汽车发动机缸体缸盖消失模铸造技术的研究与应用

1、 汽车发动机缸体缸盖消失模铸造技术的研究与应用 为了降低发动机单位功率的重量指标、油耗指标及尾气排放指标，我们研究并开发了直列四缸二气门下置凸轮柴油机缸体缸盖消失模铸造产品。通过优化设计产品结构工艺、铸造环节流程工艺和采用性能更加的铸铁材料，使得每台套缸体缸盖消失模铸件产品总重量与普通砂型铸件相比减轻了15kg。发动机在扭矩工况下的油耗指标下降了1.5g/kw•h、排气温度下降了9、烟度下降了0.1FSN，在标定工况下的排气温度同比下降了19、烟度下降了0.2FSN。 发动机缸体缸盖的制造水平是衡量一个国家制造业水平的重要标志之一，进而也在很大程度上代表了一个国家汽车工业的

2、发展水平。不断提高发动机功率、降低燃油消耗量和减少尾气排放是汽车工业自身发展的内在需求，也是外部环境的客观要求。铝合金材料的选用使发动机乃至整车的重量得到了有效减轻，促进了汽车工业的发展。像美国的通用汽车GM公司、德国的宝马汽车BMW公司、意大利的法塔铝FATA消失模铸造公司和法国的雪铁龙汽车公司均采用了消失模铸造工艺来生产铝合金发动机缸盖以改善发动机乃至整车的综合性能并取得了显著的效果。汽车时代的进步对原材料、能源的节约和环境保护提出了更高的规范，使得发动机的比功率（KW/排量•升）越来越大，导致发动机缸体缸盖的工作温度普遍提高，两零部件的许多局部区域工作温度已经超过了2

3、00，此时一方面铝合金的机械强度会下降很快，显得不堪重负；另一方面发动机的机油正常工作温度为105，如此的高温使机油的润滑和导热作用变弱，而铸铁材料件在此温度下仍然能正常工作并表现出优异的工作性能。 目前解决铝合金在高温及常温下机械强度不够的措施是在缸体缸盖连接螺栓处和缸体与轴承盖连接螺栓处进行镶铸灰铸铁加固螺纹件或灰铸铁连接板。这样做一方面增加了铸造的技术难度、增加了零部件的重量，使得制造成本上升；另一方面由于铝合金与灰铸铁的膨胀系数有差别，在发动机正常工作情形下容易产生疲劳裂纹和镶铸件的松动缺陷。纵观铸造产品成型的全过程，即从矿石冶炼到铸件成品，铝合金的耗能要比铸铁高。而铸铁产品的防振能力

4、、自润滑能力和高温机械性能远大于铝合金，因此可以预见普通灰口铸铁、高牌号孕育铸铁、合金铸铁、蠕墨铸铁和球铁材质的汽车零部件将愈来愈多地受到人们的重视。尤其是蠕墨铸铁件，作为一种发动机新材料，蠕墨铸铁与普通灰口铸铁相比，抗拉强度提高了约75，弹性模量增加近40，疲劳强度几乎是灰口铸铁的2倍，用蠕墨铸铁取代灰口铸铁生产的发动机缸体至少可减轻重量10，同时大大降低了疲劳变形和柴油机的污染物排放量。国外已在大功率柴油机发动机件上普遍采用蠕墨铸铁材料。它具备接近球墨铸铁的强度，有类似普通灰铸铁的防振、导热能力及铸造性能，而又较普通灰铸铁有更好的塑性和耐疲劳性能。总之，只有铸铁件的力学性能与高温性能才能满

5、足汽车乃至发动机的未来发展之要求。 消失模铸造的基本原理是采用与所需铸件形状完全相同的泡沫塑料模添加合金缩水率后代替铸模进行造型，泡沫模样不取出呈实体铸型，浇入金属液使其汽化形成铸件。与传统的砂型铸造相比，消失模铸造取消了混砂、制芯工序，省去了传统造型工序中分箱、起模、修型、组芯与下芯、合箱等操作，大大简化了落砂、铸件清理及砂处理工序，因而缩短了生产周期；同时一方面由于负压下铸型刚度大，铸铁件易于实现自补缩，从而减小铸件所需的冒口尺寸，另一方面由于泡沫模型簇的组装自由度大，易于实现一型多件浇铸成型，提高了工艺出品率；消失模铸件机械加工余量小（2.53.5mm），壁厚均匀度高，孔径大于7mm的内

6、部型腔都可以直接铸出，铸件重量同比普通砂型铸件减轻8%12%；消失模造型干砂中无需粘结剂和添加物（煤粉、膨润土、水），这样一来既节约了大量的原材料又有利于旧砂循环使用，减轻环境污染。消失模铸造技术被誉为 “铸造中的绿色工程”。在过去的二十世纪八十年代，美国就已经把运用消失模铸造工艺来生产汽车发动机缸体缸盖，以提高发动机的整体性能来提升其汽车工业的国际竞争力，并取得了成功。 安徽全柴集团有限公司于1994年从美国引进了一条完整的消失模铸造生产线和相关的生产技术，包括预发泡机、制模机、胶合机、机械手、干砂造型和负压浇注生产线，经过十余年的消化吸收与艰苦探索，先后自主研究开发了两大系列7个品种的消失

7、模铸造普通灰口铸铁HT150、HT200和高牌号孕育铸铁HT250柴油机零部件产品：R175A单缸柴油机缸盖、R175A单缸柴油机缸体、N485四缸柴油机排气管、N485四缸柴油机飞轮壳、N485四缸柴油机离合器壳、N485四缸直喷式柴油机缸盖、4105ZLQ增压中冷式四缸柴油机缸体。参见图1所示，本文重点介绍直列四缸二气门下置凸轮柴油机缸体缸盖消失模铸造工艺的关键技术与应用状况。 1 泡沫模型结构工艺设计 汽车发动机缸体缸盖消失模泡沫模型的结构复杂系数为一级，在实际生产过程中很难将其一次性发泡成型。我们参照零件的自身结构特点和消失模铸造工艺特点将产品泡沫模型进行分片处理，并对每一个模片进行结

8、构工艺设计以利于发泡成型。每一个产品泡沫模型分片数量的多少及模片结构工艺设计的优劣直接关系到消失模铸造工艺项目的成败和消失模铸造生产效率的高低，这是关系全局的战略问题。 1.1 发动机缸体泡沫模型结构工艺设计 发动机缸体通常由气缸、缸筒冷却水套、缸盖结合面强力螺孔、出砂工艺孔、气门挺杆孔、主油道孔系、机油回路孔、机油泵孔、凸轮轴孔（汽油机多为顶置凸轮，设置在缸盖面上）、曲轴孔、曲轴箱、油底壳法兰、滤清器法兰、飞轮壳法兰、冷却水泵法兰、机油冷却器法兰、各种强化筋条和辐板等组成。 目前国内外在柴油机和汽油机发动机缸体的泡沫模型的结构工艺设计上有较大差异，从分片方案到模片的工艺处理均不尽相同。欧美国

9、家在分片方案上多采用自缸盖结合面至油底壳面水平切分（包括“V”型和直列式缸体）的方式。这种分型方案的优点是有利于实现自动化大批量生产，且胶合线互不干涉，胶合质量有保证;不足之处是胶合线较多且大部分分布在非加工面上，外观的整体美感不及普通砂型铸造件。与之配套的模片工艺处理较大的地方是将曲轴箱沿起模方向进行局部封实和镂空处理。这种模片工艺处理方案的优点是有利于实现模具结构的简化，进而对模片的发泡成型稳定性和提高制模效率有积极的推动作用; 不足之处是尽管在模片的局部厚大处采取了等壁厚镂空处理，以尽量减少由于局部封实而带来的铸件重量增加，但是由于受到起模高度和模片对孤岛状芯模的强大包紧力作用之限制，使

10、得镂空处理的效果难如人意。 水平分型与竖直分型相结合工艺分型方案的优点是既保证了曲轴箱的原始结构设计不变（发动机设计的理念是在满足使用性能的前提下尽量减轻各个零部件的重量，因此曲轴箱的原始设计其结构是相当复杂的。内腔有密布的强化筋条和强化幅板，这些结构用普通砂型铸造的工艺是容易实现的，而用消失模成型工艺采取竖直方向起模却无法达到顺利脱模之目的。如果采用之分型方案，就可将产品竖直方向的结构按照水平制模工艺来发泡成型了，铸件的重量不额外增加。与普通砂型铸造的缸体铸件相比单只重量小10kg。消失模缸体铸件为118kg， 普通砂型铸件为128kg。缸体铸件的重量减轻不仅降低了生产成本，也提高了铸件的质

11、量和发动机的性能），又实现了泡沫模片制模的自动化，能够满足大批量生产的需要。不足之处是水平胶合线与竖直胶合线有交叉，容易在此处出现胶合不良现象。补救的办法是先人工检查再涂敷密封胶。 综合以上国内外几种有代表性的发动机缸体消失模工艺方案，加之笔者多年的生产实践，认为对于要求大批量生产的汽车行业发动机缸体消失模铸件而言，采用水平分型和将曲轴箱沿起模方向进行局部封实并从曲轴箱的外壁在局部封实部位作等壁厚镂空内凹处理的完全自动化制模和完全自动化胶合方案较佳。 1.2发动机缸盖泡沫模型结构工艺设计发动机缸盖通常由进气道、排气道、冷却水套、喷油器孔、机油孔、缸盖结合面强力螺孔、出砂工艺孔、气门挺杆孔、机油

12、罩壳法兰面、冷却水接口法兰面、各种强化筋条和辐板等组成。 目前国内外在柴油机和汽油机发动机缸盖的泡沫模型的结构工艺设计上有少许不同，而分型方案的处理渐趋一致。经过多年的生产实践和研究发现：分型方案的处理渐趋一致主要是出于泡沫模片的成型质量、脱模的便利性和整体模型的胶合质量来考虑的，而泡沫模型的结构工艺设计上有少许不同主要是由于铸件的材质不同而采取的相应措施。由于铝合金的浇铸温度在720上下，铁合金的浇铸温度在1440上下，如此大的浇铸温差导致了在铝合金消失模铸造工艺上能实现的结构（比如7mm以上的孔很容易直接铸出），在铁合金消失模铸造工艺上却难以实现这样的结构（比如12mm以下的孔直接铸出时很

13、容易出现粘砂和堵实现象）。这就要求我们针对不同的铸件材质来设计相应的消失模铸造工艺结构。但是无论铸件的材质如何变动，其铸件的泡沫模片的成型质量、脱模的便利性和整体模型的胶合质量方面的要求是一样的。对于发动机缸盖的泡沫模型分型方案比较一致的做法是水平逐层切割，原则是保证包含进排气道的模片能在两开合的模具结构中实现顺利脱模。 发动机缸盖泡沫模型水平逐层分割成四只模片，各自单独发泡成型后按顺序胶合成一个整体。这种作业方式的优点是有利于组织实现自动化大批量生产部门且制模质量稳定。图10所示为一典型的发动机缸盖泡沫模型簇浇铸工艺方案。这是一个一次造型一箱六只缸盖铸件的浇铸工艺方案，其浇注系统的设计按照均

14、衡凝固理论的指导，采取A(直)： A(横1)：A(横2)：A (内)=1：1.2：2.2：1.6。其优点是铸造工艺出品率高，可达80%，并且每两只缸盖泡沫模型组装成的小模型簇有利于实现机械手自动化浸涂料的生产工艺，可极大地提高劳动生产率和稳定产品质量。 2 发动机缸盖消失模铸造工艺孕育铸铁件的生产实践 2.1 技术要求 材质HT250，加铜、铬，0.61.0%Cu，0.30.5%Cr，抗拉强度不低于250 MPA;铸件需经消除内应力处理，硬度为187255HBS，硬度差不大于40HBS单位，在气门座孔附近检查;未注明铸造圆角半径为35mm，起模斜度为12度， 未注壁厚为5(+1，-0.5)mm

15、;加工后进行水压试验，在0.4MPA压力下，历时2min不得有渗漏现象。 2.2 消失模铸造原材料应用 珠粒成分为STMMA(80%PMMA+20%EPS)， STMMA是属于一种高分子聚合物，在生产反映的同时，使用戊烷作为添加剂，使该产品在应用中可以发泡。而戊烷本身的挥发度为27(异戊烷)，所以该产品的保存方式为<15以下或直接冷藏，并建立完善的检测手段，要保证预发珠粒在制模时的戊烷含量在89.5%。STMMA原始珠粒直径为0.30.5mm，预发密度为21g/l。热溶胶成分为包含有醋酸乙烯和聚丙烯的聚烯烃塑料碳氢化合物树脂EVA，闪点为232，比重为0.92g/cc，固含量为99%.粘

16、度为500cps121，颜色为琥珀色，在82以下有足够的 粘结强度。涂料成分为铝硅酸盐耐火原料、软化水溶剂、有机物固定剂、有机物流动性控制剂、灭菌剂。涂料粘浆稀释前最好先拌匀然后放置过夜，搅拌器需具备可变速马达，和一个有相当容量及缓冲板装置的容器。搅拌时不要把空气泡卷入粘浆里。搅拌速度会显著地影响涂层的粘滞性，因此，产生最好效果的理想速度找到以后，应维持使用这一搅拌速度。 铁合金消失模铸造之所以选用共聚物PMMA作为主要原材料来制造模型，有以下几个方面的原因：泡沫模型燃烧后在铸件内的碳残留极少（0.05%），通常不会对铸件组织造成危害，铸件的成品率较高；泡沫模型抗变形能力强，弹性恢复性能好(P

17、MMA泡沫模型抗变形弹性复原能力可达到98%以上，而EPS泡沫模型抗变形弹性复原能力只能达到92%)；由于共聚物PMMA珠粒容易成型的粒径可以更小(最小零件壁厚大面积成型可做到4mm，渐变截面零件最小起始壁厚可做到2mm)，泡沫模型成型能力强，提高了产品模型设计的自由度；共聚物PMMA珠粒对发泡剂的屏蔽作用较强，可以存放更长的时间(原始珠粒可以存放6个月以上，预发珠粒可以存放3个月以上)，提高了制模的经济性；共聚物PMMA泡沫模型的成型设备无须专门设计，与EPS泡沫模型所用的成型设备一样即可。况且其熟化时间较短，尺寸稳定性好，缩短了生产周期；共聚物PMMA泡沫模型具有较宽的密度范围，以满足成型

18、性和可铸造性（2132g/l）。人们在选择共聚物PMMA珠粒时就可以避开碳缺陷的影响去重点考虑其它方面的有效因素。EPS泡沫模型的成型密度范围较宽，而满足可铸造性能的密度范围却较窄（2022g/l）；共聚物PMMA泡沫模型的抗拉强度、抗压强度和抗弯曲变形能力与EPS泡沫模型接近。 用共聚物PMMA泡沫模型材料进行消失模铸造之所以碳残留少，主要有以下几个方面的原因：PMMA含有的碳原子数目较少。这可以从单体分子结构的组成中看出来，PMMA为（-CH2C4H6O2-）n，EPS为（-CH2C7H6-）n，两者的碳原子数目之比为5:8； PMMA含有的氧原子可以将碳原子带走。当浇注金属液时，氧原子可

19、以与碳原子结合生成CO气体逸出型外而将碳原子带走。每个PMMA单体分子结构中有两个氧原子，也就意味着能带走两个碳原子。这样一来，两者热解后的碳原子数目之比变为了为3:8；PMMA的热力学稳定性差，进而导致其遇到高温时能够快速热解。而EPS则因为含有苯环结构显得热力学稳定性较好，进而导致其遇到高温时热解速度较慢。况且即使苯环结构热解了，也会伴随着氢气的逸出而产生大量的碳；PMMA和EPS两种材料热解的形式不同。前者多以气体的方式逸出型外，即使有少量的碳黑在型砂中聚集，也很容易通过砂处理的除尘系统将其赶走，造型砂的流动性不受影响；而后者多以粘滞液体的形态漂浮在金属液的表面并长时间的滞留，很容易连同

20、金属液一起被卷入到模型型腔内，进而产生碳夹杂。一旦这种粘滞液体滞留在了型砂中，同时会影响到型砂的流动性。在不同的状态下两种材料燃烧后的残留物含量和铸件的增碳量。 2.3消失模铸造成品率统计与分析 从以上表3的数据处理可以看到，漏水是消失模铸造生产中出现的主要废品。如果解决了此项问题，铸件的成品率可以达到90%以上。我们首先对漏水部位的取样经过丙酮的洁净处理后用电子能谱仪进行表面元素的化学分析（探测数斑尺寸大小为0.5×0.5mm，采样深度10nm，结果见表4。然后我们又对漏水部位的取样经过固定抛光和硝酸酒精溶液的腐蚀后，用金相显微镜进行微观组织的观察，结果见图1214。 从表4中我们

21、可以清楚地看到，在铸件漏水部位的表面组织中碳元素的含量最多(主检仪器为ESCALAB250，Thermo electron corporation)。从图1214中我们可以清楚地看到，在铸件漏水部位的表面组织中有明显的缩松缺陷，其石墨形态为枝晶片状（E型），石墨长度>36mm，基体组织85%F+P（样品规格为5×4×4mm，主检仪器为倒置式金相显微镜，检测依据为GB7216-87）。这就提示我们在消失模铸造生产过程中，铁水的浇铸成型并没有将泡沫模型完全燃烧和分解掉，而是有残余的碳化物留在了铸件的内部，并且沿着铸件的断面彼此之间相互连接构成了穿透式碳加杂。缸盖加工后进行

22、水压试验，在0.4MPA压力下，历时2min就会有渗漏现象的发生。如果这种碳化物的残留量很少，漏水现象仅表现为轻微的渗漏，我们还可以通过高压（7个大气压）将堵漏的浸渗液压进渗漏部位将其堵塞。如果这种碳化物的残留量很多，漏水现象严重，铸件只能作报废处理。为了降低铸件中这种碳化物的残留量，我们采取了以下措施：降低珠粒的预发密度、直浇道泡沫模型镂空处理、横浇道与内浇道整体式发泡成型、模型簇采用整体式一次性浸涂料和增大造型浇铸时的型内负压度，效果显著。 随着生产实践的深入，我们发现像图12所示的缩松缺陷在泡沫模片的疏松部位形成的铸件中同样出现。这主要是由于预发珠粒的质量不稳定造成制模时泡沫模片产生疏松

23、，进而在浸涂料时涂料渗入泡沫模片，使得浇铸的铸件产生夹涂料的缺陷，此处就会发生漏水现象。为此我们一方面采取适当提高预发温度和缩短熟化周期的办法来尽量减少戊烷的挥发，以提高制模时模片内部珠粒之间的融合度；另一方面实验用电加热的方式来进行珠粒的预发，争取最大限度地减少戊烷的挥发量。这两种方式均已收到了较好的效果。 3 发动机缸盖消失模铸铁件的成本优势和装机台架试验 3.1 发动机缸盖消失模铸铁件的成本优势 我们以N485(DI)型发动机消失模铸造缸盖为例进行与普通砂型铸件作比较，结果消失模铸件单只重量减轻了5kg(消失模铸件重39kg， 普通砂型铸件重44kg)；如果从消失模铸造总的生产成本吨位价

24、格来计算，消失模铸造总的生产成本比普通砂型铸造每吨节约650元人民币（消失模铸造总的生产成本吨位价格约为5250.元人民币，普通砂型铸造总的生产成本吨位价约为5900.元人民币）。对于汽车行业的大批量组织生产特点来讲，运用消失模铸造工艺来组织生产发动机缸体缸盖是具有成本优势的。 3.2 发动机缸盖消失模铸铁件装机台架试验 通过机械加工并装机做台架试验，台架试验依据：.GB1105-87 内燃机台架性能试验方法；GB/T9486-88 柴油机 稳态排气烟度测量方法。结果见表5。我们可以看出，采用消失模铸造缸盖的发动机在扭矩工况下的油耗指标下降了1.5g/kw&#8226;h、排气温度下降

25、了9、烟度下降了0.1FSN，在标定工况下的排气温度同比下降了19、烟度下降了0.2FSN。不断提高发动机的比功率（KW/排量&#8226;升）、降低燃油消耗量和减少尾气排放既是汽车工业自身发展的内在需求，也是外部环境的客观要求。根据消失模铸造缸盖的发动机台架试验结果，运用消失模铸造工艺来组织生产发动机缸体缸盖会促进汽车工业的发展。 4几点体会 铁水净化和铸件的缩水率问题：在真空负压状态下浇铸成型的灰铁铸件对铁水的要求应比砂型铸造还要高，这主要是前者是实型铸造而后者是实型空腔铸造。前者在铁水烧蚀泡沫模型的同时更容易产生一些熔渣，这既会导致渣孔出现，也会使后序的孕育处理产生影响。另外，在

26、真空负压状态下浇铸成型的灰铁铸件，其水平方向和竖直方向上的铸件最终缩水率有所不同，前者约为1.92.2%，后者约为1.3.5%;在最终确定产品模具的缩水率之前，应先用与产品泡沫模型的材料相同的泡沫板材裁剪出大致与产品泡沫模型一样的样品进行试浇铸。待多次试浇铸并取得了稳定的缩水率数值后，再开发产品模具，以免造成不必要的损失。 铸件的机械加工余量：通常所指的消失模铸件的机械加工余量较小，其值接近精密铸造的设置（像规格为480×190×90的缸盖铸件，其六个外围轮廓面的机械加工余量均设定为2.5mm）。需要说明的是这种设置的前提要保证铸件的缩水率正确，否则就要适当加大其余量数值。

27、 泡沫模型的壁厚问题：通常铸件的壁厚在技术要求上都允许有一定的公差，对于消失模铸造工艺来讲最好取其壁厚的上限，不能够一味地追求铸件重量的减轻，要平衡综合效果。尤其是缸盖产品中的进排气道，当铸件的壁厚小于5mm时，很容易产生漏水缺陷。其原因主要是当生产中的珠粒预发环节不稳定时，壁厚较薄的地方在制模时珠粒之间很难融合好，导致模片有疏松缺陷，进而在浸涂料时会造成涂料内渗，浇铸的铸件就会有漏水现象。需要说明的是多加的工艺壁厚应添置在不影响气道性能和冷却水容积的一侧。 泡沫模型镂空处理工艺:对于局部厚大的泡沫模型和较深的孔，可以采用两端封实中间镂空处理工艺的处理工艺。这样一来，既可以节约珠原料，又可以减

28、少碳夹杂和表面富碳给铸件带来的不良影响。 泡沫模型胶合完毕后的存放问题：经过充分时效后的泡沫模片，按照一定的胶合工艺完成产品泡沫模型的组装工作后，尽量在7个工作日内实现铸件的浇铸成型工作。如果泡沫模型胶合完毕后存放时间过长，容易发生泡沫模片脱胶现象。若脱胶层的深度在铸件的机械加工余量范围内，尚不能对铸件的质量构成威胁；若脱胶层的深度超越了铸件的机械加工余量范围，就会发生由于涂料的内渗而造成铸件内部产生夹涂料现象，进而导致铸件在高压试水时出现渗漏缺陷。 模型簇的一次浸涂工艺：泡沫模型簇组装好后，最好采取一次性浸涂涂料的工艺。这时只要将涂料的玻美度适当提高一些即可。涂层的厚度在0.5mm左右即可。

29、如果采用两次浸涂工艺，即第一次浸涂烘干后再进行第二次浸涂烘干，即使涂层的厚度仍维持在0.5mm左右，其涂料层的透气性和对液相泡沫的吸附性都会极大地降低。容易在铸件内产生碳夹杂、表面富碳和气孔。这主要是由于第二层涂料将第一涂料层上的微孔给覆盖了许多造成的。为了保证模型簇的一次浸涂工艺获得成功，我们的泡沫模片设计就要注意避免产品结构中出现直角或交接面过渡不畅的现象，不然一则会在浸涂时产生大量的气泡，二则会在浸涂后的涂层上产生裂纹，进而影响浸涂效果。 消失模铸造与普通砂型铸造的看法：两者在经典的铸造原理上是相通的，普通砂型铸造预留的一些工艺出砂孔，在消失模铸造工艺布局时依然需要，甚至还要多开一些工艺孔。因为消失模铸造既要有进砂和出砂孔，有要有涂料的进入和流出孔。千