发动机箱体铸造工艺设计

封面1摘要本文综合分析了采用铸造工艺生产汽车发动机箱体的方法，从铸造设备、铸造模具设计、生产工艺、铸造生产中常见的问题及对策等多个角度，对铸造工艺的技术动向以及今后的研究课题提出了自己的见解。对国内外发动机箱体铸造生产进行了总结,其材质主要以C(质量分数,下同):3.15%3.3%,CE:3.95%4.05%,Si/C:0.6%0.7%的灰铸铁为主。一般选择冲天炉-有芯工频电炉进行熔炼,孕育剂仍普遍采用75SiFe,立浇底注式浇注系统和保温冒口有利于获得优质箱体,冷芯制芯工艺已逐渐取代热芯工艺。通过提高浇注温度、型砂紧实率等措施可减少箱体常见缺陷渗漏的出现。铸造过程中合金配比工艺研究当箱体中含Cr量从0308上升到0343并不能明显增加珠光体数量和片间距的等级，但是可使铸件各部位的硬度总体呈上升趋势。铸件抗拉强度值上升幅度很大。一般可上升2030MPa在箱体中加入 Sn可以明显提高铸件的布氏硬度和组织中的珠光体含量，但对于提高珠光体的 片间距等级和减少渗碳体量则效果不明显。关键词：铸造工艺；灰铸铁；模具设计3ABSTRACTThis paper analyzes the use of the casting process to produce automobile engine box approach from many angles common foundry equipment, casting mold design, manufacturing process, casting production problems and countermeasures on the casting process technology trends and future research put forward their own views.For domestic and engine block, cylinder head casting a summary, the material mainly C (mass fraction): 3.15% 3.3%, CE: 3.95% 4.05%, Si / C: 0.6% 0.7 % of gray cast iron main. Generally choose cupola - a core-frequency electric furnace smelting, inoculant is still widely used 75SiFe, Li pouring bottom gating and riser system is conducive to quality block, cylinder heads, cold-core making process has been gradually replaced by heat core processes. By increasing the pouring temperature, sand compaction rate and other measures to reduce the block, cylinder heads common defect leakage occurs.Alloy Casting process, when the ratio of the cylinder Cr content increased from 0.308% to 0.343% did not significantly increase the number and spacing of pearlite grade, but can cast various parts of hardness overall upward trend. Casting a great tensile strength values rise. Generally rise 20 30MPa. Adding Sn in the cylinder can significantly improve the casting Brinell hardness of pearlite content and organization, but for improving the pearlite spacing levels and reduce the amount of cementite is ineffective.Keywords: casting; gray iron; mold design摘要2ABSTRACT31 前言611课题背景612箱体铸件国内外研究现状和发展趋势6121国外发动机箱体铸造技术生产状况7122我国发动机箱体铸件的生产状况713灰铸铁箱体材料的发展8131箱体材料要求8132灰铸铁箱体材料8133灰铸铁的组织和几种合金元素的影响9134国内外箱体生产中灰铸铁材质的选择1314本课题研究的内容182 低合金灰铸铁箱体工艺简介1921生产设备及原材料19211生产设备1922结构简介1923材质要求2024造型及浇注系统设计21241造型工艺21242浇注系统2225制芯及组芯工艺方案设计23251制芯23252组芯2326孕育剂的加八方法25261孕育机理及目的25262生产孕育铸铁铸件的条件25271原材料263 合金元素对发动机箱体性能的影响2731引言2732试验装置及试验方法28321试验装置28322原材料28323制样2833铬对箱体力学性能和金相组织的影响29331试验目的及内容29332试验结果2934锡对箱体力学性能和金相组织的影响22341试验目的及内容33342实验结果334 结论42致 谢43参考文献4451 前言11课题背景发动机箱体的铸件是发动机生产中难度最大、最重要的一环,其质量对发动机的功率、油耗等性能起着决定性的作用。通过对国内外发动机箱体铸造生产中的材质,熔炼工艺,及铸造工艺进行讨论,为提高我国发动机箱体的铸造工艺水平积累一点有用的资料,为有关箱体铸造生产厂在技术改造时提供一些有益的参考。1发动机箱体箱盖的特点目前汽车发动机在设计上不仅要求降低单位功率质量,减小噪音,还要控制燃油消耗,减少尾气排放,而箱体的铸造工艺水平对发动机的这些性能有着重要的影响。由此可见,发动机箱体铸件具有以下几个特点。1)质量轻,强度高。当前发动机用材正由传统的铸铁材料向轻型铝镁合金转变,对箱体铸件结构的要求也不断提高。2)结构复杂。在箱体上,除有特殊形状的配气燃烧室外,有进气道、排气道,还有冷却水套、润滑油道等,内腔形状复杂多变,同时由于发动机装配的需要,其外形结构也十分复杂。3)形状准确,尺寸精度高。发动机输出功率的大小与燃烧室及进排气道的形状和大小关系大,铸件超出设计状态lmm,动力性能将降低10%左右1。但另一方面，铸件的合金种类和结构类型不同。生产工艺装备和组织形式不同，其生产的关键技术和技术难点也是各不相同的，更何况箱体箱盖铸件又属于典型的薄壁、复杂、多芯且结构铸造工艺性很差的难制造铸件。而且还都必须满足高强度、高精度、不渗漏、易切削、抗热疲劳等一系列很高的技术要求。在铸造生产过程中极易产生10多种足以导致铸件报废的铸造缺陷。因此，箱体铸件也被称为“铸造之花”l。随着中国的改革开放和加入WTO，国外大汽车公司纷纷在中国投资建厂，引进了多种汽车及发动机产品，在一定程度上促进了中国汽车工业的发展。设计生产的新型汽油机箱体为中国当前大力发展的、具有自主知识产权的汽车产业迈出重要的一步。12箱体铸件国内外研究现状和发展趋势发动机类铸件的生产属大批量、专业化流水生产性质，一般年生产纲领，少则上万件，多则几千万件。产品结构复杂，铸造难度大，相应生产工序多、工艺装备的要求也高，如发动机箱体等铸件，既有复杂的内腔和外形结构，又要求薄壁及高度精确的毛坯尺寸。产品的材质性能要求严格，并且种类繁多，如排气管要求良好的耐热性能；缸套、活塞环等又要求严格的耐磨性能和热稳定性能等等。因此，人们普遍认为，发动机类铸件的生产水平一定程度上代表了这个国家的铸造生产水平，也反映出这个国家这类机械产品的性能和质量。121国外发动机箱体铸造技术生产状况到目前为止，在材质的选择上，车用发动机箱体箱盖的材质主要有灰铸铁，铝合金，蠕墨铸铁等。随着发动机朝着大功率、环保方向的发展，灰铸铁的牌号越来越高，现在运用普遍的是HT250，而HT300也已应用于箱体的生产，个别产品性能要求达到HT350。在铸铁的熔炼上，为确保铸件获得良好的金相组织、稳定的力学性能和满足壁薄(35mm)、结构复杂铸件的浇注要求，要求铁液具有稳定的化学成份，较高的出炉温度和需要对氧化渣、气体含量进行严格的控制。国外主要运用热风冲天炉、冲天炉与感应电炉双联熔炼，炉前配备快速金相和热分析仪，同时还配备直读光谱仪等设备。在孕育上普遍采用复合孕育，以提高铸件的综合性能。在造型上主要运用气冲造型线(如GF线、BMD线)及静压造型线(如KW线、HWS线)、负压加砂加压实(如KW)造型线等等。从目前来看，发动机类铸件的生产宜采用自动化程度高的气冲线或静压线的较多。制芯方面，在欧美较多采用以冷芯盒为主(曲轴箱、端面芯等均为冷芯盒)，配以壳芯；而日本更多采用壳芯。以呋喃树脂为粘结剂的热芯盒砂芯，因芯砂流动性差、芯子表面疏松等原因，已逐渐被冷芯盒砂芯和壳芯所取代。为保证铸件表面质量和内腔清洁度，要采用抛丸、机械磨削及手工清铲等进行清理，采用高水压(1012MPa)清洁箱体内腔。122我国发动机箱体铸件的生产状况近年来，我国铸造行业的生产技术及装备水平有了长足的进步，产品品种及产量基本上已能满足国民经济各个行业发展的需求，铸件出口量也不断增长。铸件的材质大多为HT250。为得到较好的金相组织和力学性能、防渗漏性能以及加工性能，合金成分设计上，多采用高碳当量(CE=39-405)，低合金化的原则。为获得连续稳定的高质量铁液，多采用冲天炉与感应电炉双联熔炼工艺，浇注温度一般在1400-1450。C。采用炉前和随流二次孕育的孕育方法对铸件性能的稳定也起到重要的作用。以气冲、静压造型线为代表的各类高压造型的自动化造型线已在发动机生产企业里得到广泛的应用，此外，垂直和水平分型的高压、射压、挤压等先进的造型工艺和装备的应用也大大提高了我国内燃机箱体等薄壁高强度铸件的尺寸精度和表面质量。在制芯方面，冷芯盒法制芯发展速度加快，其优点凸显，高强度、低膨胀、高溃散性覆膜砂受到更多的关注并开始大量生产与使用。在清理方面，由于箱体铸件内腔复杂，难以清理，壁厚也容易变化，故采用机械手程序控制抛丸角度和时间取得了较好的效果，受到了更多的认同。此外国内自行开发的无余量精铸技术、新型的浇注系统过滤网技术等等也均有效地提高了铸件的内、外质量和生产效率。高科技的测试技术和计算机辅助设计、计算机辅助管理以及计算机自动控制等技术的推广应用使铸造行业技术上了一个新台阶。近几年来，行业内直读光谱仪、热分析仪、三坐标测量仪已得到了普遍的应用，大大提高了测试分析的精度；计算机辅助的铸件设计、浇注系统设计、铸造生产管理和生产过程数据自动处理等等提高了工作效率和管理水平；由PC机控制的各类机械手或机器人在热、脏、累的工序里解放了一部分铸造工人的繁重体力劳动。13灰铸铁箱体材料的发展131箱体材料要求发动机是汽车的心脏，而箱体是发动机的骨架和外壳。在箱体内外安装着发动机主要零部件，其尺寸较大，结构复杂，壁厚较薄又很不均匀(最薄处仅为3mm-5ram)。箱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、连杆等零件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，要求气箱体材料具有良好的综合性能，即应具有良好的强韧性、导热性、耐磨性、耐蚀性、加工工艺性能和经济性。另外，对材料的再循环应用性及减少对环境的影响也是需要考虑的重要方面21。箱体常用的材料有灰铁和铝合金两种。铝合金的密度小，重量轻，但刚度差、强度低及价格贵。所以除了某些发动机为了减轻重量而采用外，一般用灰铸铁作为箱体材料。132灰铸铁箱体材料目前，世界铸铁件的生产状况和趋势是：灰铸铁件的比例明显下降，但仍占优势；球墨铸铁件的产量持续增长，而蠕墨铸铁和特种铸铁也有了较大的发展34。尽管在目前汽车轻量化发展趋势下，铸铁件受到铝合金铸件等强有力的挑战，但是，由于铸铁的缺口敏感性、减震性及耐磨性等优良性能是其他材料不可取代的，而且生产方便，价格便宜，因此在工业领域中依然具有十分明显的优势，是制造复杂形状零件的首选材料。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、减震性和导热性，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。铸铁铸件一般占各类铸件总产量的75以上；而灰铸铁件产量又占铸铁件总产量的75以上。由于市场的激烈竞争，对铸铁材质的要求越来越高，随着现代科学技术的进步和对节能要求的提高，于是能提高性能、减轻重量、降低能耗及降低成本的高强度薄壁灰铸铁件就成为国内外研究者们进行研究的一项重要内容，并在汽车发动机等薄壁复杂件生产中得到广泛的应用15。133灰铸铁的组织和几种合金元素的影响过去半个世纪中，灰铸铁的熔炼和孕育处理有了很大的进步，对于铸铁的合金化、生核和凝固以及固态的相变都作了不少研究。在材料科学日新月异的今天，灰铸铁仍能做为一种结构材料而具有相当的竞争能力，是与这些研究工作分不开的。目前，许多重要的机器零件，如机床床身、内燃机箱体、壳体、压缩机箱体和液压阀等，都是灰铸铁制成的。当然，对灰铸铁性能的要求也越来越高了。既要保证强度高，又要有良好的加工性能和厚、薄截面组织的一致性；还要求铸铁的刚度高，铸件尺寸稳定671。1331高牌号灰铸铁的目标金相显微组织灰铸铁的强度和综合质量，决定于其最终的显微组织，生产高牌号灰铸铁件，控制其显微组织的目标，大致有以下几方面8：(1)有较多的初生奥氏体枝状晶；(2)无游离渗碳体和晶间渗碳体；(3)石墨细小而且是A型；(4)珠光体细小；(5)基体组织95以上为珠光体，游离铁素体不多于5。1332灰铸铁中片状石墨的分类由于凝固条件不同(指化学成分、冷却速度、形核能力等)，灰铸铁中的片状石墨可出现不同的分布及尺寸。GB721687把灰铸铁的石墨分为6种，各型石墨的分类原则及形成条件见表11。表1-1各型石墨的分类原则及形成条件91333灰铸铁中常用的合金元素灰铸铁中所加的合金元素一般分为珠光体稳定元素，石墨化元素，渗碳体稳定元素和细化珠光体的元素。灰铸铁中加入合金元素来提高强度的主要机理表现在：增加并细化珠光体；细化石墨和共晶团；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；生成碳化物等硬度相。各元素的具体作用见表12。一般说来，硫是有害元素。但对灰铸铁来讲，含少量硫对于石墨的生核和共晶团的细化都有非常重要的作用。所以，灰铸铁中的含硫量不宜低于006，最好保持在006008之间。含硫量太高(018)，则各种有害作用都会显现，损害铸件的质量。硫是化学活性强的元素，在铸铁中含锰量很低时，硫与铁生成化合物FeS(熔点193)，也与铁和碳形成低熔点的共晶体(含碳017，硫317，其余为铁，熔点975)。Fe可以完全溶解于铁液中。铁液凝固时，硫或FeS在奥氏体和渗碳体的固溶度很小，逐渐富集于剩余的液相中，最后以硫化物的形式析出，铸铁中含硫量为002时，即可出现独立的硫化物。在灰铸铁中，硫与锰的亲和力比其与铁的亲和力大得多，下式表述的反应中，Mn+FeS=MnS+Fe，MnS的形成是占优势的。MnS的熔点为l62012，在灰铸铁中，MnS是细小而无害的蓝灰色夹杂物，散乱的分布在金属基体中，而且有助于改善铸铁的加工性能、提高工具的寿命。硫以FeS或三元共晶存在时，在铸铁凝固过程中，偏析于共晶团界面的液相中，阻碍共晶团的成长，偏析于共晶团边界上的FeS或三元共晶，又会使铸铁力学性能低下，脆性大。这就是硫的有害作用。如果铸铁中加有足够量的锰以抑制FeS的产生，并形成细小而分散的硫化物夹杂，硫就会在石墨的生核和成长中起积极而有益的作用。为使石墨片的形态令人满意，灰铸铁中硫的最低含量应是006。含硫量低于此值，铸铁中石墨片的分布状况就不好1l。表12各合金元素在铸铁中的具体作用1334合金元素细化珠光体的作用合金元素最重要的影响，是其对奥氏体转变为珠光体、贝氏体和马氏体的动力过程的影响，从热处理的角度来看，就是合金元素对可淬硬度的影响。连续冷却时，可淬硬性增强表现为将奥氏体转变的起始点推迟到较低的温度。在较低的温度下形成的珠光体较细，强度和硬度也都较高。合金元素的具体影响见表1-3。表13灰铸铁中合金元素对金相组织的影响作用12134国内外箱体生产中灰铸铁材质的选择1341化学成分的选择根据铸铁牌号要求即机械性能的高低，应使铸件具有相应的金相组织。金相组织取决于石墨的结晶过程，而共晶和共析转变过程的石墨化又和铸铁的化学成分及冷却速度等工艺因素有关。灰铸铁中除C，Si，Mn，S，P五种常规元素外，还有随炉料或熔炼过程进入的微量元素和其它夹杂，为了获取“高强、薄壁的铸件，生产厂家加入了一些合金元素如Ni，Cr，Cu，Sn，VMo等。所有这些元素对铸铁的结晶、组织及性能都有一定的影响和作用。(1)基本化学成分的选择碳含量与CE的选择：采用高的碳当量，可减小白口倾向及铸件缩松、渗漏等缺陷，但同时会降低铸件的力学性能。而对于发动机箱体这样薄壁复杂的铸件，从铸造性能考虑，一般都选择较高的碳当量13。为使箱体具有良好的铸造性能与力学性能，一般选择C=31533，CE=395405。硅与SiC值国内对箱体生产中SiC的控制问题争论较大。陆文华9认为在CE=4O42，SiC值由O50增至O90时，碳当量对值影响变化不大。刘佑平14认为碳当量对灰铸铁抗拉强度的影响比SiC值大得多，试验证明随着SiC值由O44增至079，在同一范围的碳当量下，06值变化不大。提高碳当量，气箱体的缩孔废品会明显减少；降低碳当量，使用铸造焦与增加废钢加入量，灰铁的抗拉强度会明显地提高。过高的SiC比会导致石墨粗化，珠光体片间距增大，铁素体含量也增加。当SiC055，气箱体缩孔废品会增加，特别在低碳当量的情况下，缩孔废品增加得更多。对于采用较高碳当量铁液的箱体铸件，采用高SiC并不能提高力学性能，而且还可能由于高CE和高的SiC双重影响而使石墨粗大和珠光体量下降，从而使抗拉强度下降，其SIC应以0607较为合适15。锰对灰铸铁抗拉强度的影响锰是可以稳定灰铸铁中渗碳体，促进珠光体化的元素，但它会与硫形成MnS，促使铸铁石墨化。对于CE为395-415的灰铸铁，其叽值随锰量的增加而有所提高，因为碳当量高，铸铁自身的石墨数多且粗，珠光体数量少，增加锰含量，石墨形貌变化不大，此时锰促使灰铸铁珠光体化的作用表现较强，故吼有所提高。所以，范晓明l6等认为当灰铸铁CE395时，Mn含量应在06-一08为宜。磷含量的选择灰铸铁件的含磷量一般小于O20。当P020，随着磷含量的增加，在铸铁中可以与Fe形成心P，灰铸铁的抗拉强度变化不大，而硬度会明显提高而韧性显著降低。灰铸铁中磷含量过高，不仅铸件切削加工困难，而且易产生缩松与开裂缺陷14。含硫量及锰硫比对灰铸铁抗拉强度的影响硫在铸铁中有双重作用，一方面它是强烈稳定铸铁渗碳体元素，另一方面S与Mn形成MnS，会促使铸铁石墨化。在不同CE的情况下，以值均随含硫量的增加而明显提高，但当含硫量超过某一临界值时强度开始降低。对于CE为395的灰铸铁，其临界硫含量为014。如采用电炉熔炼时，铁水中的含硫量一般较低，高温使大量石墨结晶核心烧损17，为确保常用孕育剂的孕育效果，灰铸铁中含硫量一般为005-一006。根据上述情况，灰铸铁的硫含量可为006-015。由于锰与硫在铸铁中有相互制约的作用，所以在选择锰含量与硫含量时必须考虑MnS值。生产实践表明，当灰铸铁CE为396,-,405时，MnS=57，抗拉强度较佳。国内部分厂家箱体基本化学成分的选择胡家聪15推荐HT250气箱体化学成分为()：C=315335，Si=1822，Mn=06-08，PO15，S=006015与CE=395405。北京吉普汽车有限公司18推荐选取C=315360，Si=1824，Mn=035090，SO15，P012。哈尔滨东安发动机制造公司19选择成分：C=3O35，Si=1825，Mn=0609，S015，P00435时，出现缩松的箱盖占生产缩松箱盖总数的75左右，由此判断Ti对缩松有较为直接的影响，并推荐使用WTi035时，会使铁液的凝固温度范围扩大，从而增加铸铁的收缩倾向，容易产生渗漏。含铬05时，组织中会析出游离碳化物，影响铸件的机加工性能。实际生产中一般选用加入0203Cr+Sn(或Cu)，减小由于铬的加入而产生的白口倾向。而为了防止浇注后冷却时间长造成的晶粒和石墨片粗大的倾向，我们同时加入了Sn，因为Sn可以稳定珠光体，使铸件强度基本不变，硬度却有所提高46。锡是强烈稳定珠光体的元素。当锡的含量小幅度提高时，其硬度会得到一定的提升。锡是十分有效的促进珠光体化的元素之一。它可以富化在石墨近旁的奥氏体中，对碳的扩散起到一定的阻碍作用，因而促进珠光体化。然而随着Sn含量的增加，碳化物的数量会上升，且超过1，说明Sn的加入会增加游离碳化物产生的倾向。而碳化物的超标将会导致硬度的上升，影响加工性能47。随着Sn含量的增加，对其自口宽度也有增加的趋势4。因此我们要严格控制Sn的加入量。相关研究表明，铜加入到铁液中主要产生两方面的作用。一方面铜也是一种稳定珠光体的元素，因此铜的加入，可起到增加和稳定基体中的珠光体组织的作用；另一方面，铜又是一种促进石墨化的元素，可抵消铬元素的增大白倾向的不利影响，有利于保证铁液的铸造工艺性能。Cu能降低奥氏体临界转变温度和强化铁素体基体，并可细化珠光体和石墨片。在本章我们这种讨论Cr+Cu+Sn的合金加入方式，以及在其它试验条件不变的情况下，分别改变Cr、Cu、Sn合金元的含量，研究对箱体铸件的机械性能和金相组织的影响。32试验装置及试验方法321试验装置(1) GSl000直读光谱仪。(2) HB3000型布氏硬度计，JCl0型读数显微镜。(3) CMT5105电子万能实验机。(4) 光学金相显微镜。(5) 抛光机。(6) XJP6A金相显微分析系统。(7) HCS140A红外CS分析仪。322原材料(1) 生铁，回炉料，废钢，铸造焦，石灰石等。(2) 75硅铁孕育剂，粒度510ram。(3) 铬铁、锡、铜。323制样(1)熔炼：采用冲天炉一电炉双联熔炼。将生铁、废钢、回炉料、焦炭、石灰石等按要求加入冲天炉中开始熔炼，铁水出炉温度为1500左右，后铁水转炉至中频感应电炉，进行化学成分调整，浇铸三角试块观察白口宽度，并浇注激冷试块铸模，打磨激冷试块的下表面，后将激冷试块放在GS1000型直读光谱仪上测出该炉铁水的化学成分。浇注试棒，在试验机