汽车发动机缸体消失模铸造技术

1、汽车发动机缸体缸盖消失模铸造技术的研究与应用【摘要】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，我们研究并开发了消失模铸造直列四缸二气门下置凸轮柴油机缸体、缸盖产品。通过优化设计产品结构工艺、铸造环节流程工艺和铸铁材料性能，使每台套缸体、缸盖消失模铸件产品与普通砂型铸件相比，技术性能指标达到设计要求，生产成本大幅下降。、概述发动机缸体、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，在很大程度上代表了一个国家汽车工业的发展水平。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

2、效减轻，促进了汽车工业的发展。但是，汽车技术的进步对原材料、能源的节约和环境保护提出了更高白规范要求，使发动机的比功率（kW/排量L）越来越大，导致发动机缸体、缸盖的工作温度普遍提高，许多局部区域工作温度已经超过了200C（正常工作温度为105C左右），一方面，铝合金的力学性能会下降很快，显得不堪重负；另一方面，如此的高温使机油的润滑和导热作用变弱，而铸铁材料在此温度下仍然能正常工作并表现出优异的性能。目前，解决铝合金在高温及常温下力学性能不高的措施，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，以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和零部件的重量，使

3、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，所以在发动机工作情形下容易产生疲劳裂纹和镶铸件的松动缺陷。纵观铸造产品成形的全过程，铝合金的耗能要比铸铁高；而铸铁产品的防振能力、自润滑能力和高温力学性能远大于铝合金。因此可以预见，普通灰铸铁、高牌号孕育铸铁、合金铸铁、蠕墨铸铁和球墨铸铁等材质的汽车零部件将越来越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%,疲劳强度几乎是灰铸铁的2倍，用蠕墨铸铁取代灰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

4、柴油机发动机件上普遍采用蠕墨铸铁材料，其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，且又较普通灰铸铁有更好的塑性和耐疲劳性能。总之，从目前合金材料的实际应用看，铸铁件的力学性能与高温性能可满足汽车发动机未来发展的要求。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，并加合金收缩率后代替铸模进行造型，泡沫模样不取出呈实体铸型，在浇入金属液使其气化后形成铸件。与传统的砂型铸造相比，消失模铸造具有以下优点：(1) 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、下芯及合箱等操作，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。(2) 一方面

5、由于在负压下铸型刚度大，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注成形，提高了工艺出品率。(3) 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%。(4) 消失模造型干砂中无需粘结剂和添加物(煤粉、膨润土、水)，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。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10余年的消化吸收

6、与艰苦探索，先后自主研究开发了两大系列7个品种的消失模铸造普通灰铸铁和高牌号孕育铸铁柴油机零部件产品。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。二、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形。我们参照零件的自身结构和消失模铸造工艺特点，将产品泡沫模型进行分片处理，并对每个模片进行结构工艺设计，以利于发泡成形。每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生产效率的高低。1 .发动机缸体泡沫模型结构工艺设计1) )目前，国内外在柴油机和

7、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”形和直列式缸体）的方式，如图1所示。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，如图2所示。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形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

8、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的限制，所以使镂空处理的效果难如人意。图1水平布置图2局部封实式曲轴箱结构（2）亚洲一些国家的发动机缸体消失模工艺方案大致可归结为两种类型：以日本为代表的外形整体制模、内部镶嵌缸套式工艺（如图3所示）。以中国为代表的水平分型与竖直分型相结合的工艺（如图4所示）。:r-.s解体制幢与印段纪套工艺图4水平分型与竖直分型结构工艺外形整体制模、内部镶嵌缸套式工艺分型方案的优点是主体模型的刚性好，外形美观，用胶量小，尺寸精度高，缸套单独制模减小了模片的发泡成形难度；不足之处是缸套模片与外形整体模片

9、胶合时在竖直方向上出现了贴合面，当完全依靠机械化操作时不能保证胶合质量，必须用人工补胶的手段来配合，这既降低了生产效率，又给质量的稳定性带来了隐患。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，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，如图5所示。图5局部内凹式曲轴箱结构工艺又能有效地减小泡沫这种模片工艺处理方案的优点是既能最大限度地减轻铸件的重量,模片对侧面芯块的包紧力（镂空处理所用的成形芯块可安装在侧面整体式抽芯模板上），使泡沫模片成形质量得到提高。与之配套的曲轴箱凸模模具采取了整体式脱模与局部滑块相结合的成形工艺，其优点是增加了泡沫模片成形的灵活性，并减少了

10、零件结构堵实面积；不足之处是制模工序变得复杂，既延长了泡沫模片的制模周期，又缩短了模具的使用寿命。水平分型与竖直分型相结合工艺方案的优点是既保证了曲轴箱的原始结构设计不变，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。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（如图6所示），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工艺是容易实现的，而用消失模成形工艺采取竖直方向起模却无法达到顺利脱模的目的。如果采用图4所示的分型方案，就可将产品竖直方向的结构按水平制模工艺来发泡成形了，铸件的重量不额外增加。与普通砂型铸造的缸

11、体铸件相比单件重量减小10kg左右，不仅降低了生产成本，也提高了铸件的质量和发动机的性能；不足之处是水平胶合线与竖直胶合线有交叉，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，图7为实物铸件。图6砂型铸造衢州箱体结构图7长行程增压中冷干式缸套四缸缸体缸盖根据多年的生产实践，我采用水平分型和将曲轴箱沿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,们认为对于要求大批量生产的汽车发动机缸体消失模铸件而言,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的制模和胶合方案较佳。2) 发动机缸盖泡沫模型结构工艺设计目前，国内外在柴油机和汽油机发动

12、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，这主要是出于泡沫模片的成形质量、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。由于铝合金的浇注温度在720C左右，铁合金的浇注温度在1440C左右，如此大的浇注温差导致了在铝合金消失模铸造工艺上能实现的结构（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（如12mm以下的孔直接铸出时很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形质量、脱模

13、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。如图8所示，发动机缸盖泡沫模型水平逐层分割成4只模片，各自单独发泡成形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，且制模质量稳定。图9所示为一典型的发动机缸盖泡沫模型簇浇注工艺方案。这是一次造型一箱6件缸盖铸件的浇注工艺方案，其浇注系统的设计按均衡凝固理论，采取A直：A横1：A横2:人内=1：1.2：2.2：1.6。其优点是铸造工艺出品率高，可达80%,且每两只缸盖泡沫模型组装成的小模型簇有

14、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，稳定产品的质量。图3发动储二盖泡沫模型分型方茶图9发动机缸体缸盖浇铸工艺方案三、发动机缸盖消失模铸造工艺的生产实践1. 技术要求缸盖材质为HT25Q化学成分为wCu=0.6%1.0%,wCr=0.3%0.5%，抗拉强度250MPa铸件需经消除内应力处理，硬度为187255HBS硬度差不大于40HBS（在气门座孔附近检查）；未注明铸造圆角半径为35mm起模余度为1。2。，未注壁厚为5+1-0.5mm;加工后进行水压试验，在0.4MPa压力下2min不得有渗漏现象。2. 消失模铸造原材料的应用珠粒成分为STMMA（80%PMMA+20%

15、EPS）,属于一种高分子聚合物，在生产时，用戊烷作为添加剂，使其反应发泡。因为戊烷的挥发度为27C（异戊烷），所以该产品的保存方式为15C或直接冷藏，并应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8%9.5%。STMMA原始珠粒直径为0.30.5mm,预发密度为21g/L。热溶胶成分为碳氢化合物树脂，闪点为232C,密度为0.92g/cm3,固含量为99%,颜色为琥珀色，在82c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和灭菌剂。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电动机和一个有相当容量及缓冲板装置的容器，搅拌

16、时不要把空气泡卷入粘浆里。另外，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确定以后，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，主要有以下几个方面的原因:(1) 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。(2) 泡沫模型抗变形能力强，弹性恢复性能好(PMMA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%)。(3) 由于共聚物PMMA珠粒容易成形的粒径可以更小(最小零件壁厚大面积成形可达到4mm,渐变截面零件最小起始壁厚可达到2m

17、m)泡沫模型成形能力强，提高了产品模型设计的自由度。(4) 共聚物PMMAt粒对发泡剂的屏蔽作用较弓虽,可存放更长的时间(原始珠粒可存放6个月以上，预发珠粒可存放3个月以上)，提高了制模的经济性。(5) 共聚物PMMA包沫模型的成形设备无需专门设计，与EPS泡沫模型所用的成形设备一样即可，且其熟化时间较短，尺寸稳定性好，缩短了生产周期。(6) 共聚物PMMAm沫模型具有较宽的密度范围(2132g/L),以满足成形性和可铸造性，人们在选择共聚物PMMAt粒时就可以避开碳缺陷的影响去重点考虑其他方面的有效因素；而EPS泡沫模型的成形密度范围虽然较宽，但满足可铸造性能的密度范围却较窄(2022g/L

18、)。(7) 共聚物PMMAm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，如表1所示。表t密度PMKU抗抵限或k国LPS抗压迪度/通16I3O230JT276fMW7yyv.COM3. PMMA碳残留分析主要有以下几个方面的用共聚物PMMA包沫模型材料进行消失模铸造之所以碳残留少,原因:(1) 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，PMMM2C4H6O2-)n2C7H6-)n之比为5：8。(2) PMM哈有的氧原子可以将碳原子带走。当浇注金属液时，氧原子可与碳原子结合生成CO气体逸出型外而将碳原子带走。每个PMM即体分子结

19、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成了3：8。(3) 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，所以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，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。(4) 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去除，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，很容易同金属液一起被卷入到模型型腔内，进而产生碳夹杂。另外，这种粘

20、滞液体一旦滞留在了型砂中，还会影响到型砂的流动性。在不同状态下两种材料燃烧后的残留物含量和铸件的增碳量如表2所示。残酝物凿0.0515：PMMA21-.32-'Li50-2：？L我化物残困物鼠加热速成为1Os,球大温度1400C,埴大局般握温时前6.7nin.保护气氯为空加热遑度为7D0Ge,培文.凝度力1400(：f吊犬温度保书加冏105,保界气果为氯气4.消失模铸造成品率统计与分析消失模铸造成品率统计如表3所示。表3戒心娈统计，占砂遗型粗1722从表3可看出，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。解决办法如下:我们首先对漏水部位的

21、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，然后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1012。图1。麻松评I仙】00图11机体组织100X图12石墨长度100X元素能谱分析显示在铸件漏水部位的表面组织中碳元素的含量最多。从图1012中可清楚地看到，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基体组织约为85%F+P（样品规格为5m加4mm<4mm主检仪器为倒置式金相显微镜，检测依据为GB7216-1987）。这就提示我们在消失模铸造生产过程中，铁液的浇注成形并没有将泡沫

22、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，并沿着铸件的断面彼此之间相互连接构成了穿透式碳夹杂。缸盖加工后进行水压试验，在0.4MPa压力下2min就会有渗漏现象的发生。当这种碳化物的残留量很少，漏水现象仅表现为轻微的渗漏时，还可以通过高压（约0.7MPa）将堵漏的浸渗液压进渗漏部位将其堵塞；而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形、模型簇采用整体式一次性浸涂料和增大造型浇注时的型内负压度等，效果显著。随着生产实践的深入，我们发现如

23、图10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，进而在浸涂料时涂料渗入泡沫模片，使浇注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，试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。这两种方式均收到了较好的效果。四、发动机缸盖消失模铸铁件的成本优势和装机台架试验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（见图13）为例与普通砂型铸件进行比较，结

24、果消失模铸件单件重量减轻了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单位价格来计算，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单位价格约为5250元人民币，普通砂型铸造总的生产成本吨单位价约为5900元人民币）。对于汽车行业大批量生产特点来讲，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，经济效益显著。图13直喷式孕育铸铁四缸柴油机汽缸盖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：GB1105-1987内燃机台架性能试验方法。GB/T94861988柴油机

25、稳态排气烟度测量方法。结果见表4。从表中可看出，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/kWh、排气温度下降了9C、烟度下降了0.1FSN：在标定工况下的排气温度同比下降了19C、烟度下降了0.2FSN不断提高发动机的比功率（kW/排量L）、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。1L4出耳机怡翼并将憎时2注聆WL*惊新工»MjcivrkWh*0K/r,唯父"k型m幡怖3-帽林L他觇i林a1电1样助It

26、A<32003皿t:上脚3ML1皿26216064u1123.9403000267870.觉71as2S4923466064.04.1|*口0230Q234736.4JSS-.3122SL06盘60b人4.2'4126002366239»电3223lQ51S600<1<289-1924002401的如。布立±也fr60Sb好434.i42-41应。»f3*,6AK364豆区士士igft溺btl&&±&*t2000现«劫，J4上鹏46742112海谦1S002ST£30032B型14*J

27、ILT士垃3百谣26-2.T土八上&即陋1髀色2129mo便锄272G27-2.7KQ1747+2W.7$9913Z.i20-2.1:T中通归犀宿用酋内揖苧侍巾叟讥工.里文王七m"外包所用饮晟精通物，加w1950mM(D国,加工在灶|五、几点体会(1)铸件的收缩率在真空负压状态下浇注成形的灰铁铸件，其水平方向和竖直方向上的铸件最终收缩率有所不同，水平方向约为1.9%2.2%垂直方向约为1.3%1.5%在最终确定产品模具的收缩率之前，应先用与产品泡沫模型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注。待多次试验并取得了稳定的收缩率数值后，再开发产品模具，以免造成

28、不必要的损失。(2)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(如规格为480mnX190mm90mm的缸盖铸件，其6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收缩率正确，否则就要适当加大其余量数值。(3)泡沫模型的壁厚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<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，

29、导致模片有疏松缺陷，进而在浸涂料时会造成涂料内渗，浇注的铸件就会有漏水现象。需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。(4) 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、中间镂空的处理工艺。这样一来，既可以节约珠粒原料，又可以减少碳夹杂及表面富碳给铸件带来的不良影响。(5) 泡沫模型胶合完毕后的存放经过充分时效后的泡沫模片，按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注成形工作。如果泡沫模型胶合完毕后存放时间过长，则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影响：

30、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。(6)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料的工艺，这时只要将涂料的波美度适当提高一些，且使涂层的厚度在0.5mm左右即可。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，既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也会极大地降低，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层涂料上的微孔覆盖了许多造成的。为了保证模型簇的一次浸涂工艺获得成功，在泡沫模片设计时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。(7)消失模铸造与普通砂型铸造的比较两者