪八十年代从英国引进里卡多发动机，通过多年自主开发，形成了 2 江苏大学工程硕士学位论文 多系列、多应用领域的发动机制造能力。里卡多发动机被广泛应用于拖拉机、收获机、工 程机械、发电机等产品，为我国农机行业的发展起到重要作用。近年来，随着里卡多系列 发动机功率的提升以及新型大功率发动机的开发，对发动机的缸体、缸盖材质提出了更高 要求。 一拖( 洛阳) 铸造有限公司除和集团公司主机产品配套外，同时与国内柴油机主机厂 合作开发了曲轴箱和4 、6 缸发送机机体等产品，2 0 0 9 年公司铸件产量9 6 万吨，2 0 1 0 年 铸件产量1 3 3 万吨，2 0 1 1 年产量1 1 万吨，其中4 、6 缸体铸件的生产能力达到1 0 万台 年以上。近年来在湿式缸体的基础上开发了功率更高的干式缸体，为较大功率柴油机的开 发和推广提供了支撑。 1 3 发动机缸体铸件的质量技术要求 1 3 1 缸体材料要求 缸体铸件是发动机零件中复杂程度最高、生产难度最大的一个关键铸件。缸体质量 的高低，直接影响到发动机的使用性能。缸体尺寸较大，结构复杂，壁厚薄且不均匀( 最 薄处仅3 - 5 r a m ) 。缸体在工作中承受气压力的拉伸和气压力与惯性力联合作用下的倾覆力 矩的扭转和弯曲以及螺栓预紧力的综合作用。在这些大小、方向变化的力和力矩作用下， 使机体产生横向和纵向的变形，变形超过许用值时将影响与机座相联零部件的可靠性和工 作能力，尤其是活塞、连杆的工作可靠性和耐磨性会受到严重影响，并导致发动机不能正 常工作。因此，缸体铸件必须满足下列要求： ( 1 ) 有足够的刚度和强度。特别是要有足够的刚度，以减少变形，保证尺寸的稳定 性。 ( 2 ) 良好的铸造性能和切削性能。 ( 3 ) 生产成本低。对产品的商业化批量生产，生产成本直接决定企业的竞争力，因此 在保证产品质量的前提下，降低生产成本尤为重要。 ( 4 ) 环保性。此环保包括生产环保和材质本身的环保。随着国家对环保的不断重视， 产品生产及其材料的再循环性及环境保护性也是一项重要要求。 1 3 2 灰铸铁缸体材料 灰铸铁由于具有良好的铸造工艺性能和机械性能，优越的耐磨性、减振性和导热性， 3 4 r b 0 2 0 1 0 1 缸体铸造工艺的改进研究 而且生产方便，价格便宜，在很多工业领域的铁系零件中被选定为复杂形状零件的首选材 料，特别是交通运输行业用作制造发动机的材料。随着现代科学技术的进步和节能要求， 高强度、高性能、轻量化成为国内外研究者们进行发动机材料研究的一项重要内容。 国内外经过几十年的研究和生产实践，对灰铸铁缸体的材质已基本规范化，在化学成分、 材质牌号、本体硬度和金相组织等方面变化不大。缸体铸件一般采用h t 2 5 0 牌号或更高牌 号的低合金铸铁，金相组织要求珠光体含量9 5 以上。为保证良好的铸造工艺性能，在化 学成分的控制上采用较高的碳当量( 3 9 一4 i c e ) ，在化学成分中添加c r 、c u 、s n 、m o 等合金元素【l l ，以提高铸件的本体强度、硬度及其断面均匀性。铸件本体检测点硬度要求 h b l 8 0 - 2 5 0 ，厚薄处的硬度差小于3 0 h i 。灰铸铁金相组织是影响铸件材质性能和加工性能 的主要因素，发动机缸体铸件要求金相组织：石墨形态主要以a 型石墨( 均匀分布的片状 石墨，使得铸件组织均匀，强度高) 为主，允许少量b 型石墨( 片状与电状石墨聚集成菊 花状分布) ，不允许存在d 、e 型石墨( d 型石墨为点、片状枝晶间石墨成无向分布，e 型 石墨为短小片状枝晶石墨呈方向性分布) ；石墨长度4 - 6 级，珠光体含量达到9 5 以上， 渗碳体和磷共晶不超过1 。 1 4 发动机缸体铸件的质量控制 1 4 1 干式缸体铸造缺陷质量控制要点 干式缸体和湿式缸体相比工艺的难度主要集中在水套芯上，由于水套芯结构复杂，芯 子壁薄，厚度最小4 m m ，在铸件成型过程中水套芯几乎被铁水全包裹，支撑芯头小，容易 出现芯子漂移、烧结和断裂，同时不利于芯子的排气，容易造成铸件皮下气孔、砂孔和芯 缺等缺陷，使得缸体的废品率较高，严重影响铸件生产成本，是铸造厂重点解决的难点之 一。 同时该芯子形成的内腔机构复杂，出砂口小，必须保证良好的溃散性，以便在实际生 产中具有较好的出砂性能，提高铸件清理的生产效率和铸件的清洁度。 1 4 2 灰铸铁铸件金相组织和机械性能质量控制要点 灰铸铁基本上是由铁、碳和硅组成的共晶型合金，其中，碳主要以石墨的形态存在。 生产优质铸件，控制铸铁凝固时形成的石墨的形态和基体金属组织是至关重要的。灰铸铁 的力学性能主要是由材料的组织决定的，而灰铸铁组织主要由原材料质量、化学成分、熔 4 江苏大学工程硕士学位论文 炼工艺、孕育工艺等因素决定。在碳当量3 9 4 1 条件下，如何合理控制相对重要的四个 材料组织因素( 即增加奥氏体枝晶数量、细化共晶团、细化石墨和强化基体) ，优化熔炼 工艺以及严格控制过程是解决灰铸铁高强化、薄壁化稳定生产的关键【2 。缸体零件是典型 的薄壁、结构复杂的零件，因此探讨高强度薄壁灰铸铁生产工艺，对提高发动机缸体铸件 材质稳定性有重要的意义。 影响灰铸铁组织稳定的主要因素包括以下几方面：石墨形态、数量和分布；增加奥氏 体直枝晶数量；共晶团尺寸；基体组织。高强度灰铸铁的石墨形态应为均匀分布的a 型 石墨；通过孕育处理细化共晶团对提高铸铁的强度有显著的作用；强化基体也是生产高强 度灰铸铁的主要措施。在液态铸铁中加入孕育剂，可以形成大量亚显微核心，促使共晶团 在液相中生成。接近共晶凝固温度时，生核处首先形成细小的石墨片，并由此成长为共晶 团。每一个共晶团的形成，都会向周围的液相释放少量的热，形成的共晶团越多，铸铁的 凝固速率就越低。凝固速率的降低，就有助于按铁一石墨稳定系统凝固，而且能得到a 型石墨组织。 孕育良好的铸铁流动性较好，铸件的收缩减少、加工性能改善、残留应力减少。发动 机缸体是典型的箱体类高强度灰铸铁件，结构复杂，壁厚差较大，薄壁处易出现局部白口， 难以加工。在高碳当量条件下，尤其是生产薄壁高强度灰铸铁件，使用复合孕育剂是十分 重要的。复合孕育剂含有相应的石墨化元素，以消除白口、改善石墨形态，增加并细化奥 氏体枝晶。孕育处理也有副作用，提高铸铁的成核程度，增加共晶团数目，结果常常导致 缩松的增加。因此在气缸体生产中需要注意控制孕育量。 严格过程控制，确定稳定的生产工艺是生产高品质灰铸铁件的基本条件。生产发动机 灰铸铁件的主要工艺措施包括：( 1 ) 获得高温优质的铁液；( 2 ) 低合金化；( 3 ) 强化孕育。 强化孕育主要是采用有效的孕育剂和孕育处理工艺。 就我公司生产的4 r b 0 2 0 1 0 1 型四缸体而言，主要问题是批量生产时铁水成分不稳定， 铸件本体硬度偏低，石墨形态和长度不能稳定保证工艺要求；缸体水套芯高温强度偏低， 发气量大，容易造成铸件因断芯形成的砂孔和芯缺，同时气孔、渗漏造成的废品比例居高 不下，需要从干式缸体水套芯制芯和铁水成分方面进行技术攻关和试验，以寻找合适的方 法和材料满足质量需求和经济性要求。 1 5 本课题研究所要解决的问题 由于造成4 r b 0 2 0 1 0 1 缸体废品率高的主要缺陷是气孔和水套芯子断，影响缸体铸件品 5 4 r b 0 2 0 1 0 1 缸体铸造工艺的改进研究 质的主要问题是铸件本体强度，硬度和切削性能，通过采取工艺措施，试验新材料解决缸 体水套芯发气量、高温强度以及防止浇注时跑铁对提升铸件成品率至关重要。 4 r b 0 2 0 1 0 1 干式缸体零件的结构特点是水套芯形成的内腔大面积、薄壁，水套芯子在 浇注成型过程中全部被铁水包裹，冷却水腔内外壁6 - 8 r a m ，同时该缸体配套型号发动机功 率大，决定了在保证缸体足够的力学性能的同时，必须兼顾良好的铸造性能，避免铸件出 现白口倾向以及局部缩松、渗漏等问题。缸体铸件渗漏和铸件机械性能和进行组织不稳定， 是4 r b 缸体铸件在生产过程中存在的主要质量问题，控制铁水成分中碳当量，能够同时满 足减小白口倾向及铸件缩松、渗漏等缺陷，保证缸体铸件的硬度、强度的均匀稳定性存在 工艺难题。 我公司在生产4 r b 0 2 0 1 0 1 干式缸体过程中，铸件硬度一直徘徊在h b l 8 0 2 0 0 范围内，铸 件硬度难以稳定达至u h b l 9 0 以上，缸体铸件硬度和强度波动大，同一铸件强度不均匀影响 了缸体铸件的质量水平。4 r b 0 2 0 1 0 1 干式缸体在加工过程中，经常出现的水道面白口加工 困难的问题，客户对铸件的加工性能常存在抱怨。缸体铸件本体金相组织中a 型石墨形态 不能稳定保证，经常出现d 、e 型石墨及石长3 级等异常石墨形态，影响铸件的强度和硬度 的稳定性。 本课题在解决4 r b 干式缸体铸件气孔、水套芯断等铸造缺陷上，主要从以下4 个方面进 行： ( 1 ) 对水套芯结构进行改进，增加局部厚度以提升热强度，制芯时在易断裂部位增加金 属支架，铁水浇注过程中将金属支架熔入铸件本体，起到防止芯子浇注时断裂作用。 ( 2 ) 对覆膜砂性能进行检验跟踪，通过生产实践对比不同规格覆膜砂生产水套芯的热强 度、溃散性和发气量，重点研究覆膜砂性能和制芯工艺对铸件气孔、水套芯子断裂的影响， 以选取适当的覆膜砂用于干式缸体水套芯子的生产。 ( 3 ) 水套芯覆膜砂实际生产验证试验，通过对比分析筛选合适的材料，以满足产品质量 的需要，对水套芯耐火涂料防粘砂性能进行验证，同时要考虑实际生产的效率影响和经济 性。 ( 4 ) 改进缸体主体芯组装工艺，增加模具排气系统，提高芯子排气效果，降低铸件废品 缺陷。 本课题在解决4 r b 0 2 0 1 0 1 干式缸体铸件强度、硬度偏低，硬度分布不均匀上主要从以 下3 个方面进行： ( 1 ) 改进孕育工艺 6 江苏大学工程硕士学位论文 孕育处理己是现代铸造生产中提高铸铁性能的重要手段。在高碳当量条件下，有效控 制铁液质量，进行孕育处理以达到性能要求，成为当前的主要发展方向之一。灰铸铁件生 产中，往往通过孕育处理消除铸造缺陷，调整硬度，改善机械加工性能。孕育处理不仅可 以最大限度的减少薄壁部分的白口倾向，改善铸件的显微组织和性能，细化晶粒，而且可 以提高灰铸铁件强度。良好的孕育处理可使灰铸铁具有符合要求的显微组织，从而保证铸 件的力学性能和加工性能。良好的孕育工艺取决于孕育材料、孕育方式等。 目前，用于处理灰铸铁的孕育剂品种繁多，但广泛应用的还是7 5 硅铁。本文通过在缸 体生产中采用不同的孕育剂，并对缸体铸件进行强度硬度及金相组织检测，以寻找适合的 孕育剂及加入量，以方便获得符合强度硬度均匀性和良好石墨状态的缸体铸件。 ( 2 ) 调整合金元素 灰铸铁中常用的合金元素包括铬、铜、锡、镍、钼等，灰铸铁中加入合金元素来提高 强度的主要机理表现在：细化石墨和共晶团；增加并细化珠光体；提高渗碳体的热稳定性， 防止珠光体在高温下分解，提高铸铁的热稳定性；生成碳化物等硬化相。 铬、铜成为灰铸铁缸体最常用的合金元素。铜与铬是强烈稳定珠光体的元素，但对 细化珠光体的作用很小。只有当铜含量大于0 3 时灰铸铁的抗拉强度才有明显的提高。 加入0 2 - 0 3 的铬后，铸铁强度提高幅度较大，有利于增加珠光体量和改善石墨形态。当 含铬量大于0 3 5 时，会使铸件白口化合渗漏倾向明显增加，铸件中易出现初生碳化物， 影响机加工性能，故加铬量以不超过0 3 5 为宜。 锡是强烈促进和稳定珠光体的元素，资料瞳1 介绍在普通灰铸铁中，加入s n0 0 5 - 0 1 可将灰铸铁强度提高将近一级，锡在共析转变期间促进珠光体化作用1 0 倍于铜。生产高 碳当量缸体时铸件中加入锡，能够增加缸体局部厚大部位的珠光体含量，同时提高铸件的 硬度和强度。在生产高强度发动机铸件时，锡常与铬铜配合使用。潍柴在生产w d 6 1 5 发动 机时通过加锡解决缸体铸件的渗漏问题，同时提高铸件的性能。铸件中锡加入过量时，由 于珠光体溶解锡较多，会造成脆性。锡含量超过0 1 2 就会有增加脆性的可能。锡的含量 为0 0 4 0 1 时，能显著提高灰铸铁的强度和硬度，逢伟的研究指出：当灰铸铁已经进行 了铬、铜合金化，锡对强度性能的提高作用就微乎其微了，但只要加入少量的锡就可以， 增加基体中的珠光体含量，提高材料的硬度。 ( 3 ) 提高铁水熔炼温度，使用优质废钢，改善铸件本体金相组织和加工性能。 铁液温度是生产高质量铸件的基础。铁水熔炼温度低，很难消除生铁中粗大石墨的遗 传性，当熔炼温度在1 4 8 0 1 5 0 0 时，s i o 。+ 2 c s i + 2 c o 反应才能进行。可促使铁水中非 4 r b 0 2 0 1 0 1 缸体铸造工艺的改进研究 金属夹杂物排出，铁水得到净化，含氧量降低，使孕育剂中的活性元素钙、铝等充分发挥 成核作用。在一定工艺范围内提高铁液的过热温度( 1 4 8 0 1 5 0 0 。c ) ，将有利于石墨的细化， 有利于提高铁液的纯净度。资料介绍，在电炉熔炼过程中，铁水在高温( 1 5 2 0 c 以上) 长 时间保温则会降低铁液形核能力，造成石墨形态恶化，产生d 、e 型石墨。 1 6 本课题研究的内容和应用前景 本课题的主要研究内容： ( 1 ) 通过对水套芯制芯、组芯、排气系统的工艺技术改进，降低铸件气孔缺陷和断芯缺陷 造成的铸件废品，提升铸件成品率，可以满足批量生产的需要，( 详见第3 章) 。 ( 2 ) 研究不同种类灰铸铁孕育剂对铸件石墨形态及珠光体含量等金相显微组织与铸件强 度、硬度的影响，通过生产实践研究，找出最佳工艺方案改善铸件金相显微组织，以提高 缸体铸件机械性能( 详见第4 章) 。 ( 3 ) 研究铬、铜、锡等合金元素，对在与孕育剂配合使用时对铸件材质性能的影响，寻找 生产较高强度灰铸铁的比较经济的途径( 详见第5 章) 。 ( 4 ) 研究在同等配料的情况下铁水熔炼温度对铸件本体金相组织的主要影响，以获得石墨 形态均匀的缸体铸件( 详见第6 章) 。 本课题主要通过研究解决干式缸体生产中存在的气孔、水套芯子断等突出质量问题和 探讨为获得性能稳定的较高强度灰铸铁对孕育剂选取、合金元素的添加、铁水熔炼条件等 因素的作用，为生产其它同类产品时工艺的选取提供参考，对其它灰铸铁缸体铸件的生产 和质量保证都具有参考价值，特别是对水套芯覆膜砂的工艺改进方法，对其它干式缸体的 生产有广泛的借鉴意义。 江苏大学工程硕士学位论文 第2 章4 r b 0 2 0 10 1 干式缸体生产设备及工艺 一拖铸造公司静压线生产的4 r b 0 2 0 1 0 1 干式缸体铸件，从制芯、组芯、下芯、造型 全部采用流水线生产，砂型采用潮模砂造型工艺，铁水熔炼采用冲天炉工频电炉双联熔 炼工艺，浇注过程采用双工位自动浇注机，浇注时同步使用程控在线随流孕育装置进行随 流孕育；清理设备采用意大利进口机械手抛丸机对铸件进行粗抛丸和细抛丸。 2 14 r b 干式缸体及技术要求 4 r b 0 2 0 1 0 1 干式四缸体( 图2 1 ，图2 2 ，图2 3 ，图2 4 ) 是一拖集团公司在里卡多 四缸体基础上研发的新型发动机缸体，材料牌号h t 2 5 0 。外形尺寸( m m ) ：5 5 6 1 3 5 ( 顶 面) ，5 4 2 3 2 2 ( 底面) ，高度3 4 0 m m ，缸径1 1 2 m m ，活塞行程1 3 5 m m ，铸件重量：1 5 1 k g ， 最大壁厚5 4 m m ，最小壁厚6 m m 。 生产难点是水套芯在浇注过程中易断裂造成铸件报废，同时上箱面气孔缺陷较多，铸 件加工后皮下气孔缺陷也是造成铸件废品的主要原因，同时由于水套芯大部分被铁水包 裹，芯子出砂困难，影响铸件清洁度，清理完成前必须进行烧砂处理，提高了铸件的生产 成本，工艺性较差。在机械性能方面用户反馈较多的质量问题是铸件强度不均匀，强度值 偏低，同时上箱面壁薄部位局部出现硬点，切削性能不好，水压试验中有渗漏现象。 图2 1 4 r b 0 2 0 10 1 干式四缸体上箱面 f i g2 1u ps u r f a c eo f4 r b 0 20 1 0 1d r y t y p ec y li n d e rb 1 0 c k 9 4 r b 0 2 0 1 0 1 缸体铸造工艺的改进研究 图2 24 r b 0 20 10 1 干式四缸体下箱面 f i g2 2n e x t s u r f a c eo f4 r b 0 2 0 10 1d r y t y p ec y li n d e rb 1 0 c k 图2 34 r b 0 2 0 10 1 干式四缸体底面 f i g2 3u n d e r s u r f a c eo f4 r b 0 2 0 10 1d r y t y p ec y li n d e rb 1 0 c k 1 0 江苏大学工程硕士学位论文 图2 44 r b 0 2 0 1 0 1 干式四缸体顶面 2 24 r b 干式缸体技术要求 2 2 1 机械性能及硬度要求 随炉浇注中3 0 m m 的单铸试棒，必须达到g b t9 4 3 9 2 0 1 0 中单铸试棒抗拉强度指 标，即h t 2 5 0 单铸试棒抗拉强度最小要求2 5 0 m p a 。 本体取样检测抗拉强度，灰铸铁缸盖和缸体铸件本体试样应达到的抗拉强度见表 2 1 ；本体取样位置见图2 5 。 表2 14 r b 缸体铸件本体抗拉强度要求 t a b2 1t e n s ii es t r e n g t hr e q u ir e m e n to f4 r bc y ii n d e rb o d yc a s t i n g s 牌号取样部位 壁厚( 舳) 最低抗拉强度( m p a ) 机体底面j 1 2 0 4 02 0 5 h t 2 5 0 机油泵深油孔外壁j 2 2 0 4 02 0 5 机体水道面上部j 3 1 0 - 2 02 2 0 g b t 9 4 3 9 2 0 1 0 轴承座 2 0 4 02 0 5 缸孔5 一1 02 4 0 4 r b 0 2 0 1 0 1 缸体铸造工艺的改进研究 注：机体取样部位如下 jl 一一机体底面 j 2 一一机油泵深油孔9 l 壁 j 3 一一机体水道面上部 图2 5 缸体本体强度取样位置 f i g2 5s a m p li n gl o c a t i o no ft h eo y li n d e rb o d y 缸体表面硬度应达到h b l 8 0 2 5 0 ；铸件硬度在顶面、底面、主轴承孔分开面上测 量( 以上测量面均为加工表面) 。同一缸体铸件的硬度差不大于3 0 h b 。 2 2 2 金相组织要求 基体组织：细片珠光体的含量不低于9 5 ，渗碳体、磷共晶均小于1 。 石墨形态：石墨以a 型为主，允许少量b 型石墨，石墨长4 - 6 级，且要求均匀分布。 2 2 3 铸件尺寸精度及重量偏差要求 铸件尺寸公差符合产品图样的标准，没有明确规定的按c t 9 级验收，铸件错箱值 l m m ， 重量偏差m t 9 级。 2 2 4 铸件表面质量要求 表面粗糙度达r a ：1 2 5 - 2 5 u m 。机械加工前铸件采用浸或喷防锈漆，确保交货后2 个 月内不生锈。铸件不允许有裂纹、冷隔、浇不足及其它降低强度或影响加工的缺陷。铸件 允许经机加工能去除的缺陷存在。缸体与缸套配合面、缸体与轴承盖的结合面、凸轮轴孔、 顶柱孔、缸体与缸盖结合面、主轴承孔及螺纹孔不允许有任何加工不能去除的缺陷；缸体 所有的水道、回油道不允许有影响油或水流通状态的披锋和其它杂物存在。 江苏大学工程硕士学位论文 2 2 5 铸件清洁度要求 铸件清洁度是指铸件在清整结束后，涂防锈底漆之前，按规定的检测方法，进行清洁 度检验，并出具检测报告。机体铸件的清洁度为8 9 。 2 2 64 r b 干式缸体化学成分见表2 2 表2 24 r b 缸体化学成分工艺要求( ) t a b2 2t h e m i c a ic o m p o s i t i o l 3p r o c e s sr e q u ir e m e n t so f4 r bc y ii n d e rb o d y ( ) cs im npsc r c us n 3 2 0 3 3 51 8 - 2 00 7 - 1 00 1 00 1 20 2 - 0 30 3 0 4 0 0 3 0 0 5 2 34 r b 干式缸体主要生产设备 2 3 1 制芯设备 静压线生产4 r b 干式缸体主体芯采用罗拉门迪制芯中心生产，机械手转运，整体组 芯，主体芯浸涂后烘干，出炉后组装水套芯盒套头芯；水套芯采用热芯盒覆膜砂工艺制芯， 使用仿豪庭格制芯机，制芯完成后浸涂料烘干备用，其它配套芯使用2 5 k g - 4 0 k g 热芯盒 制芯机生产，在造型线下芯。图2 6 罗拉门第制芯中心正在制芯；图2 7 为组装完成的4 r b 干式缸体主体芯。 图2 6 罗拉门第制芯中心 fig2 6l o r a m e n dc o r em a k i n gc e n t e r 1 3 4 r b 0 2 0 1 0 1 缸体铸造工艺的改进研究 2 3 2 造型线及浇注机 图2 7 组装完成的4 r b 干式缸体主体芯 f i g2 7b o d yc o r eo f4 r bd r yc y l n d e r 生产4 r j 3 缸体用的造型线采用潮模砂自动气流预紧实静压造型线，造型机为苏铸机 生产的静压造型机，砂箱尺寸为1 1 0 0 7 5 0 4 0 0 3 0 0 ，实际生产效率5 5 箱小时以上，铸型 背面平均硬度达到8 5 以上( b 型砂型硬度计) ，铸型上型背面能铣出合格的浇口杯，铸型 在运动过程中无变型、无掉砂现象，砂芯无晃动、错位，铸型背面刮砂后表面平整、无凸 凹现象。浇注机选用1 5 吨双工位自动浇注机，该浇注机配备有在线程控随流孕育系统。 2 3 3 熔炼设备 静压线铁液熔炼采用1 2 吨外水冷冲天炉与2 台3 0 吨有芯工频感应电炉双联熔炼( 图 1 4 ) 。冲天炉熔炼采用山西森润铸造焦，块度8 0 1 5 0 m m ，固定碳含量8 5 以上。冲天炉 出炉温度达到1 4 7 0 15 0 0 。有芯感应炉主要用于铁液的储存和铁液的升温保温。生产4 r b 干式四缸体要求电炉出铁温度控制在1 4 7 0 1 4 9 0 ，保证铁水浇注温度1 4 0 0 1 4 3 0 。 静压线使用的1 2 吨外水冷冲天炉采用双排大间距风口和外雨淋冷却系统，风机为罗 茨风机。铁液出炉后经虹吸分渣包分渣。冲天炉铁液使用铸造焦熔炼( 铸造焦：固定碳 8 5 ，挥发分1 5 ，硫分0 5 ) ，层焦铁比1 ：( 8 1 0 ) ，实际吨合格铸件焦耗为2 1 0 k g 左右。表2 3 为实际生产中1 2 吨外水冷冲天炉熔炼配料主要工艺参数。 1 4 江苏大学工程硕士学位论文 表2 3 外水冷冲天炉熔炼工艺参数 t a b2 3m eitin gp r o c e s sp a r a m e t e r so ft h eo u t e rw a