CN113020541A - 一种高强度中等耐热合金铸铁缸体的铸造方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开的是发动机制造技术领域的一种高强度中等耐热合金铸铁缸体的铸造方法，包括以下步骤，制作外模和型芯的砂型，进行涂刷烘型，下芯合箱，熔炼浇注成型，对铸件进行热处理。在制作砂型时，其浇注系统的主直浇道的截面积ΣF直与次横浇道的截面积为ΣF横、系列内浇道的截面积之和Σ内和分直浇道横截面∑F阻满足：∑F直>∑F阻<∑F内<∑F横。本发明采用封闭开放式浇注系统，通过浇口比的特殊设置，使该浇注系统在阻流截面之前是封闭的，可起挡渣作用，而在阻流截面之后，是开放的，可以增大铁液的流量，快速完成浇注，既保证了空气的完全排出，充型平稳，也能对型腔内部金属起到一定保压作用，从而避免出现缩松和缩孔等质量缺陷。

Description

一种高强度中等耐热合金铸铁缸体的铸造方法

技术领域

本发明涉及发动机制造技术领域，尤其设计一种高强度中等耐热合金铸铁缸体的铸造方法。

背景技术

随着家用汽车和现代工业的迅速发展，汽车基础部件的需求快速增加，我国汽车消费需求量不断上升，汽车保有量表现出持续快速增加的态势。

作为汽车的核心部件之一，发动机是为整个汽车提供动力的不可缺少的装置，是汽车的心脏，也是决定汽车的动力性能、经济性能、稳定性能和环保性能的主要部件。发动机缸体则是整个发动机的核心部件，事关发动机的能量输入输出、发动机的运行控制、发动机的温度控制和发动机的润滑等，其重要性不言而喻。

就发动机缸体的铸造而言，传统的铸造工艺和铸造原料限制了发动机缸体性能的进一步提升，因传统铸造工艺容易产生缩松、缩孔等质量缺陷，从而降低铸件质量并影响工艺出品率。此外，由于现代汽车的高性能要求，需要发动机缸体具有更加优异的性能，如更高的强度和更好的耐热性等。

发明内容

为克服现有发动机缸体容易出现的缩松和缩孔等质量缺陷，本发明所要解决的技术问题是：提供一种可提高缸体铸造质量的高强度中等耐热合金铸铁缸体的铸造方法。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种高强度中等耐热合金铸铁缸体的铸造方法，包括以下步骤，制作外模和型芯的砂型，进行涂刷烘型，下芯合箱，熔炼浇注成型，对铸件进行热处理，在制作砂型时，其浇注系统包括主直浇道、主横浇道、分直浇道、次横浇道和内浇道，所述主横浇道两端设置有集渣包，所述主直浇道的截面积ΣF直与次横浇道的截面积为ΣF横、系列内浇道的截面积之和Σ内和分直浇道的截面积∑F阻满足：∑F直>∑F阻<∑F内<∑F横；所述砂型的出气口的总横截面积≥内浇道的横截面积之和Σ内；所述砂型的冒口系统包括明顶冒口和溢流冒口，明顶冒口设置在铸件腔顶部的壁厚最厚处且铸件腔中部，溢流冒口设置在铸件腔顶部且为最高处。

进一步的是，在砂型的浇注系统中，所述主直浇道的截面积ΣF直与次横浇道的截面积为ΣF横、系列内浇道的截面积之和Σ内和分直浇道横截面∑F阻的比值为：∑F直:∑F横:∑F内:∑F阻＝1.2：2.2：2：1。

进一步的是，在制作砂型后，在砂型的型腔涂抹以锆英粉和石刚玉为骨料的复合型醇基涂料和骨料为石刚玉或石墨的水基涂料。

进一步的是，在涂料涂刷后，对型芯进行三段式烘干处理，烘烤温度分别为：第一段100±10℃，第二段140±10℃，第三段80±10℃，整个烘型时间为50±10min。

进一步的是，在熔炼浇注成型阶段，铁水原料按照以下质量百分比进行配比，生铁：回炉料：废钢为0～10％：25～50％：50％，所述回炉料包括球墨铸铁回炉料、灰铸铁回炉料和该发动机缸体自身回炉料中的一种或多种。

进一步的是，熔炼后铁水化学成分的质量百分比为：C3.10％～3.40％、Si1.9％～2.3％、Mn0.6％～0.8％、S0.07％～0.11％、P≤0.1％、Cr0.25％～0.35％、Cu0.6％～0.8％、Mo0.25％～0.40％及余量铁。

进一步的是，在浇注前向铁水中加入孕育剂进行充分搅拌，所述孕育剂为硅钡孕育剂和75硅铁孕育剂的组合。

进一步的是，所述孕育剂的加入量占总浇注液的0.4％，其中硅钡孕育剂加入量为0.25％，粒度为2～7mm，75硅铁孕育剂加入量为0.15％，粒度为2～7mm，且孕育时间占出铁量的75％以上。

进一步的是，在浇注成型过程中，铁水的温度为1470±10℃。

进一步的是，对铸件进行热处理时采用以下方式：装炉温度为200℃以下，在达到200℃之后升温速度应≤50℃/h，达到500～530℃后进行保温，保温时间3～4小时，保温结束后随炉冷却至出炉温度＜120℃，冷却速度≤50℃/h，当温度降至120℃时，进行空冷。

本发明的有益效果是：在浇注系统上，本发明采用封闭开放式浇注系统，通过浇口比的特殊设置，使该浇注系统在阻流截面之前是封闭的，可起挡渣作用，而在阻流截面之后，是开放的，可以保证充型平稳，兼有封闭式和开放式两种系统的优点，再配合冒口系统的设计，在金属液充满浇注系统时，呈无压流动状态，增大了铁液的流量，快速完成浇注，既保证了空气的完全排出，充型平稳，也能对型腔内部金属起到一定保压作用，从而避免出现缩松和缩孔等质量缺陷。

附图说明

图1是本发明浇注系统轴侧视图。

图2是本发明浇注系统主视图。

图3是本发明铸件热处理工艺图。

图中标记为，1、主直浇道；2、集渣包；3、主横浇道；4、分直浇道；5、次直浇道；6、次横浇道；7、主内浇道；8、次内浇道；9、铸件腔；10、溢流道1；11、出气口；12、明顶冒口；13、溢流冒口；14、溢流道2。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

本发明所提供的一种高强度中等耐热合金铸铁缸体的铸造方法，包括以下步骤，制作外模和型芯的砂型，进行涂刷烘型，下芯合箱，熔炼浇注成型，对铸件进行热处理，其中，在制作砂型时，其浇注系统包括主直浇道1、主横浇道3、分直浇道4、次横浇道6和内浇道，所述主横浇道3两端设置有集渣包2，所述主直浇道1的截面积ΣF直与次横浇道6的截面积ΣF横、系列内浇道的截面积之和Σ内和分直浇道4的截面积∑F阻满足：∑F直>∑F阻<∑F内<∑F横；所述砂型的出气口11的总横截面积≥内浇道的横截面积之和Σ内；所述砂型的冒口系统包括明顶冒口12和溢流冒口13，明顶冒口12设置在铸件腔顶部的壁厚最厚处且铸件腔中部，溢流冒口13设置在铸件腔顶部且为最高处。

如图1、图2所示，本发明的砂型包括铸件腔9、冒口系统、溢流系统和浇注系统；所述浇注系统包括出气口11、主直浇道1、分直浇道4、次直浇道5、主内浇道7、次内浇道8、主横浇道3和次横浇道6，所述次横浇道6与铸件腔9底部平齐，主内浇道7设置在铸件腔9底侧面，所述系列主内浇道7均与次横浇道6、分直浇道4和次直浇道5连通。

本发明采用底注式浇注系统，即利用系列主内浇道7对铸件的底部供给铁液浇注。在浇注时，铁液从主直浇道1中进入，然后流入到主横浇道3中，铁液沿条状的主横浇道3分散后经集渣包2进入分直浇道4，再进入次横浇道6。浇注过程中，先由系列主内浇道7对铸件腔9底层进行浇注，随着铸件腔内充型，次直浇道5中铁液随之升高，在达到一定程度后，分直浇道4上设置的次内浇道8开始对铸件腔9中部充型，之后次直浇道5中铁液开始向铸件腔9两侧中部充型。整个过程中，铁液由下到上逐渐填充铸件腔9，并通过溢流道一10、溢流道二14和出气口11排除其中空气，随着铁液在铸件腔9中的高度升高，内浇道中流出的铁液由中而侧、由下而上逐渐增加，从而增大了铁液的流量，快速完成浇注，既保证了空气的完全排出，也能保证铁液的浇注时间。

本发明的浇注系统同时也是封闭开放式浇注系统，是因为通过对各浇道截面积的控制，使得该浇注系统在阻流截面之前是封闭的，可起挡渣作用；而在阻流截面之后，是开放的。经过大量试验和理论严重，得出的优选方案是，在砂型的浇注系统中，所述主直浇道的截面积ΣF直与次横浇道的截面积为ΣF横、系列内浇道的截面积之和Σ内和分直浇道横截面∑F阻的比值为：∑F直:∑F横:∑F内:∑F阻＝1.2：2.2：2：1，按照该比例进行控制，可充分保证铸件腔9中空气的排导，使充型平稳，并提供一定保压作用，从而避免在热处理过程中出现缩松和缩孔等质量缺陷。

除了浇注系统的结构以为，砂型的表面质量也是影响铸件质量的一个关键因素，具体体现在涂料和烘干工艺上。本发明所采用的涂料是以锆英粉和石刚玉为骨料的复合型醇基涂料和骨料为石刚玉或石墨的水基涂料。采用浸涂和人工喷涂两种施工方式，其中，锆英粉和石刚玉骨料可以在砂型和型芯表面形成一道致密且耐高温的涂层，提高铸件的表面质量和有效降低机械粘砂和化学粘砂现象，因此该涂层可调节铸件表层冷却速度，促使铸件表面合金化和晶粒细化。而石墨层涂料因石墨本身的良好延展性，可以有效调节铁液各高度的压力，对于补缩过程产生的应力有一定的调节作用。

在涂料涂刷后，需对型芯进行三段式烘干处理，烘烤温度分别为：第一段100±10℃，第二段140±10℃，第三段80±10℃，整个烘型时间为50±10min。通过三段式砂型烘干工艺，既可有效去除砂型和型砂中含有的水分和凝固过程中产生的气体，还可避免因烘烤导致的砂型型芯内部与外部温差导致水分回吸造成表面水气聚集，故可降低在浇注和成型过程中的缩松、缩孔、气孔等缺陷的产生，进一步保证铸件质量。

在下芯合箱阶段使用了自行研制的砂芯精确定位技术，即在轴心位置设置有一定位杆，然后沿着轴心定位杆将离散的坭芯依次按顺序进行定位装配，从而确保所有坭芯的准确定位。由于本发动机缸体铸件形状复杂，造型过程中使用的砂芯众多，坭芯的定位是整个造型过程中最关键的环节，坭芯定位的准确性直接关系到铸件的尺寸精度。如果定位产生一定偏差，则会造成铸件的尺寸精度不能达到使用要求，从而导致产品报废。而本发明采用的砂芯精确定位技术可确保使用砂芯的精准定位，从而有效提升缸体铸件的尺寸精度。

在熔炼浇注成型阶段，铁水原料按照以下质量百分比进行配比，生铁：回炉料：废钢为0～10％：25～50％：50％。该原料与传统灰铸铁原料有所不同，具体表现在对回炉料的使用上，本发明采用的回炉料分为球墨铸铁回炉料、灰铸铁回炉料和该发动机缸体自身回炉料中的一种或多种组合。球墨铸铁回炉料的使用降低了生铁的使用，拓展了原料的来源，同时大大降低了成本。

熔炼后铁水化学成分的质量百分比为：C3.10％～3.40％、Si1.9％～2.3％、Mn0.6％～0.8％、S0.07％～0.11％、P≤0.1％、Cr0.25％～0.35％、Cu0.6％～0.8％、Mo0.25％～0.40％及余量铁。对铁液成分的控制，可大幅提升铸件硬度。相较于传统灰铸铁铁液成分，本发明在传统灰铸铁铁液成分的基础上，添加了Cr、Cu、Mo等合金元素。通过本发明的合金化设计，生产的发动机缸体铸件硬度可达238HB，铸件强度可达375MPa。

此外，在浇注前还需向铁水中加入孕育剂进行充分搅拌，本发明所采用的孕育剂为硅钡孕育剂和75硅铁孕育剂的组合。所述孕育剂的加入量占总浇注液的0.4％，其中硅钡孕育剂加入量为0.25％，粒度为2～7mm，75硅铁孕育剂加入量为0.15％，粒度为2～7mm，且孕育时间占出铁量的75％以上。该孕育剂可强烈增加石墨化核心，细化石墨，促进灰铸铁件中得到A型石墨，提高强度，对于球墨铸铁件能使球铁中石墨细小，圆整，提高球化等级。同时还能有效降低铁水过冷度，促进石墨的析出，显着减少白口倾向，降低相对硬度，提高铸件切削加工性能，提高断面均匀性，减少缩松倾向，化学成分稳定，加工粒度均匀，成分和质量偏差小。

在浇注成型过程中，铁水的温度控制同样至关重要，如果浇注温度过高，也会出现缩孔、缩松缺陷，造成铸铁出现自补缩不足的问题，根据缸体的厚度，将浇注温度控制在1470±10℃比较合适。

浇注完成后需对铸件进行热处理，本申请采用的方式如图3所示：装炉温度为200℃以下，在达到200℃之后升温速度应≤50℃/h，达到500～530℃后进行保温，保温时间3～4小时，保温结束后随炉冷却至出炉温度＜120℃，冷却速度≤50℃/h，当温度降至120℃时，进行空冷。该热处理方式可使钢水各金相组织稳定结晶，满足机械性能要求。

下面通过具体实施例对本发明进一步说明。

实施例一：

本发明采用三种相当于ASTM A48的45级铸铁的灰铸铁进行试验，分别编号为实施例1、实施例2和实施例3，均用于制作制造640Kg至1320Kg范围的发动机缸体。具体方法如下：将含碳量为3.10～3.40％的相当于ASTM A48的45级铸铁的灰铸铁在熔炼炉内进行熔炼，熔炼在温度为1470±10℃的铁液中加入总量为0.4％的复合孕育剂，其中硅钡孕育剂加入量为0.25％，粒度为2～7mm；75硅铁孕育剂加入量为0.15％，粒度为2～7mm，且孕育时间占出铁量的75％以上，孕育到浇注时间≤10min；将温度不低于1410℃的铁液浇注到砂箱中，铁液逐步在型腔内完成充型，并在冒口液态金属的补缩下凝固形成铸件，最后对铸件进行热处理。热处理工艺制度为：装炉温度为200℃以下，在达到200℃之后升温速度应≤50℃/h，达到500～530℃后进行保温，保温时间3～4小时；保温结束后随炉冷却至出炉温度＜120℃，冷却速度≤50℃/h；当温度降至120℃时，进行空冷。

本发明三个实施例的参数见下表所示：

表1原料配比方案

表2熔炼过程中相当于ASTM A48的45级灰铸铁的实际化学成分

表3三种实施例灰铸铁的机械性能及金相组织

表4本发明主要考核指标的标准参数

通过上述系列测试与相关标准参数对比可知，相当于ASTM A48的45级灰铸铁均达到了本发明发动机缸体的使用性能要求。因此，本发明采用的发动机缸体的铸造方法是完全可行的。

Claims (10)

1.一种高强度中等耐热合金铸铁缸体的铸造方法，包括以下步骤，制作外模和型芯的砂型，进行涂刷烘型，下芯合箱，熔炼浇注成型，对铸件进行热处理，其特征是：在制作砂型时，其浇注系统包括主直浇道(1)、主横浇道(3)、分直浇道(4)、次横浇道(6)和内浇道，所述主横浇道(3)两端设置有集渣包(2)，所述主直浇道(1)的截面积ΣF直与次横浇道(6)的截面积ΣF横、系列内浇道的截面积之和Σ内和分直浇道(4)的截面积∑F阻满足：∑F直>∑F阻<∑F内<∑F横；所述砂型的出气口(11)的总横截面积≥内浇道的横截面积之和Σ内；所述砂型的冒口系统包括明顶冒口(12)和溢流冒口(13)，明顶冒口(12)设置在铸件腔(9)顶部的壁厚最厚处且铸件腔(9)中部，溢流冒口(13)设置在铸件腔(9)顶部且为最高处。

2.如权利要求1所述的一种高强度中等耐热合金铸铁缸体的铸造方法，其特征是：在砂型的浇注系统中，所述主直浇道(1)的截面积ΣF直与次横浇道(6)的截面积ΣF横、系列内浇道的截面积之和Σ内和分直浇道(4)的截面积∑F阻的比值为：∑F直:∑F横:∑F内:∑F阻＝1.2：2.2：2：1。

3.如权利要求1所述的一种高强度中等耐热合金铸铁缸体的铸造方法，其特征是：在制作砂型后，在砂型的型腔涂抹以锆英粉和石刚玉为骨料的复合型醇基涂料和骨料为石刚玉或石墨的水基涂料。

4.如权利要求3所述的一种高强度中等耐热合金铸铁缸体的铸造方法，其特征是：在涂料涂刷后，对型芯进行三段式烘干处理，烘烤温度分别为：第一段100±10℃，第二段140±10℃，第三段80±10℃，整个烘型时间为50±10min。

5.如权利要求1所述的一种高强度中等耐热合金铸铁缸体的铸造方法，其特征是：在熔炼浇注成型阶段，铁水原料按照以下质量百分比进行配比，生铁：回炉料：废钢为0～10％：25～50％：50％，所述回炉料包括球墨铸铁回炉料、灰铸铁回炉料和该发动机缸体自身回炉料中的一种或多种。

6.如权利要求5所述的一种高强度中等耐热合金铸铁缸体的铸造方法，其特征是：熔炼后铁水化学成分的质量百分比为：C3.10％～3.40％、Si1.9％～2.3％、Mn0.6％～0.8％、S0.07％～0.11％、P≤0.1％、Cr0.25％～0.35％、Cu0.6％～0.8％、Mo0.25％～0.40％及余量铁。

7.如权利要求5所述的一种高强度中等耐热合金铸铁缸体的铸造方法，其特征是：在浇注前向铁水中加入孕育剂进行充分搅拌，所述孕育剂为硅钡孕育剂和75硅铁孕育剂的组合。

8.如权利要求7所述的一种高强度中等耐热合金铸铁缸体的铸造方法，其特征是：所述孕育剂的加入量占总浇注液的0.4％，其中硅钡孕育剂加入量为0.25％，粒度为2～7mm，75硅铁孕育剂加入量为0.15％，粒度为2～7mm，且孕育时间占出铁量的75％以上。

9.如权利要求1所述的一种高强度中等耐热合金铸铁缸体的铸造方法，其特征是：在浇注成型过程中，铁水的温度为1470±10℃。

10.如权利要求1所述的一种高强度中等耐热合金铸铁缸体的铸造方法，其特征是：对铸件进行热处理时采用以下方式：装炉温度为200℃以下，在达到200℃之后升温速度应≤50℃/h，达到500～530℃后进行保温，保温时间3～4小时，保温结束后随炉冷却至出炉温度＜120℃，冷却速度≤50℃/h，当温度降至120℃时，进行空冷。

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