CN103480804B - 一种无冷铁船用柴油机汽缸盖的铸造方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开的一种无冷铁船用柴油机汽缸盖的铸造方法，采用分布式顶雨淋浇注方式，首先计算铸件主要热节，在铸件顶面两个大热节部位设置保温冒口，在顶面小热节处设计内浇口，实现凝固过程的补缩和排气，形成自下而上温度梯度，最后金属液凝固在冒口中。该铸造方法简便可靠，适用于船舶柴油机汽缸盖铸造。

Description

一种无冷铁船用柴油机汽缸盖的铸造方法

技术领域

本发明属于铸造技术领域，具体涉及一种无冷铁船用柴油机汽缸盖的铸造方法。

背景技术

船用柴油机汽缸盖是柴油机零件中最关键零件之一，是由平面和孔系组成的复杂多面体结构，内部布置进、排气道、冷却水腔、双螺孔、贯穿螺孔、喷油器及配气机构等。尺寸精度要求高，主要壁厚（气道周围壁厚、爆发面厚度等）有严格的公差要求，局部热节较多，最大和最小壁厚相差大，气道、水腔、油道和高压油管等要进行水压试验，燃烧面要进行压力试验。缸盖燃烧面气门阀座之间要进行硬度检查，并有着色和探伤要求。

对柴油机汽缸盖铸造技术进行国内外技术查新检索，相关文献《柴油机轿车铝合金汽缸盖的铸造工艺》（论文发表日期2012年，撰写人谢永泽、汤宏群，发表的期刊铸造技术，FoundryTechnology2012，33（2）页码216-218）介绍了某柴油机轿车铝合金汽缸盖铸造工艺：采用了倾转浇注方式、金属型重力铸造，确定了汽缸盖下端面浇注位置、铝液的浇注温度、底模温度、侧模温度、浇注时间等。与本发明相同的是都属于汽缸盖铸造技术，不同点是本发明针对的是船用柴油机汽缸盖铸造方法，该文献针对的是柴油机轿车铝合金汽缸盖的铸造方法，本发明优点是解决了砂型铸造灰铸铁柴油机汽缸盖铸造难题，采用的无铸造冷铁工艺操作简便、生产成本低成品率高，达到了提高铸件表面质量的目的；专利名称：《柴油机气缸盖铸造方法》，公开号：CN101066557A，公开日：2007-11-07，与本发明相同的是都采用常规铸造工艺，不同点是《柴油机气缸盖铸造方法》专利是从气缸盖两侧的底端引入铁水的底注浇注方式，在各热节的部位配合使用冷铁；本发明是从汽缸盖顶端引入铁水的顶雨淋半封闭浇注方式，在热节部位配合使用冒口和设计内浇口，不使用铸造冷铁；本发明优点是克服了灰铸铁柴油机汽缸盖铸造成品率低难题，采用的顶雨淋无铸造冷铁工艺，铸造方法简便、生产成本低成品率高，还提高了铸件的表面质量；专利名称：《一种铸钢汽缸盖的铸造方法》，公开号：CN101961768，公开日：2011-03-02，该发明专利用于舰船柴油机铸钢汽缸盖铸造，介绍了一种铸钢汽缸盖铸造方法，涉及木模制作、定位、铸型制作、冷铁放置。此发明方法可实现高的成形效率和很少的缺陷。该专利针对干砂模铸钢汽缸盖。本发明针对树脂砂铸铁汽缸盖。优点是在大热节部位使用保温冒口，不使用铸造冷铁；本发明优点是克服了灰铸铁柴油机汽缸盖铸造成品率低难题，方法简便、生产成本低成品率高，还提高了铸件的表面质量；文献《Productiontechnologyformedium-speedhigh-strengthmarinedieselenginecylindercovers》，高强度船用中速柴油机汽缸盖生产技术，（论文发表日期1998年，撰写人韩登峰、宇文建鹏、高永健、周国林，发表的期刊《铸造技术》第四期）介绍了一种采用高的碳当量低合金化，完全地孕育并结合内、外冷铁的使用解决了长期存在的渗漏问题。与本发明相同的是同属于柴油机铸铁汽缸盖铸造，本发明的优点是在热节部位配合使用冒口和设计内浇口，不使用铸造冷铁同样很好解决了铸件局部分散的缩松、较低的机械性能及渗漏问题。

将技术查新检索的相关文献与本发明最为接近的专利、文献相似点、不同点及创新点对比分析发现，国外先进技术应用多，铸造方法较简单，而国内先进技术应用少，铸造方法考虑因素多，造成生产操作复杂难度大，能耗大成本大。本发明的无冷铁铸造缸盖方法操作简单实用，在国内外研究中均未见报道。

发明内容

本发明的目的是提供一种无冷铁船用柴油机汽缸盖的铸造方法，简化了铸造工艺，并解决了缸盖铸造现有技术中存在的渗漏问题。

本发明所采用的技术方案是，一种无冷铁船用柴油机汽缸盖的铸造方法，具体按照以下步骤实施：

步骤1：铸造工艺设计；

步骤2：制作木模或金属模具；

步骤3：树脂砂造型制芯；

步骤4：熔炼、浇注；

步骤5：毛坯清理；

步骤6：检验。

本发明的特点还在于，

其中的步骤1铸造工艺设计，具体按照以下步骤实施：

1）浇注系统设计；

2）设计铸件顶面热节模数M_C和冒口颈模数M_N；

3）确定冒口及内浇口位置；

4）铸造冒口设计。

其中的浇注系统设计，浇注方式为分布式顶雨淋半封闭浇注方式，浇注时间计算公式为其中G_L为浇注重量，S为与铸件壁厚相关的系数，S的取值为1.6-2.2。

其中的设计铸件顶面热节模数M_C和冒口颈模数M_N，热节为厚大部位，分别计算出缸盖顶面所有热节模数，M_C=热节体积/热节表面积，M_N=（0.4-0.6）M_C，其中，M_C为热节模数，M_N为冒口颈模数。

其中的确定冒口及内浇口位置，选择在铸件顶面两处大热节部位设置保温冒口，顶面小热节处设计为内浇口位置。

其中的铸造冒口设计，具体按照以下步骤实施：在缸盖铸件爆发面上放置两个保温冒口，保温层厚度为15-35mm，D_R=（1.5-2.0）d_R，H_R=（2.0-4.0）D_R，d_R=4M_N，其中，冒口直径尺寸为D_R，冒口颈尺寸为d_R，冒口高度尺寸为H_R。

其中的步骤4熔炼、浇注，采用电弧炉熔炼，出炉温度为1480℃-1500℃，浇注温度为1305℃-1315℃。

本发明的有益效果是，提供了一种简单的无冷铁柴油机汽缸盖铸造方法，该发明在原工艺经验的基础上进行简化，采用无冷铁铸造工艺，通过在铸件顶面加载保温冒口，达到控制温度梯度并排气并集渣目的，因为无冷铁铸造简化了现场操作、减少了铸件打磨量、提高了铸件的表面精度，节省了铸造成本。本发明可有效提高铸件表面质量，并消除了铸件渗漏质量问题，成品率高，操作更简便，工艺稳定可靠。

附图说明

图1是M型柴油机缸盖铸造浇冒系统图；

图2是L型柴油机缸盖浇注系统模型图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。

本发明无冷铁船用柴油机汽缸盖的铸造方法，具体按照以下步骤实施：

步骤1：铸造工艺设计：为保证缸盖燃烧面性能，将缸盖铸件的浇注位置确定为燃烧面朝下，爆发面朝上；两箱造型，铸件在下箱，分型面为铸件顶面。铸造工艺参数设计包括浇注系统设计、冒口设计、冷铁设计等。具体按照以下步骤实施：

1）采用树脂砂常规铸造工艺，设计分布式顶雨淋半封闭浇注方式。

首先进行浇注系统设计。采用附有拔塞浇注浇口杯，起了一定的撇渣作用。对浇注方式和浇注时间进行合理选择和计算，考虑到铸件本身的特点和树脂砂工艺的要求，选用顶雨淋的半封闭式浇注系统。浇注时间计算公式为其中G_L为浇注重量，S为与铸件壁厚相关的系数，S的取值（1.6-2.2），合理调整S值的大小，既要有利于铸型内气体、渣子的顺利排出，又不冲坏坭芯。

根据该合金的凝固特点，并考虑到缸盖本身的结构，采用顶雨林、半封闭式浇注系统，有利于浇注液中气体、渣子的上浮，内浇口的开设应使铁液不冲坏坭芯，顺利充型。

2）其次设计铸件顶面热节模数M_C和冒口颈模数M_N。

热节为厚大部位，分别计算出缸盖顶面所有热节模数。M_C=热节体积/热节表面积，M_N=（0.4-0.6）M_C。其中，M_C为热节模数，M_N为冒口颈模数。

3）确定冒口及内浇口位置。

根据热节尺寸，选择在铸件顶面两处大热节部位设置保温冒口，顶面小热节处设计为内浇口位置。

4）完成铸造冒口设计。

在缸盖铸件爆发面上放置两个保温冒口，保温层厚度为（15-35）mm。D_R=（1.5-2.0）d_R，H_R=（2.0-4.0）D_R，d_R=4M_N。其中，冒口直径尺寸为D_R，冒口颈尺寸为d_R，冒口高度尺寸为H_R。

步骤2：模具制作——木模或金属模具

步骤3：造型、合型——树脂砂造型制芯

步骤4：熔炼、浇注——电弧炉熔炼，出炉温度1480℃-1500℃；浇注温度1305℃-1315℃。

出炉温度选择1480℃-1500℃的理论依据是高温静置。根据国内外研究都表明，在一定范围内提高金属液过热温度能使石墨细化，基体组织致密，抗拉强度提高，冶金品质指标得到改善。同时有利于金属液中夹杂、气体等上浮和净化金属液，对其它方面有害影响很小。所以，一般铸造厂将铸铁缸盖出炉温度定为1480℃-1500℃；

浇注温度选择1305℃-1315℃的理论依据是低温孕育倒包低温浇注。浇注温度低，液态收缩值小，有助于减少缩孔、缩松倾向，利于铸件致密；低温孕育有利于获得A型石墨（A型石墨铸铁导热性能较好，使耐热疲劳性能得到改善），增加共晶团数（有利于强度提高），孕育效果良好；低温孕育倒包大大地缩短了从孕育处理到浇注之间的时间，最大限度地减轻了孕育衰退的不良影响。

步骤5：毛坯清理——落砂、切割冒口、喷（抛）丸；

步骤6：检验——检测、最终检验等阶段。

实施例1

M型柴油机缸盖为HT350铸铁件，每型两件，耐火管顶注，设计保温冒口两个，将坭芯的通气引到型腔外边。采用顶注浇注系统，在缸盖顶面，从顶端分布式引入内浇口8处，由此改善缸盖铸件温度场分布，减少铸件缩孔缩松缺陷的形成。根据该缸盖合金材料的凝固特点，并考虑到缸盖本身的结构。在铸件上平面厚大部位放置了两个的冒口，冒口颈该冒口不仅起补缩作用，同对可以使型腔内的气体顺利排出，也可起到集渣作用。同时在顶面设置5个出气棒，用于排除型腔气体。

工艺的验证：

M型柴油机缸盖铸造采用上述无冷铁、顶注雨淋工艺，其浇冒系统模型见图1所示。应用该工艺生产的铸件，经气道、水腔、油道和高压油管进行0.8MPa水压试验、燃烧面进行20MPa压力试验未出现打压渗漏情况，缸盖燃烧面、气门阀座之间硬度检查达到了要求，经着色和探伤检查也达到要求。

实施例2

L型柴油机缸盖为HT300铸铁件，铸件打压不允许渗漏。采用顶注式浇注系统，浇注过程中温度降低较快，由于铸件在能够顺利充型的情况下，温度越低，液态收缩越小，越不利于缩孔缩松的形成，因此采用顶注式浇注系统将改善缸盖铸件内部的分布，减少铸件缩孔缩松缺陷的形成，同时，冒口铁水温度比铸件内部温度高，也会加强铸件补缩效果。在其铸件顶面两个厚大部位放置了两个尺寸为冒口，冒口颈该冒口不仅起补缩作用，同对可以使型腔内的气体顺利排出，也可起集渣作用。同时在顶面设置5个出气棒，用于排除型腔气体。

工艺的验证：

L型柴油机缸盖铸造应用上述无冷铁、顶注雨淋工艺，铸造浇注系统模型见图2所示。该工艺生产的灰铸铁缸盖铸件，经气道、水腔、油道和高压油管进行0.6MPa水压试验、燃烧面进行15MPa压力试验未出现打压渗漏情况，铸件经解剖后组织致密。本发明的铸造方法在L型柴油机缸盖铸造中得到了验证。

在传统铸造工艺经验的基础上，在铸造热节处设计铸造冒口形成补缩通道，有效控制铸件缩孔、缩松缺陷的产生，形成一套可靠的铸造方法，工艺简单易操作，可提高柴油机缸盖铸件成品率，缩短柴油机研制和生产周期。

根据铸造合金的凝固特点，并考虑到缸盖本身的结构，在设计铸造工艺时，为保证汽缸盖致密度并防止产生缩孔缩松铸造缺陷，一般采用从气缸盖顶端引入金属液的顶注雨淋式浇注方式，分散引入、保证金属液均匀、平稳、无冲击、连续地充满型腔，并采用半定量浇口杯拔塞浇注。根据铸件热节计算，在顶面（爆发面）两个厚大热节处设置冒口补缩，为保证缸盖燃烧面性能，将缸盖铸件的浇注位置确定为燃烧面朝下，顶面设置的保温冒口不仅起补缩作用，同时可以使型腔内的气体顺利排出，也可起集渣作用。顶面设置多个出气口，用于排除型腔气体。

本浇冒系统设计的原则：顶雨淋半封闭式浇注，在铸件顶面热节部位配合使用冒口和设计内浇口。在顶注过程中始终保证了金属液顶部温度高于底部温度，不使用铸造冷铁同样形成自下而上的补缩通道，达到控制温度梯度并排气并集渣目的；同时，顶注过程中金属液温度降低快，在铸件能够顺利充型的情况下，温度越低液态收缩越快，因此，顶注会减少铸件缩孔缩松缺陷形成，很好解决了铸件局部分散的缩松以及较低的机械性能及渗漏问题。

无冷铁铸造的优点：简化了现场操作、减少了铸件打磨量、提高了铸件的表面精度，节省了铸造成本。

冒口设计的尺寸的好处：首先，顶面两大热节部位设置保温冒口补缩并排气，并起集渣作用，冒口铁水比铸型内部铁水温度高，会加强铸件补缩效果，提高铸件的铸造质量；铸件中的缩孔位置是在铸件的最后凝固部位，铸件内各个部分的凝固时间取决于其体积与表面积的比值，这一比值称为模数，因此，铸件的凝固时间与模数大小成正比，铸件内相邻部分的凝固顺序可依照模数的大小来确定，冒口设计的尺寸就是以铸件凝固模数来计算确定：d_R=4M_N，M_N=（0.4-0.6）M_C，D_R=（1.5-2.0）d_R，H_R=（2.0-4.0）D_R。其中，M_C为铸件热节模数，M_N为冒口颈模数，冒口直径尺寸为D_R，冒口颈直径尺寸为d_R，冒口高度尺寸为H_R。

Claims (2)

1.一种无冷铁船用柴油机汽缸盖的铸造方法，其特征在于，具体按照以下步骤实施：

步骤1：铸造工艺设计；

步骤2：制作木模或金属模具；

步骤3：树脂砂造型制芯；

步骤4：熔炼、浇注；

步骤5：毛坯清理；

步骤6：检验；

所述的步骤1铸造工艺设计，具体按照以下步骤实施：

1)浇注系统设计；

2)设计铸件顶面热节模数MC和冒口颈模数MN；

3)确定冒口及内浇口位置；

4)铸造冒口设计；

所述的浇注系统设计，浇注方式为分布式顶雨淋半封闭浇注方式，浇注时间计算公式为其中G_L为浇注重量，S为与铸件壁厚相关的系数，S的取值为1.6-2.2；

所述的设计铸件顶面热节模数MC和冒口颈模数MN，热节为厚大部位，分别计算出缸盖顶面所有热节模数，MC＝热节体积/热节表面积，MN＝(0.4-0.6)MC，其中，MC为热节模数，MN为冒口颈模数；

所述的确定冒口及内浇口位置，选择在铸件顶面两处大热节部位设置保温冒口，顶面小热节处设计为内浇口位置；

所述的铸造冒口设计，具体按照以下步骤实施：在缸盖铸件爆发面上放置两个保温冒口，保温层厚度为15-35mm，DR＝(1.5-2.0)dR，HR＝(2.0-4.0)DR，dR＝4MN，其中，冒口直径尺寸为DR，冒口颈尺寸为dR，冒口高度尺寸为HR。

2.根据权利要求1所述的无冷铁船用柴油机汽缸盖的铸造方法，其特征在于，所述的步骤4熔炼、浇注，采用电弧炉熔炼，出炉温度为1480℃-1500℃，浇注温度为1305℃-1315℃。