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汽车发动机缸体缸盖消失模铸造技术的研究与应用(二)


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汽车发动机 缸体缸盖   消失模铸造技术的研究与应用 (   二)
安徽全 柴集 团有 限公 司  ( 全椒 290 ) 王新节  350 

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 H 20 T 5 ,化 学 成 分

为 w u .% ~   =06   c 10 .%, 彬 r .% 一05 c=03 .%,抗 拉强 度 ≥20 P;铸  5M a
件需经消除内应力 处理 ,硬 度为 17 2 5 B ,硬度 差  8  5 H S

率较高。   ()泡 沫 模 型 抗 变 形 能 力 强 ,弹 性恢 复 性 能好  2 ( M A泡沫 模型 抗 变形 弹性 复 原能 力可 达 到 9 %以 P M 8  

上, E S泡沫模 型抗 变形弹性 复原能力 只能达到  而 P
9 %)  2 。

不大于 4 H S ( 0 B 在气 门座孔 附近检 查 ) ;未注 明铸造 圆  角半径 为 3 5 m   m ,起模 斜度 为 l 2,未 注壁 厚 为  o o  

()由于共聚物 P A珠粒 容易 成形 的粒径 可 以 3 MM   更小 ( 最小零件壁厚大面积成形可达到 4 m m ,渐变截面  零件最小起始壁厚可达到 2 m ,泡沫模型成形 能力强 , m )  

56 m :. m;加工后进行水压试验,在 04 a 力下  5 .MP 压
2 i不得有渗漏 现象 。 mn  

提高了产品模型设计的自由度。  
()共聚物 P  A珠粒对 发泡剂 的屏蔽作用较 强, 4 MM   可存放更长的时间 ( 原始珠 粒可存放 6 月以上 ,预发  个 珠粒 可存放 3 个月以上 ) ,提高 了制模 的经济性。   ()共聚物 P MA泡 沫模 型 的成 形设 备无 需专 门 5 M   设计 ,与 E S P 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 。   ()共聚物 P M 泡沫模型 6 M A 具有较宽的密度范围 (l 2   3 L,以满足成形性和可铸造性 , 2 ) 人们在选择共 聚物  P M 珠粒时就可以避开碳缺陷的影 响去重点考虑其他方  M A

2 消失模铸造原材料的应用  .
珠粒成分为 S MM (0 M A+ 0 P ) T A 8%P M 2 %E s ,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 2 ℃ ( 7 异戊 烷 ) ,   所以该产 品的保存方式为 <l℃或直接冷 藏,并应建立  5 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  95 % . %。S MMA原始珠粒直径为 0 3—0 5   T . .mm,

预发密度为 2 L l 。热溶胶成分为碳氢化合物树脂,闪 
点 为 2 2 ,密度为 0 9 gc   3℃ .2/ m ,固含量 为 9 %,颜色  9

面的有效因素; E S 而 P 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 (  2 ) 2 2 。 0  L  
( )共聚物 P 7 MMA泡沫模型 的抗拉强度 、抗压强度 

为琥珀色 ,在 8 ℃以下有 足够 的粘结强度。涂料成分为  2 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  

和抗弯曲变形能力与 E S P 泡沫模型接近,如表 l 所示。  

密度 
/g L一 ·   1  6
2  l

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 ,搅拌时不要 把空气泡卷 入  粘浆里。另外 , 拌速 度会显 著地影 响涂 层的粘 滞性 , 搅   因此 , 生最好效果 的理想速度确定 以后 ,应维持 使用  产
这一搅拌 速度 。  

1  
ES P 抗压强度 
/P  ka l   4l
12 9  

P MMA抗压强度 
/k a P  18 3 
l4 8  

铁合金消 失模铸 造之 所 以选 用共 聚物 P MA作 为 M   主要原材料来制造模型 ,主要有以下几个 方面 的原因 :   ()泡沫模 型燃 烧 后在 铸 件 内 的碳 残 留极 少 ( 1  

3  0 3  7

20 3  26 7 

25 4  28   9

3P .MMA碳残留分析 
用共聚物 P A泡沫模 型材 料进行 消失模 铸造 之  MM

00 %) 通常不会对铸件组织造成危害,铸件的成品 .5 ,  

囵  z 皇 生笾 复 
w● . dI 哪 蹦目   . 口 .打 Om c 

板 一热工 l:加  ‘

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所 以碳残 留少 ,主要 有以下几个方面 的原因 :  

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 成品率统计  ( ) 件 

()P A含有的碳原子数 目 1 MM 较少 ,这可以从单体  分子结构 的组成 中看 出来 ,P A为 ( H- CH 0  MM 一C 2 46 2


) ,E S ( H一 cH 一 n n P 为 一C 2 q 6 ) ,两者 的碳原 子数 目  
造型数  品数  成 浸渗数  成品率  漏水  气孔  开裂  粘砂 工废 
2l o 0  l 2 72   40 2  8 2%  2 5 6   6  0 2  8 1  0 l  5

之 比为 5 8  :。

()P MA 2 M 含有 的氧原子可以将碳原子带走。当浇 

注金属液时,氧原子可与碳原子结合生成 c O气体逸出  
型外而将碳 原子 带走。每个 P A单体 分子结 构 中有 MM   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 比变成 了 38 之 :。   ()P A的热力学稳定 性差 ,进 而导致其遇到 高 3 MM   温时能够快速热解。而 E S 因为含有苯环结构 ,所 以 P则  

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  
9%以上 。解决办法如下 : 0  

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 ,然后又对漏 水 

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。   ()P A和 E S 种材料 热解 的形式 不 同。前  4 MM P两

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 1 2  O~1。

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 , 而产生碳夹 杂。另外 ,这种粘  进 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 。  
表 2  

图 1 缩松缺陷 10   0 0×
P MMA ( 1 2 / ) 2 ~3 g L 
状 态  碳 化 物  残 留 物量 
( ) %  

E S(0~2 g L  P 2 2/ )
碳化物  残 留物 量 
( ) %  

增 碳 量 
( ) %  

增碳 量 
( ) %  

加热速度为  1C s 最 大   ̄/, 温 度 10 o   40C, 最大温度保 温 
时 间 6 7 n  .mi.

08 . 

62 .  

保护气氛为空  气 
0. 5 0  0. 1~0.   3

加热速度 为  70C s 最   0  ̄/ ,   大 温 度 为  l0 ℃ ,最 大  40 温度保温时间  1s 8 ,保 护 气  氛为氮气 

32 . 

l 1 5.  

图 1 基体组织 10   1 0×

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的办法来尽量减少戊烷的挥发 ,以提高 制模 时模 片内部 

珠粒之问的融合度;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 N 8 D)型发 动机 消失 模铸 造缸 盖 ( 4 5( I 见  图 1)为例与普通砂型铸件进行 比 , 3 较 结果消失模铸件  单件重量减轻 了 5g( k 消失模铸 件重 3k, 9g 普通砂 型铸  件重 4 k) 4 g。如果从消 失模 铸造 总的生产成 本吨单 位价 
图 1 石墨长度 10   2 0×

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 60 5 元人 民币 ( 消失模 铸造总的生产成本 吨单位 

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 1 0~1 2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 

价格约为 55 20元人 民币 ,普通 砂型铸 造总 的生产成 本  吨单 位价约为 50 元人 民币 ) 90 。   对 于汽车行业大批量生产特点来讲 ,运用 消失模铸 

态为枝晶片状 ( 型) E ,石墨长度 3 6 m — m ,基体组织约 
为 8 %F 5 +P( 品规 格为 5 m× m 4 m 样 m 4 m× m ,主检仪  器为倒置式金相显 微镜 ,检测依 据 为 G  26 18 ) B7 1- 97 。   这就提示我们在消失模铸造生产过程 中,铁 液的浇注成 

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。  

形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 04 P 压力 下 2 i就会有渗漏现象的发生。当 .M a a rn   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 ( 07 a 约 .MP)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 
图 1 直喷式孕育铸铁四缸柴油机气缸盖  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 :  

① G   15 97《 B 10—18 内燃 机台架性能 试验方法》 。②  G /  46 18 《 B T98- 98 柴油机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 15/ W·、 气温  . k h 排 g 度下降 了 9C 烟度下 降了 0 1S ;在标定工况下的排   ̄、 .F N 气温度 同比下降 了 1 ̄、烟度 下降 了 02S 。不 断提  9C .FN 高发动机的 比功 率 (w } · ) k   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 , 是  也 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 。  

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 如图 1 所 示的缩  0 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 

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缸板   热工 l 加 

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表 4 发 动 机 台 架 外 特性 对 比试 验 
转 速  扭矩/ m N.  
( 机) 原  
21 3 5.  

功率/ W  k
( 原机 )  
7 1  2. 9

油耗率/ (/ W. ) g k h 
( 机) 原  
2 41.  1

排温/C  ̄ 
( 机) 原  
6   21

烟度/ oc  B sh
( 原机 )  
4. 1~4.   2

/. n  rmi一
3o  2o

( 机) 样  
2 8.  1 1

( 机) 样  
7 O1 3.  

( 机) 样  
2  2 41  

( 机) 样  
60   6

( 机) 样  
3. 9~4.   0

3o  oO
2o  8o 20  60

2 5.  2 7
2 4.   3 7 2 6.   3 6

2 9.  2 0
2 6.   3 4 2 9.   3 9

7 9  0. 2
6 4  8. 0 6 4  4. 7

71 8   .6
6 51 9.   6 2  5. 4

2 4.  3 9
2 8.   2 0 2 5.   2 0

2 5.   3 6
2 7.   2 3 2 3.   2 9

65 2 
63 2  61   3

69 0 
65 0  60 o 

4. O~4.  1
4. 4~4.   5 4. 1~4.   2

4. O~4.   O
4. 2~4.   1 3. 9~3.   9

20  40
24  2O 2o  oO

2 0.  4 1
2 3.   3 6 2l 6 8.  

2 41.  8
2 7.   3 6 2 3.   2 2

6 4  0.5
5 0  5. 6 4 7  5. 5

6 7  0. O
5 6  5. 4 4 7  6. 4

2 2.  2 4
2 8.   1 2 2l 2 2.  

22 9 0.  
21 9 6.   2l .   16

68 O 
56 7  53 3 

57 9 
57   1 58 2 

4. 3~4.   3
3. 6~3.   8 2. 8~2.   6

4. 2~4.  1
3. 6~3.   7 2. 6~2.   7

1o   8o l0   60 10   40

21 5 2.  1 9.  9 1 14.  7 7

2 7.  1 5 2 4.  o 8 1 5.  7 4

4 1  0. 4 3 4  3. 2 2 1  6.7

4 8  0. 4 3 2  4. 8 2 6  5. 2

2l .  17 2 2.  l 9 2 6.  1 7

21 5 O.  2l O 2.   21 3 O. 

49 9  46   6 36 9 

49   3 46 5  39   9

2. 6~2.  7 2. 7~2.   6 2. 2~2.  3

2. 6~2.  5 2. 7—2.  7 2. O~2.  1

注 :表中原机是指用普通砂 型铸造 的缸体 、缸盖组装成的发动机,样机是指用消失模铸造的缸体 、 缸盖组装成 的发动机。  

五、几点体会 
()铸件的收缩率 1 在真空负压状态下浇 注成形的 

模型和较深的孑 , 以采用两端封实 、中间镂空 的处理  L 可 工艺。这样 一来 ,既可以节约珠粒原料 ,又可以减少碳 

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 19 一 .%,垂直方向约为  。% 22 13 ~ .%。在最 终确定产 品模 具 的收缩 率之前 ,应  .% 15 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 

夹杂及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 经过充分时效后  5 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 E内实现铸件 的浇注成形工  t

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  

得了稳定的收缩率数值后 , 再开发产品模具 ,以免造成 
不必要 的损失 。  

工余量范围内,尚不能对铸件的质量构成影响;若脱胶 

()铸件的机械加工余量 2

通常所指的消失模铸件 

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 

的机械加工余量较小,其值接近精密铸造的设置 ( 如规 
格为 40 m×10 m× 0 m的缸盖铸件 , 6 8m 9 m 9m 其 个外 围  

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 5 m左右  .m

轮廓面的机械加工余量均设定为 25 m 。需要说明的 .m )  
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。  
()泡沫模型的壁厚 3 通常铸件 的壁厚 在技术要求 

即可。如果采用两次浸涂工 艺 ,即第一 次浸涂烘 干后 再 

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 < m 5 m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 

进行第二次浸涂烘干, 既使涂层的厚度仍维持在 05 m .m  
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、表面富碳和气孑 。 L   这主要是由于第二层涂料将第一层涂料上的微孑 覆盖了 L  
许 多造成 的。为 了保证 模 型簇 的一 次浸 涂 工艺 获得 成 

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 

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 。  

性能和冷却水容积的一侧。  
()泡沫模型镂空处理工艺 4 对 于局部厚大 的泡沫 

()消失模铸造与普通砂型铸造的比较 7

两者在经 

板  热工 l 加 

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w  . 鼍d 哪 n   .  ̄t 口’ o l   ,

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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 ,又要有涂料 的进入和流出孔 ,千万不 要以为消失模  铸造工 艺可少放甚至不放工艺 出砂孔 ;普通 砂型铸造 在   容易产生缩 松 和气孔 的 地方设 置 的保 温 冒 1 3和溢 流 冒   1 3,同样也适用于消失模 铸造 ;另外 ,普通砂 型铸造和 

开发、生产 ,以及汽车工业对节能环保要求的提高,发  动机缸体、缸盖铸件的材质要求也发生了变化。高牌号  孕育铸铁、可锻铸铁和球墨铸铁材质越来越多地得到普 
及应用 。我们在生 产 中发现 铸件 清砂难 于一次 性完 成 、  

铸件硬度偏高使机械加工变得困难、铸件装机后由于内  
部存在较大铸造应力而易在正 常工作 中发生尺寸 变化乃  至变形开裂等现象 。 后来我 们进 行 了铸 件的消除应 力低  温退火热 处 理试 验 ( 于铸 件 重量 小 于 20g的铸铁  对 0k 件, 采取 装 炉 温 度 < 0  ̄,加 热 速 度 <1  ̄/ ,在  20( 2 0 Ch 0 5o 0 ℃左右保温 5 ,然后以 3 ̄/ 的速度进行 冷却 ,并  h 0C h

消失模铸造同样要密切关注天气的变化,因为空气的湿  度和大气温度对铸造产品的质量有很大的影响。   ()发动机缸体和缸盖铸件的浸渗 利用消失模铸  8 造工艺来生产汽车发动机缸体、缸盖铸件时, 无论材质  是铝合金还是铁合金,均需浸渗处理,这样可提高产品  质量和铸件的成品率, 这一点已经在国内外的生产实践 
中得到 了验证 。  

在 2o 0℃以下出炉冷却) ,取得了满意的效果。  
( )消失模 铸造生 产的 管理 1 0 在应用 消失模 铸造 

工艺的初始阶段 , 人们往往只关注具体的技术环节,而 
忽视了消失模 铸造 生产全过 程 中系统 的、科 学 的管 理 ,   结果很难形成 规模化效益。因此要首先积 累大量的适合  于本企业 生产状况 的各道工序 的工艺 参数 , 筛选 出能  再 稳定质量的一些有代表性的工艺参数 , 而形 成企业标  进

()发动机缸体和缸盖铸件的热处理  出于降低成  9
本和加快生产进度 的考 虑 , 我们 曾在很长一段时 间取 消  了铸件的热处理工 序。当时的背 景是用普通灰铸铁来 生  产 单 缸柴 油机 缸体 、 盖铸 件 , 缸 热处 理 工序 省 略后 , 也  没有发现明显的产 品质量波 动。随着多缸柴油发 动机的 

准;然后制定出一套完整的质量管理体系,并在生产实 

践中 断 完 和 展。  ( 文 ( 01 5 不 地 善 发 《 全 完) 2 61 ) 0      1

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数控镗床 的螺 纹加工 

种能有效抑制回弹的弯曲模设计 

Ivn r net 在专用机床夹具中的应用 o  

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