船舶发动机活塞铁模覆砂铸造工艺研究

船舶发动机活塞铁模覆砂铸造工艺研究

杨中耀  杨金铭

   船舶发动机活塞作为船舶发动机的关键配件之一，对表面质及内部综合力学性能要求高，生产工艺选择及过程控制不当容易产生夹渣、缩松、硬度不均以及尺寸变形等问题。本文以国外某公司船舶发动机活塞为研究对象，介绍了铁模覆砂铸造工艺及其过程控制要点，供参考。

1、铸件结构及性能要求

通过产品图及剖切图可以看到，大型船舶发动机活塞产品壁厚差大，结构相对复杂。同时时产品尺寸要求严格，要求铸造尺寸公差按照DIN 1685 GTB16级。产品要求：抗拉强度≥700Pa;珠光体含量≥90%;铁素体含量≤10%;球化率≥1级；产品硬度250-290HBW;内部无铸造缺陷（X射线探伤满足1级要求>,如图1

2、工艺方案确定

该产品如果采用树脂砂造型生产，容易产生铸件硬度不均勻问题，由于产品厚差较大，内部容易出现缩松、缩孔等铸造缺陷，同时产品外观尺寸得不到稳定的控制，影响铸件的合格率及加工效率;另外树脂砂造型工艺出品率相对较低，且对工人造型技能要求高，人工成本较高。

对比树脂砂造型工艺，如果采用铁模覆砂造型，由于铁模覆砂有刚性砂型外壳，使得砂型整体强度高，不变形，能够得到光洁的铸件。同时铁型覆砂造型对金属液结晶过程中的激冷作用明显，可使铸件 晶粒度细化，从而提髙了铸件的综合强度。对比树脂砂造型工艺，铁模覆砂造型工艺出品率高、成品率高，具备明显的经济优势。且生产过程中使用的覆膜砂能够实现100%回收和重新利用，无无固废，对环境影响小。经对比分析，我们决定采用铁模覆砂造型工艺。

3模具及浇注系统设计

模具及浇注系统设汁如图2所示，本项目产品采用底注式浇注工艺，在底部段罝了陶瓷过滤系统，能够有效的去除铁液中的杂质，保证铁液的纯净。釆用底注式浇注能够有效防止夹渣缺陷，铁液平稳充 型,有利于型内气体排出，防止铁液氧化，因活塞顶部厚大，在其上方设置冒口,有利于热节部位进行补缩。同时产品内部芯子采用铁芯覆砂工艺，不仅增加了砂芯的刚性，同时充分利用石墨化膨胀，获得致密的铸件，提高产品综合力学性能。

           图一 产品及剖视图                     图二、产品模具图

4、化学成分确认

采用QT700-2材料生产，为保证产品具备较高的抗拉强度、耐磨性，适当提高材料中硅、锰、铜的含量，以促进珠光体的形成，提离珠光体含量。

经过分析，确认材料中成分ω(%)为：3.3-3.8C; 1.8-2.5Si；0.1-0.5 Mn；0.4-0.9 Cu；0.025-0.06 Mg残； Al≤0.025;P≤0.05;S≤0.01，其余为Fe。

5造型、熔炼、球化孕育、浇注过程控制

5.1造型控制

造型前检查模型在模版上的固定情况，防止模型松动。正常造型过程中铁型温度一般控制在230°C左右，因温度过低时覆膜砂不能完全固化，壳型强度低、发气量大;过高时型壳烧酥或覆膜砂在流动的过程中就已固化，破坏型壳强度易造成粘砂或夹砂。

5.2熔炼控制

铁模覆砂工艺因为铸件冷却速度快，进入型腔的铁液中的夹杂物和气体不容易浮出而极易形成夹渣和气孔，同时也容易形成冷隔。因此，铁模覆砂工艺生产要求有高温、洁净的铁液。本产品采用中频感应电炉熔炼，控制出炉温度在1500°C左右。

5.3球化孕育

因为铁模覆砂工艺要求电炉铁液出炉温度较高，宜选用较低牌号的球化剂如FeSiMg8Rt3。为了减少硫和镁作用形成的二次渣，残留稀土镁不宜过高，原铁液含硫量过高时可用多孔塞包进行脱硫，然后再倒入电炉内提温。

由于铁模覆砂工艺冷却快和电炉铁液过冷度大，造成铸件在凝固过程中白口倾向大，因此对铁液进行充分的孕育处理。一般进行两次孕育处理:一次在球化处理时在包内放入0.2%〜0.3%的硅铁，一次在浇注时采用加入量0.1%的随流孕育，采用含钙、 钡的复合孕育剂，它可以有效地增加石墨核心，细化晶粒，延缓孕育衰退时间。孕育剂的粒度一般为60 目，不得长期放置以免受潮和氧化。

5.4浇注控制

生产过程要控制浇注速度，先快后慢，避免浇注速度过快，同时避免浇注过程发生断流。注意检测包尾温度，如温度过低需重新回炉处理，不得进行浇注，以免影响产品质量。

6、热处理工艺设计

活塞铸件采用QT700-2材料，属于高牌号球铁材料，其铸态产品力学性能不稳定，因此经实验采用高温正火加退火的方式，在910°C±20 °C下保温3 h 高温正火，出炉后风冷至室温，产品粗加工后在 600 C±20°C下保温3h应力退火，控制冷却速度＜50°C/h，在保证产品内部组织均匀的条件下避免出现二次应力，通过温度模拟分析，避免出现贝氏体，保证产品热处理后力学性能达标。

7、缺陷分析及优化

7.1 球化不良

原因分析:①球化剂加入量不够或铁液量超过； ②球化剂质量有问题，粒度不均匀，球化反应时间不集中；③铁液含硫较高，消耗过量的球化剂；④铁液温度过高，造成球化剂烧损。

解决对策.①根据铁液质量、温度、含硫量等正确选择球化剂加入量。其原则是：高温铁液、含硫量高的铁液、浇注时间长的铁液球化剂加入量取上限，反之取下限；②球化剂粒度一定要均勻，其在铁液包内的球化反应时间才一致;③球化好的铁液浇注时间不要超过20 min。

7.2气孔

原因分析:①铁液温度低;②铸型发气量大，水分大或压缩空气气路上水分大。

解决对策：①保证铁液温度符合工艺要求，及时测温，温度低于工艺要求的必须重新回炉，不得浇注产品;②检测型砂的发气量，避免铸型受潮、及时淸除压缩冷干机水分。③增加铸型的排气措施％。7.3夹渣

原因分析:①铁液渣子未淸理干净;②球铁浇注包茶壶嘴不撇渣；③孕育剂先于铁液进人型腔，浇注时在高温下氧化。

解决对策：①除净铁液内的渣质，出铁前反复用除渣剂多次除渣;②检查铁液浇包口，加强避渣； ③孕育剂随铁液流进型腔。

7.4缩松、缩孔

原因分析:铁液化学成分不合格，碳当量偏低，铸件无法补缩;铁液温度高，浇注速度快。

解决对策：合理选择化学成分，碳当量选择在共晶点附近，增加铁液补缩效果。提高浇注铁液压头，采用“先快后慢”浇注，加强补缩。

8、经济效益分析

由于铁模覆砂生产精度髙，所以生产铸件的形状、尺寸精度也相应提高，所以用铁模覆砂工艺生产的铸件可减重2%〜10%，并且因铁模激冷作用使得工艺出品率提高，可减少冒口重量20%-35%。铁模覆砂工艺后期淸理费用较其他铸造工艺降低 10%-20%。

铁模覆砂旧砂由专业厂家进行回收后重新利用，无固废。一般铸造如树脂砂、粘土砂工艺需要有固废。同时铁模覆砂废品率低(2%-5%之间），所以质量成本也相应降低很大一部分，达80%以上。树脂砂造型工艺整体出品率50%-60%，而铁模覆砂造型工艺出品率达90%以上，中间有30%-40%的成本节省空间（纯利润），成本优势明显。

综上，铁模覆砂造型工艺在提髙产品综合力学性能的同时能够有效的降低产品质量缺陷成本，提高工艺出品率，具备良好的经济适用性。

9、结论

采用铁模覆砂工艺生产高性能船舶发动机活塞产品，应尽量采用高纯生铁，避免原铁液中含硫量过高，严格按照本文所述化学成分进行控制。铁模覆砂造型对铁液温度要求比较严格，尽虽避免低温浇注。 产品铸态组织不稳定，必须进行热处理，以使铸件综合力学性能达标。铁模覆砂造型工艺具备良好经济性，可推广应用于其他相似铸件的生产中。