CN111451444A - 一种大马力发动机箱体铸件的铸造方法 - Google Patents

一种大马力发动机箱体铸件的铸造方法 Download PDF

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黄鹏
杨屹
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Abstract

本发明公开了一种大马力发动机箱体铸件的铸造方法，包括制备型砂，进行造型、制芯得到砂型；制备浇注铁液，将生铁、回炉料和废钢作为原料送入熔炼炉中进行熔炼；对熔炼好的铁液进行包内孕育和球化处理，出铁前进行随流孕育，然后出铁；将铁液浇入砂型中并进行随流孕育，采用冷铁冒口工艺进行补缩和温度控制，浇注完成形成铸件；对成型的铸件进行热处理。采用本发明所制得铸件的质量良好，不易出现夹芯、松缩、裂纹等质量问题。

Description

一种大马力发动机箱体铸件的铸造方法
技术领域
本发明涉及重型汽车、大型客车、工程机械等配件的铸造生产技术领域，尤其是一种大马力发动机箱体铸件的铸造方法。
背景技术
国家在出台的《国家支持发展的重大技术装备和产品目录》中明确指出，“大功率柴油机及其关键配套设备”是国家重点支持和优先发展的方向。目前，大功率柴油机广泛应用于现代工业的各个领域，在我国现代工业中具有非常广泛的应用和需求，也是事关我国国民经济发展的重大关键装备。
在大功率柴油机及其关键配套设备中，柴油机箱体是其中最大的主体部件，也是最重要和最关键的部件，其使用范围及应用领域均非常广泛，可广泛应用于重型汽车、大型客车、工程机械、矿山机械、石油机械、轨道机械、港口机械、电力机车、船舶动力等方面。
对于汽车发动机而言，发动机箱体是其中不可缺少的部件。目前，大马力发动机箱体主要采用铸造生产，应用最广的铸造方法为湿型粘土砂制造工艺，它具有成型性能好、能耗低、噪音小、污染少、效率高、运行可靠等优点。对于多腔体大马力发动机箱体的铸造而言，其内腔结构复杂且需要使用大量的型芯，造成大马力发动机箱体铸造过程中型芯定位、夹砂、夹芯、粘芯和粘芯骨等问题凸显，同时诸如缩、缩松、气孔等问题对于铸件的质量也会产生严重的影响，最终导致铸件合格率低和铸件性能差，且后期加工的难度加大，加工质量难以有效保证。此外，铸件在后续处理过程中必须使用氧熔棒或气铲进行强力打磨处理，不仅容易导致铸件的质量和使用性能产生二次降低，还会增加人力和物力的消耗，增加生产成本。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是：提供一种大马力发动机箱体铸件的铸造方法，所制得铸件的质量良好，不易出现夹芯、松缩、裂纹等质量问题。
为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：一种大马力发动机箱体铸件的铸造方法，包括以下步骤：
a、制备型砂，进行造型、制芯得到砂型；
b、制备浇注铁液，将生铁、回炉料和废钢作为原料送入熔炼炉中进行熔炼；
c、对熔炼好的铁液进行包内孕育和球化处理，出铁前进行随流孕育，然后出铁；
d、将铁液浇注进砂型中并进行随流孕育，采用冷铁冒口工艺进行补缩和温度控制，浇注完成形成铸件；
e、对成型的铸件进行热处理。
进一步的是：所述铁液的化学成分按重量百分比计包括：C 3.65～3.75wt％、Si2.25～2.45wt％、Mn 0.25～0.30wt％、S＜0.02wt％、P≤0.045wt％、Cu 0.33～0.37wt％、Mg 0.03～0.05wt％、Ti≤0.045wt％；其余为铁。
进一步的是：步骤a中，砂型包括铸件腔、浇注***、溢流***和冒口***；浇注***上设有直浇道、横浇道、过滤网和多个内浇道；横浇道与铸件腔的底部平齐，多个内浇道对称设置在铸件腔的底部侧面并与横浇道连通，横浇道与直浇道连通，过滤网设置在横浇道与直浇道之间；所述溢流***包括设置在砂型顶部的溢流内浇道、溢流集渣包和溢流片；所述冒口***包括设置在砂型顶部的保温冒口；砂型的顶部还设有多个出气片，砂型的底部设有多个冷铁。
进一步的是：直浇道的截面积为Σ直，横浇道的截面积为Σ横，内浇道的截面积为Σ内，过滤网的截面积之和为Σ过，Σ直:Σ横:Σ内:Σ过＝1.8～1.9:1.2～1.4:1:7.5。
进一步的是：步骤b中，原料配比按重量百分比计为：生铁20～40％、回炉料40～60％、废钢20％。
进一步的是：孕育处理采用复合孕育法，球化处理采用复合球化法。
进一步的是：将粒度为5～25mm、重量为铁液重量0.8wt％的6RE nodulizer球化剂和重量为铁液重量0.4wt％的QRMg6RE2球化剂进行复合，装入堤坝式球化包的最底层并捣实；在第二层覆盖粒度为3～12mm、重量为铁液重量0.1wt％的75硅铁并捣实；在第三层完全覆盖重量为铁液重量0.6～0.8wt％的碎钢片并压实；在缝隙处覆盖除渣剂。
进一步的是：步骤c中，将粒度为3～12mm、重量为铁液重量0.5wt％的硅钡孕育剂一次性冲入铁液包中进行出铁随流孕育。
进一步的是：步骤d中，浇注铁液时随流加入粒度为0.2～0.8mm、重量为铁液重量0.13wt％的Bi孕育剂；铁液浇注温度为1350±10℃。
进一步的是：步骤e中，热处理时装炉温度控制在200℃以下，加热速度≤35℃/h，达到560～580℃后进行保温，保温时间为4～8h；保温结束后进行冷却，冷却速度≤25℃/h，冷却至出炉温度＜200℃后空冷至室温。
本发明的有益效果是：
1、通过对铁液成分进行控制，充分利用铁液中球状石墨显著的石墨化膨胀作用，实现在铸件成型过程中进行自补缩，有效减少了缩松和缩孔等缺陷，提高了铸件的质量和成品率；
2、采用复合球化处理，通过利用不同球化剂中的不同元素对球化过程起到不同的作用和效果，利用6RE nodulizer球化剂中所含的稀土保证球化作用的平稳性，利用QRMg6RE2球化剂中所含的Mg元素提高铁液中石墨的球化作用，球化稳定性和球化效果得到极大提升；
3、采用复合孕育处理，通过多次不间断的孕育，保证铁液的充分孕育，既能阻碍基体晶粒长大，又能有效增加石墨数量并细化石墨，从而提高球化等级，形成稳定的形核质点，为球化反应提供良好的条件；
4、型砂的浇注***采用双侧底注式浇注和溢流***复合浇注，有效保证铁液的充型速度好和充型压力，提高了铸件的充型饱满程度，使浇注过程充型平稳，降低了对型腔的冲刷力；
5、采用冷铁冒口工艺，利用设置在砂型顶部的出气片、保温冒口和设置在砂型底部的冷铁对整个箱体铸件进行良好的补缩和冷却温度调控，保证浇注***进排气通畅。
附图说明
图1为本发明中砂型的铸件腔示意图；
图2为本发明中砂型的顶部示意图；
图3为本发明中砂型的底部示意图；
图4为本发明中热处理的工艺图；
图中标记为：100-铸件腔、210-直浇道、220-横浇道、230-过滤网、240-内浇道、310-溢流内浇道、320-溢流集渣包、410-保温冒口、510-出气片、520-冷铁。
具体实施方式
为了便于理解本发明，下面结合附图和实施例对本发明进行进一步的说明。
本发明所述的一种大马力发动机箱体铸件的铸造方法，包括以下步骤：
步骤一、制备型砂，型砂制备过程中树脂流量/砂流量为0.75～1.15wt％，固化剂流量/树脂流量根据季节的不同进行调节，在冬季为35～50wt％，在夏季为25～40wt％；型砂制备完成后进行造型、制芯，由于大马力发动机箱体铸件的形状复杂，造型过程中所使用型芯较多，而型芯的定位是整个造型过程中最重要的环节，型芯定位的准确性直接关系到铸件内腔的尺寸精度，若型芯的定位产生偏差，会造成铸件的尺寸精度达不到使用要求，最终会导致产品报废；本发明中为了保证众多型芯的精准定位，在型芯装配前在型腔的主要位置设置轴心定位杆，沿轴心定位杆将离散的型芯依次按顺序进行定位装配，从而确保型芯的精准定位，可有效提高大马力发动机箱体铸件内腔的尺寸精度。
本发明制得的砂型结构如图1至图3所示，砂型包括铸件腔100、浇注***、溢流***和冒口***；浇注***上设有直浇道210、横浇道220、过滤网230和多个内浇道240；横浇道220与铸件腔100的底部平齐，多个内浇道240对称设置在铸件腔100的底部侧面并与横浇220道连通，横浇道220与直浇道210连通，过滤网230设置在横浇道220与直浇道210之间，本发明采用底注式双侧浇注***，利用三面环绕式的内浇道240对铸件的底部供给铁液；溢流***包括设置在砂型顶部的溢流内浇道310、溢流集渣包320和溢流片；冒口***包括设置在砂型顶部的保温冒口410，保温冒口410设置在铁液温度较低处；砂型的顶部还设有多个出气片510，砂型的底部设有多个冷铁520，冷铁520包括随行冷铁和定性冷铁，分别设置在大马力发动机箱体浇注过程中的各个热力节点位置。浇注时，铁液从直浇道210中进入砂型中，然后经过过滤网230后左右分散到横浇道220中，沿条状的横浇道220进入各个内浇道240中，铁液由上至下逐步填充铸件腔100，同时将空气排出，随着铁液在铸件腔100中高度的身高，两侧内浇道240中流出的铁液逐渐增加，从而增大了铁液的流量。快速完成浇注，浇注过程中充型压力稳定、排气流畅，保证了铸件质量。
考虑到浇注过程中铁液会对型腔进行冲刷，本发明中对直浇道210、横浇道220、过滤网230和内浇道240的截面积进行限制，设定直浇道的截面积为Σ直、横浇道的截面积为Σ横、内浇道的截面积为Σ内、过滤网的截面积之和为Σ过，保证Σ直:Σ横:Σ内:Σ过的比值范围为1.8～1.9:1.2～1.4:1:7.5，使铁液充满浇注***时保持微压流动状态，对型腔的冲刷力较小，且具有良好的挡渣能力，能够保证充型稳定，充型时间合理。另外，为了获得良好的排气效果和补缩效果，确保出气片510上排气孔的总横截面积大于等于多个内浇道240的横截面积之和。
砂型制备完成后，在砂型上涂刷铸造涂料，铸造涂料在燃烧过程中可烘干砂型，降低砂的含水量，从而解决铸造大型大马力发动机箱体铸件时因透气性差和砂的含水量高而造成的铸造缺陷。本发明中采用福士科800铸造涂料，其悬浮稳定性好，具有优良的触变性和流平性，涂刷后无刷痕，涂层牢固，发气量低，易于点燃，燃烧值高，抗粘砂性好，铸件表面光洁。在铸造涂料中可添加占铸造涂料重量0.2～0.5％的麻纤维，进一步增加透气性。
步骤二、制备浇注铁液，将生铁、回炉料和废钢作为原料送入熔炼炉中进行熔炼；原料配比按重量百分比计为：生铁20～40％、回炉料40～60％、废钢20％；熔炼后所得铁液的化学成分按重量百分比计包括：C 3.65～3.75wt％、Si 2.25～2.45wt％、Mn 0.25～0.30wt％、S＜0.02wt％、P≤0.045wt％、Cu 0.33～0.37wt％、Mg 0.03～0.05wt％、Ti≤0.045wt％，其余为铁；采用上述成分的铁液，利用铁液中球状石墨显著的石墨化膨胀作用，实现在铸件成型过程中进行自补缩，有效减少了缩松和缩孔等缺陷，提高了铸件的质量和成品率。
步骤三、将粒度为5～25mm、重量为铁液重量0.8wt％的6RE nodulizer球化剂和重量为铁液重量0.4wt％的QRMg6RE2球化剂进行复合，装入堤坝式球化包的最底层并捣实，在第二层覆盖粒度为3～12mm、重量为铁液重量0.1wt％的75硅铁并捣实，在第三层完全覆盖重量为铁液重量0.6～0.8wt％的碎钢片并压实，在缝隙处覆盖除渣剂；通过复合球化处理法，利用6RE nodulizer球化剂中所含的稀土保证球化作用的平稳性，利用QRMg6RE2球化剂中所含的Mg元素提高铁液中石墨的球化作用；利用75硅铁进行包内孕育，再在出铁时将粒度为3～12mm、重量为铁液重量0.5wt％的硅钡孕育剂一次性冲入铁液包中进行出铁随流孕育。
步骤四、将铁液浇入砂型中，铁液浇注温度为1350±10℃；浇注铁液时随流加入粒度为0.2～0.8mm、重量为铁液重量0.13wt％的Bi孕育剂；在浇注过程中采用冷铁冒口工艺进行补缩和温度控制，利用设置在砂型顶部的出气片510、保温冒口410和设置在砂型底部的冷铁520对整个箱体铸件进行良好的补缩和冷却温度调控，保证浇注***进排气通畅；浇注完成形成铸件。
本发明上述步骤中所采用的复合孕育处理法为包内孕育、出铁孕育和浇注随流孕育，通过多次不间断孕育保证对铁液的充分孕育；Bi孕育剂中含有的Bi元素既能阻碍基体晶粒长大，又能有效增加石墨数量并细化石墨，从而提高球化等级，形成稳定的形核质点，为球化反应提供良好的条件；孕育剂中的硅、钡元素具有良好的抗衰退能力，且硅、钡元素的加入量仅是传统孕育法中75硅铁孕育剂加入量的一半，在保证孕育效果的同时又降低了孕育成本。
步骤五、对成型的铸件进行热处理，热处理的具体工艺如图4所示，装炉温度控制在200℃以下，加热速度≤35℃/h，达到560～580℃后进行保温，保温时间为4～8h；保温结束后进行冷却，冷却速度≤25℃/h，冷却至出炉温度＜200℃后空冷至室温。
实施例1
采用EN-GJS-500-7球墨铸铁，熔炼所得铁液的化学成分按重量百分比计包括：C3.66％、Si 2.27％、Mn 0.26％、P 0.023％、S 0.10％、Cu 0.34％、Mg 0.03％、Ti 0.026％，余量为Fe，按照本发明上述步骤制得大马力发动机箱体铸件，冷却后通过SHT4305微机控制电液伺服万能试验机对铸件的拉伸强度Rm进行测试，通过HB-3000型布氏硬度机对铸件的硬度HBS进行测试，测得Rm为535MPa、HBS为186。
实施例2
采用EN-GJS-500-7球墨铸铁，熔炼所得铁液的化学成分按重量百分比计包括：C3.70％、Si 2.30％、Mn 0.27％、P 0.022％、S 0.09％、Cu 0.35％、Mg 0.04％、Ti 0.029％，余量为Fe，按照本发明上述步骤制得大马力发动机箱体铸件，冷却后通过SHT4305微机控制电液伺服万能试验机对铸件的拉伸强度Rm进行测试，通过HB-3000型布氏硬度机对铸件的硬度HBS进行测试，测得Rm为543MPa、HBS为203。
实施例3
采用EN-GJS-500-7球墨铸铁，熔炼所得铁液的化学成分按重量百分比计包括：C3.71％、Si 2.40％、Mn 0.28％、P 0.020％、S 0.08％、Cu 0.36％、Mg 0.03％、Ti 0.035％，余量为Fe，按照本发明上述步骤制得大马力发动机箱体铸件，冷却后通过SHT4305微机控制电液伺服万能试验机对铸件的拉伸强度Rm进行测试，通过HB-3000型布氏硬度机对铸件的硬度HBS进行测试，测得Rm为551MPa、HBS为213。
对比大马力发动机箱体铸件的机械性能标准参数为Rm≥500MPa、HBS为170～230，本发明上述三个实施例的机械性能完全满足大马力发动机箱体的指标要求，且铸件的生产合格率高达95％。

Claims (10)

1.一种大马力发动机箱体铸件的铸造方法，其特征在于：包括以下步骤：
a、制备型砂，进行造型、制芯后得到砂型，砂型上涂刷铸造涂料；
b、制备浇注铁液，将生铁、回炉料和废钢作为原料送入熔炼炉中进行熔炼；
c、对熔炼好的铁液进行包内孕育和球化处理，出铁前进行随流孕育，然后出铁；
d、将铁液浇注进砂型中并进行随流孕育，采用冷铁冒口工艺进行补缩和温度控制，浇注完成形成铸件；
e、对成型的铸件进行热处理。
2.如权利要求1所述的一种大马力发动机箱体铸件的铸造方法，其特征在于：所述铁液的化学成分包括：C 3.65～3.75wt％、Si 2.25～2.45wt％、Mn 0.25～0.30wt％、S＜0.02wt％、P≤0.045wt％、Cu 0.33～0.37wt％、Mg 0.03～0.05wt％、Ti≤0.045wt％；其余为铁。
3.如权利要求1所述的一种大马力发动机箱体铸件的铸造方法，其特征在于：步骤a中，砂型包括铸件腔、浇注***、溢流***和冒口***；浇注***上设有直浇道、横浇道、过滤网和多个内浇道；横浇道与铸件腔的底部平齐，多个内浇道对称设置在铸件腔的底部侧面并与横浇道连通，横浇道与直浇道连通，过滤网设置在横浇道与直浇道之间；所述溢流***包括设置在砂型顶部的溢流内浇道、溢流集渣包和溢流片；所述冒口***包括设置在砂型顶部的保温冒口；砂型的顶部还设有多个出气片，砂型的底部设有多个冷铁。
4.如权利要求3所述的一种大马力发动机箱体铸件的铸造方法，其特征在于：直浇道的截面积为Σ直，横浇道的截面积为Σ横，内浇道的截面积为Σ内，过滤网的截面积之和为Σ过，Σ直:Σ横:Σ内:Σ过＝1.8～1.9:1.2～1.4:1:7.5。
5.如权利要求1所述的一种大马力发动机箱体铸件的铸造方法，其特征在于：步骤b中，原料配比按重量百分比计为：生铁20～40％、回炉料40～60％、废钢20％。
6.如权利要求1所述的一种大马力发动机箱体铸件的铸造方法，其特征在于：孕育处理采用复合孕育法，球化处理采用复合球化法。
7.如权利要求6所述的一种大马力发动机箱体铸件的铸造方法，其特征在于：将粒度为5～25mm、重量为铁液重量0.8wt％的6RE nodulizer球化剂和重量为铁液重量0.4wt％的QRMg6RE2球化剂进行复合，装入堤坝式球化包的最底层并捣实；在第二层覆盖粒度为3～12mm、重量为铁液重量0.1wt％的75硅铁并捣实；在第三层完全覆盖重量为铁液重量0.6～0.8wt％的碎钢片并压实；在缝隙处覆盖除渣剂。
8.如权利要求6所述的一种大马力发动机箱体铸件的铸造方法，其特征在于：步骤c中，将粒度为3～12mm、重量为铁液重量0.5wt％的硅钡孕育剂一次性冲入铁液包中进行出铁随流孕育。
9.如权利要求6所述的一种大马力发动机箱体铸件的铸造方法，其特征在于：步骤d中，浇注铁液时随流加入粒度为0.2～0.8mm、重量为铁液重量0.13wt％的Bi孕育剂；铁液浇注温度为1350±10℃。
10.如权利要求1所述的一种大马力发动机箱体铸件的铸造方法，其特征在于：步骤e中，热处理时装炉温度控制在200℃以下，加热速度≤35℃/h，达到560～580℃后进行保温，保温时间为4～8h；保温结束后进行冷却，冷却速度≤25℃/h，冷却至出炉温度＜200℃后空冷至室温。
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