CN104117657A - 柴油机机体的铸造方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种发动机机体铸造方法，尤其是一种柴油机机体的铸造方法。本发明提供了一种一体成型水道和油道的柴油机机体的铸造方法，首先制作砂型，然后利用砂型进行浇注成型；在制作砂型时，利用无缝钢管构建油道和水道，并且无缝钢管的两端穿透砂型与外界连通；在浇注成型的过程中，向无缝钢管中通入冷却剂以控制无缝钢管的温度。无缝钢管代替三角形钢板铸造油道、水道，避免水压渗漏。充分利用数学思想“同等周长，圆的截面积大于三角形的截面积”，将原印度机体油道、水道的截面由三角形改进为圆形，增大了油道、水道的体积，同时，避免了棱角的出现，减少了回油及水对管壁强烈冲刷而造成的渗漏现象。

Description

柴油机机体的铸造方法

技术领域

本发明涉及一种发动机机体铸造方法，尤其是一种柴油机机体的铸造方法。

背景技术

目前，国外著名的大型柴油机制造厂家如德国MAN B&W、芬兰德国MTU、美国Caterpillar、韩国Hyundai、日本洋马等公司的柴油机产品都形成了系列化，并各具特色。以船舶中速柴油机的生产为例，MAN B&W公司生产的船舶中速机可用于三大主力船型(油轮、集装箱船以及散货船)的发电辅机，且市场销售情况良好。而我国船舶中速柴油机虽然通过技术合作、专利或许可证引进及自主开发研制，在国内已经形成了一定的生产能力，但是由于我国中速机功能单一，且技术水平落后，目前仅用于渔船、内河航行船舶等，产品进不了主流市场。因此，我国制造的远洋船舶上配套的中速机70％直接购买国外进口原装机，其余30％则是引用国外许可证技术制造，制造技术依赖于国外，国内企业没有自主知识产权。

采用整体铸造技术生产大型柴油机机体的技术难度大、设备要求高，因此目前国内还没有相关领域的企业有能力采用以铸代焊的方法生产大型柴油机机体，使得我国造船领域大型柴油机与机体的配套率不到40％，这已成为影响我国船舶工业快速发展的主要瓶颈。然而，国内外对品质优良、价格合理的以铸代焊大型柴油机机体的需求却十分旺盛。以国内为例，近年来中国造船量以年均超过30％的速度增长，占世界市场份额的25％以上，2013年中国大型柴油机机体的市场需求量已超过6000台，且随着国际航运业和社会经济的快速发展，船用发动机的功率会越来越大，大型柴油机机体的需求量也会急剧增加。

油道和水道是印度机体的铸造难点，印度铸造的V16机体的油道和水道的截面结构为三角形，然后采用钢板+角钢的方式镶嵌在铸件中，最后通过焊接的方式使得油道、水道与机体连为一体。其具体结构如图2所示。此方案压水试验时，焊疤处漏水。原因是在浇注前焊接的地方使用PT探伤检测，无裂纹，但浇注铁水后铸件试压漏水，说明1340℃铁水温度太高将焊疤烧裂了。此外，钢板和铸件熔合区域也漏水。原因是5mm钢板镶嵌在铸件中熔合达不到压水要求，试压时水从熔合区渗漏出来。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种一体成型水道和油道的柴油机机体的铸造方法。

本发明解决其技术问题所采用的柴油机机体的铸造方法，制作砂型，利用砂型进行浇注成型；

在制作砂型时，利用无缝钢管构建油道和水道，并且无缝钢管的两端穿透砂型与外界连通；

在浇注成型的过程中，向无缝钢管中通入冷却剂以控制无缝钢管的温度。

进一步的是，所述浇注成型采用以下步骤：将球墨铸铁在熔炉内进行熔炉，熔炼后先在温度为1430±10℃的铁液中加入含硅预处理剂进行处理；然后使用堤坝式浇包进行球化处理及第一次孕育，球化处理温度在1440±10℃；再将随流孕育剂放入漏斗进行第二次孕育；最后将温度不低于1400℃的铁液浇注到砂型中进行成型。

进一步的是，球化剂加入总量为铁液重量的1.0％～1.3％，孕育剂加入总量为铁液重量的0.6％～0.65％，球化剂和孕育剂一次性并同时冲入铁水中，在铁液进行球化处理的同时发生孕育作用。

进一步的是，在浇注成型中，加入按铁液重量为0.3～0.5％含硅预处理剂，并且含硅预处理剂为0.1～0.3％硅钡+0.2％冶金碳化硅预处理剂。

进一步的是，在浇注成型中，球化处理所用的球化剂为稀土球化剂，其中粒度为5～25mm的轻稀土球化剂NODALLOY的加入量为0.6％～0.9％，粒度为5～25mm的重稀土球化剂ZY-4B的加入量为0.4％；第一次孕育所用的孕育剂为粒度3～8mm的硅钡孕育剂，加入量为铁液重量的0.5％。

进一步的是，在浇注成型中，第二次孕育所用的随流孕育剂为0.3～0.8mm的FYJ-T孕育剂，加入量为铁夜重量的0.1％～0.15％。

进一步的是，在浇注成型中，铁水浇注是采用阶梯式浇注方式，铁液在型腔中的上升速度为200mm/s。

进一步的是，对铸件进行升温、保温、冷却的时效处理来消除残余应力；升温速度保持在35℃/h以下，升温至565～621℃，保温2～4h；保温后的冷却速度≤25℃/h。

进一步的是，在制作砂型时，利用钢棒插入砂型中用以固定定位台，然后再利用定位台来定位无缝钢管，同时在定位台上缠绕耐火材料石棉绳以保护钢棒。

进一步的是，向无缝钢管中通入冷却剂为CO₂干粉，通过干粉的升华降低管壁温度。

本发明与已有技术相比，具有以下优点：

1.无缝钢管代替三角形钢板铸造油道、水道，避免水压渗漏。充分利用数学思想“同等周长，圆的截面积大于三角形的截面积”，将原印度机体油道、水道的截面由三角形改进为圆形，增大了油道、水道的体积，同时，避免了棱角的出现，减少了回油及水对管壁强烈冲刷而造成的渗漏现象。

2.机体与无缝钢管整体铸造，省去补焊程序。印度以前采用钢板+角钢的方式镶嵌在铸件，然后通过焊接的方式使得油道、水道与机体连为一体，经水压测试，焊缝处露水而难以保证铸件质量。本发明则摒弃以往铸钢、钢板的铸焊结构，将四根无缝钢管(两侧面各两根)通过等间距设计的定位台和钢棒固定于坭芯中，钢管总长度大于机体，穿透砂型。

3.有效保护高温铁水对固定钢棒和无缝钢管的灼烧破坏。为了防止1340℃高温铁水对插于坭芯中的钢棒的灼烧及破坏，即为了确保钢管的准确定位，本项目通过在定位台部位缠绕耐火材料石棉绳进行消除。同时为了消除高温铁水对无缝钢管的灼烧，本发明向钢管中通入CO2干粉，通过干粉的升华降低管壁温度。

4.为保证众多坭芯的精确定位，本发明采用了一种自行研制的砂芯精确定位技术。在砂芯装配前在型腔的主要位置设置一定位杆，然后将各个坭芯块沿着定位杆方向进行依次按顺序进行逐一装配，便可确保使用砂芯的精准定位，从而有效提升机体铸件的尺寸精度。

附图说明

图1是本发明生产的铸件的示意图；

图2是原有柴油机体的油道和水道示意图；

图3是采用本发明成型的油道和水道示意图；

图4是本发明采用的铸造砂模示意图；

图中零部件、部位及编号：油道1、水道2、铸件3、无缝钢管4、钢棒5、定位台6、定位杆7。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步说明。

本发明首先制作砂型，然后利用砂型进行浇注成型；

在制作砂型时，利用无缝钢管4构建油道1和水道2，并且无缝钢管4的两端穿透砂型与外界连通；无缝钢管4在制作砂型时嵌入到砂型中，按照设计的油道和水道位置进行安装，根据油道和水道的功能，可以采用不同规格的无缝钢管4。无缝钢管4的两端穿透砂型与外界连通，这主要是为了后续通入冷却剂而设定。装配模样时，其砂型的轴心位置设有一定位杆7，以确保各个坭芯准确定位；在制作砂型后，在砂型的型腔涂抹一层含麻纤维的涂料，麻纤维优选为荨麻纤维，这样可以增加铸型的透气效果，防止铸件中形成气孔，本发明在常规使用的涂料中专门添加了含有增加材料透气性的麻纤维，大大提高了涂料的透气性，使得铁液在充型过程中的气体可顺利经涂层及型砂而排除型外，从而减小型腔内的气压，使铁液流通顺畅无阻，解决了传统方法铸造大型发动机缸体铸件时由于透气性差所带来的铸件缺陷问题。在砂型制作完成后，即可准备浇注。

在浇注成型的过程中，向无缝钢管4中通入冷却剂以控制无缝钢管4的温度。由于在浇注时，高温铁水很容易损坏无缝钢管4，因此利用冷却剂可以有效的降低无缝钢管4的温度，避免无缝钢管4在浇注时损坏。冷却剂可以是以水为代表的冷却剂，本发明推荐采用CO₂干粉，通过干粉的升华降低管壁温度，CO₂干粉可以使无缝钢管4内的CO₂浓度大幅提升，减少无缝钢管4内壁被氧化，同时CO₂的排放也非常的安全。本发明浇铸后的铸件参见图1所示。

本方法的浇注成型包括熔炼、多步骤的处理和最终的浇注，具体的方式如下：将按重量百分比计含碳量为3.6～3.7％的球墨铸铁在熔炉内进行熔炉，熔炼后先在温度为1430±10℃的铁液中加入按铁液重量为0.3～0.5％的含硅预处理剂进行处理；然后使用堤坝式浇包进行球化处理及第一次孕育，球化处理温度在1440±10℃，球化剂加入总量为铁液重量的1.0％～1.3％，孕育剂加入总量为铁液重量的0.5％，一次性冲入铁水，待冲入铁液进行球化处理的同时发生孕育作用；再将0.05～0.15％的随流孕育剂放入漏斗进行第二次孕育；最后将温度不低于1400℃的铁液浇注到砂箱中，铁液在冒口液态金属的补缩下充型、凝固形成铸件，之后对浇注成形的铸件进行时效处理。本发明的浇注成型可以采用下列实施方式之一或者多个组合：

该方法在浇铸前还向铁液中加入2.0kg的高温石墨化增碳剂。

该方法中所用的含硅预处理剂是0.1～0.3％硅钡+0.2％冶金碳化硅预处理剂；

该方法中球化处理所用的球化剂为稀土球化剂，其中粒度为5～25mm的轻稀土球化剂NODALLOY的加入量为0.6％～0.9％，粒度为5～25mm的重稀土球化剂ZY-4B的加入量为0.4％。该方法中第一次孕育所用硅钡孕育剂的粒度为3～8mm。

该方法中第二次孕育所用的FYJ-T孕育剂的粒度为0.3～0.8mm。

该方法的铁水浇注是采用阶梯式浇注方式，铁液在型腔中的上升速度为200mm/s。

该方法中通过对铸件进行升温、保温、冷却的时效处理来消除残余应力。该方法中时效处理的升温速度保持在35℃/h以下，升温至565～621℃，保温2～4h；保温后的冷却速度≤25℃/h。

所述柴油机机体为V型16缸机体。

本发明所用到的轻稀土球化剂NODALLOY、FYJ-T孕育剂均可在市场上购买。

实施例

下面给出实施例以对本发明进行具体的描述，本实施例的浇注工艺采用上述实施方式的所有组合，有必要在此指出的是以下实施例只用于对本发明进行进一步说明，不能理解为对本发明保护范围的限制，该领域的技术熟练人员根据本发明内容对本发明作出的一些非本质的改进和调整仍属本发明的保护范围。

另外，值得说明的是以下实施例所用元素的百分比均为重量百分比；对所得铸件进行的抗拉强度R_m、硬度HB机械性能的测试，其中，材料的R_m是在SHT4305微机控制电液伺服万能试验机上进行的；HB是在HB—3000型布氏硬度机上进行的。

发明实施例所用的材质为牌号为QT500-7A的球墨铸铁，见表1，Fe为余量。发明实施例中熔炼过程中的主要化学成分见表2。发明实施例中铸件的时效处理工艺参数见表3。.

表1 QT500常见的化学成分范围

表2 实际熔炼过程中QT500的主要化学成分

表3 时效处理过程中三种球墨铸铁的工艺参数

表4 三种球墨铸铁的机械性能及金相组织

表5 本发明主要考核指标的标准参数

通过测试结果(如表4示)与本发明主要考核指标的标准参数(如表5示)对比可知：以上不同成分的QT500-7A材质铸件均达到了印度V16机体使用要求的性能指标。同时，用此发明铸造出来的机体经1.5Mpa水压试验，历时1h30min，水道和油道处均未出现泄露现象。因此，对印度V16机体的铸造方法采用以上改进后结构及熔炼浇注工艺是可行的。

Claims (10)

1.柴油机机体的铸造方法，制作砂型，利用砂型进行浇注成型；其特征在于：

在制作砂型时，利用无缝钢管(4)构建油道(1)和水道(2)，并且无缝钢管(4)的两端穿透砂型与外界连通；

在浇注成型的过程中，向无缝钢管(4)中通入冷却剂以控制无缝钢管(4)的温度。

2.如权利要求1所述的柴油机机体的铸造方法，其特征在于：所述浇注成型采用以下步骤：将球墨铸铁在熔炉内进行熔炼，熔炼后先在温度为1430±10℃的铁液中加入含硅预处理剂进行处理；然后使用堤坝式浇包进行球化处理及第一次孕育，球化处理温度在1440±10℃；再将随流孕育剂放入漏斗进行第二次孕育；最后将温度不低于1400℃的铁液浇注到砂型中进行成型。

3.如权利要求2所述的柴油机机体的铸造方法，其特征在于：球化剂加入总量为铁液重量的1.0％～1.3％，孕育剂加入总量为铁液重量的0.6％～0.65％，球化剂和孕育剂一次性并同时冲入铁水中，在铁液进行球化处理的同时发生孕育作用。

4.如权利要求2所述的柴油机机体的铸造方法，其特征在于：在浇注成型中，加入按铁液重量为0.3～0.5％含硅预处理剂，并且含硅预处理剂为0.1～0.3％硅钡+0.2％冶金碳化硅预处理剂。

5.如权利要求2所述的柴油机机体的铸造方法，其特征在于：在浇注成型中，球化处理所用的球化剂为稀土球化剂，其中粒度为5～25mm的轻稀土球化剂NODALLOY的加入量为0.6％～0.9％，粒度为5～25mm的重稀土球化剂ZY-4B的加入量为0.4％；第一次孕育所用的孕育剂为粒度3～8mm的硅钡孕育剂，加入量为铁液重量的0.5％。

6.如权利要求2所述的柴油机机体的铸造方法，其特征在于：在浇注成型中，第二次孕育所用的随流孕育剂为0.3～0.8mm的FYJ-T孕育剂，加入量为铁夜重量的0.1％～0.15％。

7.如权利要求2所述的柴油机机体的铸造方法，其特征在于：在浇注成型中，铁水浇注是采用阶梯式浇注方式，铁液在型腔中的上升速度为200mm/s。

8.如权利要求1所述的柴油机机体的铸造方法，其特征在于：在浇注成型后，对铸件(3)进行升温、保温、冷却的时效处理来消除残余应力；升温速度保持在35℃/h以下，升温至565～621℃，保温2～4h；保温后的冷却速度≤25℃/h。

9.如权利要求8所述的柴油机机体的铸造方法，其特征在于：在制作砂型时，利用钢棒(5)插入砂型中用以固定定位台(6)，然后再利用定位台(6)来定位无缝钢管(4)，同时在定位台(6)上缠绕耐火材料石棉绳以保护钢棒(5)。

10.如权利要求1至9任一权利要求所述的柴油机机体的铸造方法，其特征在于：向无缝钢管(4)中通入冷却剂为CO₂干粉，通过干粉的升华降低管壁温度。