铸造工艺过程的主要设计

一、浇注位置

低速柴油机气缸体的体积及质量都较大，且壁厚相差十分悬殊，上端中央气缸筒周围特别肥厚。因此，选取不同的浇注位置，对气缸质量有特别重要的影响。如图1-1a所示柴油机双联气缸体的材质为HT250，轮廓尺寸为1460mm×1100mm×1215mm（长×宽×高）；气缸上平面有16个M76×165mm的螺栓孔。最初选取将气缸上端朝上的浇注位置，如图1-1b所示。在每个螺栓孔上方设有150mm的顶冒口。铸造后，经加工发现每个螺栓孔内均产生了严重的局部缩松缺陷及渗漏现象（水压试验压力为0.6MPa），致使气缸报废。改进后采用朝下浇注，如图1-1c所示。为了更有效地消除该螺栓孔部位的“热节”，特设置了内、外冷铁，完全克服了上述缺陷，获得了良好的质量。

对于这种大型气缸体，一般都是采用将气缸体上端朝下的垂直浇注位置，其主要优点如下。

（1）气缸体的上部中心与气缸套相接触 上平面主螺栓孔供连接气缸盖用，承受最大的载荷。将质量要求最高的部位朝下浇注，不容易产生气孔、渣孔等铸造缺陷；由于是在较大静压力的作用下进行结晶，补缩更充分，使其结晶组织更加致密。

图1-1 柴油机双联气缸体

a）零件图 b）改进前的浇注位置 c）改进后的浇注位置

1—底层浇注系统 2—上层浇注系统 3—冒口（16×φ150mm） 4—内冷铁（φ38mm） 5—外冷铁（厚度为60mm） 6—铁液位置指示信号

（2）零件的重要部位一般均处于铸型下方 对于灰铸铁，即使是下方壁厚很大，通常也能获得良好的铸造效果。气缸上部由于设有主螺栓孔而特别肥厚，将此部位朝下并设置冷铁，适当加快冷却速度，则可确保此部位的内在质量，完全可以避免螺栓孔内产生局部缩松缺陷。如果采用将铸件的肥厚部位或局部“热节”区域朝上，并在其上设置大型顶冒口的浇注方法，往往会得到相反的效果，在肥厚部位仍可能产生局部缩松缺陷。

如图1-2所示柴油机双联气缸体的材质为HT250，轮廓尺寸为2240mm×1090mm×1575mm（长×宽×高），上平面有12个M80×150mm螺栓孔，选取将气缸上部朝下的垂直浇注位置。气缸上部较厚，且在每个螺栓孔区域形成较大的“热节”。为了适当加快底部的冷却速度，消除“热节”，底部设置了厚度为60mm的石墨外冷铁，每个螺栓孔内设置直径为44mm的内冷铁。在内、外冷铁的相互配合作用下，达到消除“热节”、增强补缩的目的，避免产生局部缩松缺陷，从而保证了该处的质量。

图1-2 双联气缸体铸造工艺简图

1—底层浇注系统 2—上层浇注系统 3—内冷铁 4—外冷铁 5—冒口

浇注系统设置在气缸体的两侧，并分为上、下两层，可适度提高型腔内上部铁液的温度。内浇道的数量较多，共24道，它们较均匀地分布于气缸体的上、下两侧，使铸型中的铁液温度较为均匀。

在气缸筒壁的上方，设置有较高的顶冒口，用来提高对缸壁的静压力作用，增强补缩，并减少夹渣等铸造缺陷。

按照上述工艺，选择合适的化学成分，严格控制铁液状态和加强工序管理，从而获得了预期的优质效果。

二、分型面

气缸体的浇注位置确定之后，根据外形结构特点，为便于组芯操作及控制质量，都是采用垂直分型方法。分型面的数量则要根据气缸外形及造型方法等具体情况而定，大致有以下两种情况。

1.实样造型

实样造型是将气缸模样制成整体实样，分型面的数目一般为两道。

2.组芯造型

组芯造型是指气缸体外形全部由砂芯组合而成，在气缸体上、下平面分型。如图1-3所示气缸的材质为HT250，毛重12t，选取将气缸体上端朝下的垂直浇注位置和垂直分型，设有两道分型面，采用组芯造型方法。铸型轮廓尺寸为2500mm×1900mm×2600mm（长×宽×高）。

图1-3 大型气缸体铸造工艺示意图

1—直浇道 2—横浇道 3—观察孔 4—内浇道 5—冒口 6—环形集渣道 7—气缸上平面外冷铁 8—气缸中心缸筒砂芯 9—气缸心部大砂芯 10—缸筒内表面外冷铁

气缸上部中心气缸筒的周围局部区域特别肥厚，达到210mm×320mm（厚度×高度）。为避免该处产生内部缩松缺陷，达到所需硬度值（≥150HBW），在铸型底平面上和缸筒内表面上，分别设置了较厚的外冷铁7和10，并在该处上方设置环形集渣道6，以确保质量。对于铸型上方与填料函孔相通的50mm流油管道砂芯，为防止其粘砂、便于清理和使内表面较光滑平整，制芯材料采用铬铁矿砂。

此气缸采用组芯造型方法，砂芯数量较多。组芯时采用立体坐标轴系尺寸检测法严格检测每个尺寸，减少尺寸偏差。每道工序严格按工艺要求进行操作，获得了较好的效果。

三、主要工艺参数的选定

1.铸造线收缩率

低速柴油机气缸体的体积较大，结构较复杂，铸壁较厚，砂芯数量较多，对铸件固态收缩的机械阻碍作用较强。对于四缸筒以上的多联气缸体，这些特点更为显著。故铸造线收缩率常取0.6%～0.8%，对铸件的不同方向，可采用不同的铸造线收缩率。

2.加工量

气缸体各部位的加工量可参考表1-2。

表1-2 气缸体各部位的加工量 （单位：mm）

3.补正量

在铸造过程中，受铸件结构、壁厚及壁的连接、模样、砂型、砂芯、烘干及浇注系统等各方面的影响，使铸件尺寸（壁厚等）偏差较大及容易产生铸造缺陷。为了防止这些问题的产生，在进行铸造工艺设计时，可根据经验在铸件的局部采用适当的工艺补正量，其值要根据具体情况决定，例如多联气缸体两侧的连接法兰，为防止在固态收缩过程中因受到砂芯的机械阻碍作用而造成法兰厚度尺寸不够，可在法兰背面加上适当的工艺补正量。

四、模样

采用呋喃树脂砂造型时，须严格控制起模时间，当砂型硬化到一定程度时迅速进行起模。为便于起模，减轻模样的损伤，对模样的结构、起模方向及起模率等都有较严格的要求。

1.外模

采用实体模样造型时，除应将模样进行适当分段外，较大的模样还要求具有足够的强度和刚度，严防变形和翘曲等，保持尺寸准确和便于起模。仅采用木质结构模样很难满足这些要求，故须将实体模样的中央部分设计成抽芯式钢结构框架，将木质外表部分模样按便于起模要求分割成数块，并紧固于中央钢结构框架上（燕尾槽型、螺钉）。如图1-4所示，某气缸体模样钢骨架上端尺寸为1250mm×1200mm，下端尺寸为950mm×900mm，总长为2460mm，采用100mm×100mm×3mm（壁厚）的正方形钢管焊接而成。

2.芯盒

芯盒的装配形式，根据砂芯的尺寸大小、复杂程度等情况确定。对于尺寸较大或复杂的砂芯，可设计成漏斗式芯盒，如图1-5所示，其起模非常方便。

图1-4 气缸体模样中央部分钢结构示意图

1—钢结构框架 2—气缸外表面木质模样

图1-5 气缸体芯盒

1—芯盒底板 2—芯盒侧板（共4块） 3—芯盒内衬板（共4块） 4—模样（木质）

五、造型

1.实样造型

实样造型是将气缸模样制作成实样，按常规方法进行造型。其主要优点是尺寸误差较小。

2.组芯造型

气缸的体积大、形状复杂，可不制作整体实样模样，气缸的外形及内腔全部由单块砂芯组装而成。其主要优点如下：

（1）简化模样制作 模样结构、制作工艺等大为简化，降低了模样制作成本。

（2）简化造型工序 全部改由制芯、组芯形成，使整个操作过程得以简化。

（3）便于尺寸检查及控制 有利于减少砂孔、夹杂等铸造缺陷。

图1-6 多联气缸体铸造组芯图（采用组芯造型法）

图1-6所示为多联气缸体铸造组芯图。其材质为HT250，轮廓尺寸为4700mm×1400mm×1400mm（长×宽×高），毛重22t。气缸体的内腔结构复杂，每个缸筒周围都设有双层冷却水夹层。缸筒中心部位为冷却气缸套，设计了一周宽度为90mm的串水夹层。在四个角上又留下了四块三角形区域，形成第二道串水夹层。气缸底部为降低气体温度，也设计了宽度为55mm的大面积冷却水夹层。这种夹层套着夹层，空腔连着空腔的结构给铸造带来了很大的困难。加上壁厚差异太大（最大壁厚为175mm，最薄处只有25mm），气缸的上、下方又有宽大的加工平面，且易产生铸造缺陷，须进行水压试验，试验压力为0.6MPa。因此，此气缸体的铸造难度较大。

按灰铸铁的工艺特点，为确保气缸质量，采用将气缸上部朝下的垂直浇注位置，设两个分型面。为使铁液在铸型内平稳上升，温度分布较均匀，采用从气缸两侧导入的底注式浇注系统，内浇道共20道（两侧各设10道）。为确保气缸上部的内部质量，在平面上及缸筒内表面分别设置了外冷铁。

该气缸内腔结构复杂，整个铸型共由86块砂芯组装而成。确保气缸几何形状及每个尺寸的准确性，清除全部砂芯在组装过程中落入型腔内的散砂粒和杂物等，是确定造型方法时应重点考虑的因素。组芯造型法能够满足上述要求。采用立体坐标轴系尺寸检测法确定气缸的全部尺寸，如图1-6所示。另外，气缸的两个端面砂芯可以最后装配，这样有利于清除型腔内的碎散砂粒和杂物等，可以防止尺寸偏差和砂孔、夹杂等铸造缺陷。

该气缸体采用上述铸造工艺方案，严格工序管理和精心操作，获得了良好的效果。

六、砂芯

一般来讲，砂芯分界的原则很多，但对大型铸件而言，最重要的有两条：一是制芯时舂砂、起模方便；二是组芯方便，便于在铸型内固定和排气畅通，并尽量减少砂芯的数量。砂芯的分界及制作对气缸体的质量有着特别重要的影响。现对主要砂芯的设计简述如下。

1.缸筒砂芯

气缸上部中心的缸筒砂芯如图1-3中的件8所示。缸筒砂芯一般设置外冷铁，为确保质量，防止呈椭圆形状，须设计成两半对开实芯盒。

2.冷却型气缸体上部的冷却水腔夹层砂芯

该型气缸体的内腔结构复杂，第一层水腔用于冷却气缸套。在四个角上又留有三角形区域，供冷却水上下串通，形成第二道串水夹层。为确保几何形状、尺寸准确，砂芯内排气畅通及组芯方便等，克服制作芯盒及制芯操作上的困难，应设计成整体实芯盒，如图1-7所示。芯盒框内设有四块斜度衬板，使砂芯起模方便。制芯时，特别要注意四个角上砂块内部的排气应畅通。这是气缸体全部砂芯中，制芯难度最大的一件，如图1-8所示。现代非冷却型气缸体已简化了内部结构，没有夹层砂芯。

图1-7 气缸体上部夹层水腔砂芯盒

图1-8 气缸体上部夹层水腔砂芯

3.冷却型气缸体底部水腔夹层砂芯

如图1-9所示，该砂芯较薄且表面积较大，为防止变形，应注意芯骨形状及大小，增强刚性。砂芯内的气体通过每个芯头向外排出，须保证排气畅通。为使砂芯下方的铁液能较顺利地流到上方，在砂芯平面上要留出数个导流孔，孔径为φ20～φ25mm。

气缸上部与底部水腔夹层砂芯，是通过砂芯四个角上的三角形长砂块连接在一起的，连接必须牢固，气道要畅通。

4.贯通螺栓孔及“油拉管”砂芯

该圆柱形砂芯的特点是细长，尺寸一般为φ120mm×1700mm～φ250mm×2700mm（直径×长度）。生产中最易出现的主要问题是：浇注时，在高温铁液和较大静压力的作用下，砂芯下段（按浇注位置）产生渗透性粘砂（约占砂芯总长的），致使清砂困难；排气不畅而产生气孔。为了防止产生上述主要缺陷，须设计成对开实芯盒。砂芯下段须采用铬铁矿砂，以防止出现渗透性粘砂。砂芯的芯管上须钻φ5～φ7mm的出气孔，孔距为50～70mm，并严防堵塞，确保浇注时排气畅通。

图1-9 气缸体底部夹层水腔砂芯

5.气缸内排气腔大型砂芯

图1-3中的件9是气缸内腔中体积最大的砂芯，尤其对现代柴油机非冷却型气缸更是如此。为了确保质量，尽管砂芯的体积、质量均较大，也不宜将其分成两段，而应设计成整体实芯盒进行制芯。

不同机型的气缸体，因其结构各异，砂芯的形状及尺寸变化很大。对每件砂芯在铸型中的固定，应予以特别注意。如图1-10所示的多联气缸体，其结构特点是将凸轮箱部分与气缸设计成整体。气缸体上平面有数个细长孔，成品直径为φ60mm×500mm，并与其下方的椭圆形孔（宽×长：75mm×180mm）相通，孔长约为900mm，如图1-10中的B—B所示。该细长孔的铸造及椭圆形砂芯A的固定很重要，由于砂芯周围不能使用型芯撑，因此铸造难度较大。有以下三种方案供参考。

（1）采用直径为φ40mm的石墨棒 该棒在砂芯A中的连接固定方法及在铸型底部中的定位芯头如图1-11所示。采用石墨棒的主要优点是能起到较强的冷却作用（比钢质冷铁的激冷作用更强），能有效地防止孔内产生局部缩松缺陷；同时便于浇注后的清理，能获得较光滑的内表面。这种组合方案能保持砂芯上下成牢固整体，位置准确，不会发生偏移，且便于砂芯的固定，其在实际生产中获得了很好的使用效果。在整体砂芯的搬运过程中，要注意防止石墨棒被折断。

（2）孔内放钢质材料冷铁棒 不能采用熔点较低的铸铁材料，因其容易被高温铁液冲刷熔化而导致严重的不良效果。

图1-10 多联气缸体局部砂芯示意图

（3）采用无缝钢管内装满型砂 这种方案须保证排气畅通，钢管外表面要缠上一层石棉绳，并刷涂料。

采用后两种方案时，要注意保持上、下中心一致，防止尺寸偏移。最好参照方案（1），将砂芯上、下部分连接成为整体。

七、浇注系统

对于不同机型的气缸体，因其结构各异，浇注系统有以下几种主要形式。

1.顶注式或底注式与顶注式相结合的联合浇注系统

图1-12所示为功率为2000马力的柴油机气缸体。其材质为HT250，轮廓尺寸为745mm×715mm×1250mm（长×宽×高），毛重2.3t，主要壁厚32mm。它的结构特点是气缸中央具有湿式气缸套，使其结构复杂；在气缸上部向下200mm的范围内，水压试验压力为8～10MPa，其余部分为1MPa。此工艺采用将气缸上部朝下的垂直浇注位置。为更有效地确保气缸上部的质量，设置了外冷铁6和主联接螺栓孔内冷铁5。

图1-11 细长孔砂芯A结构示意图

1—芯骨管 2—椭圆形砂芯 3—石墨棒（φ40mm×650mm） 4—联接销（φ10mm，联接芯骨管与石墨棒） 5—定位芯头（方形，长×宽：210mm×100mm） 6—石墨棒插座（钢质，将此砂芯中的两个插座焊接成为一体）

图1-12 2000马力柴油机气缸体铸造工艺简图

1—顶注式浇注系统 2—底注式浇注系统 3—环形顶冒口 4—中央圆筒形砂芯 5—主螺栓孔内冷铁 6—气缸上平面外冷铁 7—铸型内铁液上升位置指示灯

根据该气缸内腔的结构特点，采用顶注式与底注式相结合的联合浇注系统。浇注开始时，首先开启底注式浇注系统，当铸型内的铁液上升至指示灯位置时（指示灯亮），开启雨淋式顶注浇注系统，提高环形顶冒口内的铁液温度，增强补缩能力。采用这种浇注系统，获得了较好的质量。

2.底注式浇注系统

对于总高度不是太高的气缸体，可以采用底注式浇注系统。如气缸直径为φ420mm的柴油机三联气缸体，材质为HT250，轮廓尺寸为2340mm×870mm×795mm（长×宽×高），主要壁厚为25mm，毛重3.3t。其铸造工艺如图1-13所示，采用组芯造型方法及将气缸上部朝下的垂直浇注位置，在气缸的一侧设置底注式浇注系统，获得了较好的质量。

图1-13 三联气缸体铸造工艺简图

1—底注式浇注系统 2—冒口 3—缸筒砂芯

采用底注式浇注系统时，一般将内浇道设置在铸型的底部一侧或两侧，也可设置在气缸筒砂芯周围的气缸平面上。整个浇注系统由专制瓷管组成，内浇道直径为φ25～φ30mm。

大型气缸体的总高度尺寸较大，如果采用底注式浇注系统，铁液在型腔中上升至顶部时的温度降幅较大，致使顶部温度较低，不利于铁液中夹渣物上浮和气体的排除等，应注意适当提高浇注温度和缩短浇注时间。

3.阶梯式浇注系统

大型气缸体的体积较大，浇注的铁液量较多，宜采用阶梯式浇注系统。它能使铁液在铸型内上升较平稳，缩小铸型内各部分的铁液温度差，尤其是能提高型腔顶部的铁液温度，有利于铁液中的气体及夹杂物的上浮及排除等。阶梯的层数要根据气缸体的高度等因素而定，一般为2～4层，例如，图1-3中的阶梯式浇注系统设置在气缸体两侧，每侧各分3层，每层上设三道内浇道。

气缸体的浇注速度过快或过慢都会对质量有很大的不利影响。浇注系统的相关计算公式较多，主要根据工厂的具体生产条件确定。

八、化学成分

灰铸铁的结晶组织及力学性能主要取决于其化学成分和冷却速度。低速柴油机气缸体的体积和质量较大，壁厚，浇注后的冷却速度非常缓慢。为获得所需的力学性能，特别是要保证气缸上部肥厚区域所必需的强度及硬度，必须严格控制化学成分。

1.碳、硅

灰铸铁中的碳、硅是强烈的促使石墨化元素，尤以碳的影响更强。如果碳、硅的含量偏高，气缸本体的力学性能将很难得到保证，使用中可能引发重大的质量事故；如果碳、硅的含量偏低，尽管会对提高力学性能产生有利影响，但可能增加收缩性和降低流动性等铸造性能。故化学成分的选择，要考虑到对力学性能和铸造性能等的综合影响。特别是大型低速柴油机气缸体的壁厚相差十分悬殊，更应特别注意。根据经验，综合对各方面的影响，碳、硅的质量分数一般控制在以下范围：w（C）=3.0%～3.4%，w（Si）=1.1%～1.7%。

2.锰

锰的质量分数在1.6%以下时，随着其质量分数的增加，由于能细化基体和石墨，故可提高铸铁强度。锰的最高允许含量与碳、硅的含量有关。碳、硅含量越低，且石墨化的其他条件越差，则锰的最高允许含量就越低。为充分发挥锰对提高力学性能的有利影响，气缸化学成分中锰的质量分数一般控制在0.7%～1.2%的范围内。

3.硫、磷

在气缸体的化学成分中，一般要求磷、硫的含量越少越好，w（P）＜0.20%，w（S）＜0.15%。

4.合金元素

在大型低速柴油机气缸体铸铁中，可采用的合金元素有铜、铬、钼等。鉴于铜对气缸质量的综合有利影响，其目前已被广泛使用，质量分数一般为0.5%～1.0%。

综上所述，灰铸铁气缸体的化学成分一般控制在以下范围内：w（C）=3.0%～3.4%，w（Si）=1.1%～1.7%，w（Mn）=0.7%～1.2%，w（P）＜0.20%，w（S）＜0.15%，w（Cu）=0.5%～1.0%。除此之外，还可以添加少量其他合金元素：铬，w（Cr）=0.2%～0.3%；钼，w（Mo）=0.2%～0.4%，这样力学性能会更好。

国内生产的部分大型低速柴油机气缸体的化学成分及力学性能见表1-3，供参考。

表1-3 国产部分大型低速柴油机气缸体的化学成分及力学性能

5.气缸本体力学性能检验的典型实例

大型低速柴油机工作时，气缸体承受着强大的复杂机械负载作用，尤其是气缸上部区域。如果气缸上平面主联接螺栓孔区域内部的力学性能达不到所需数值，可能导致重大质量事故。故气缸体内部质量的检验及实际所达到的力学性能数值尤为重要。以下介绍两种机型的3件气缸体在本体上进行力学性能检验的典型实例。

（1）实例一 图1-14所示气缸体的材质为HT250，轮廓尺寸为1300mm×1100mm×2100mm（长×宽×高），毛重7t。气缸筒内表面的硬度应不小于150HBW。气缸上部的最大厚度为250mm，在其附近取样的抗拉强度应不小于150MPa。冷却水腔的水压试验压力为0.7MPa。为确保气缸上部质量，设置了外冷铁，以加快冷却速度，提高结晶组织的致密性。采取组芯造型方法和阶梯式浇注系统，气缸内腔结构复杂，砂芯数量较多，诸砂芯的分界如图1-14所示。

图1-14 大型低速柴油机气缸体铸造工艺及质量检验位置示意图

1—直浇道 2—横浇道 3—内浇道 4—冒口 5—对加强筋进行裂纹检查（采用磁粉或着色探伤法） 6—在气缸连接法兰上钻孔取样进行力学性能检验 7—气缸上平面外冷铁 8—气缸筒内表面外冷铁 9—气缸筒砂芯 10—在气缸筒内表面上（经机械粗加工后）进行硬度检验

按此工艺进行铸造，铸件的表面质量较好。为全面检验气缸体的内部质量，进行了解剖，解剖后的情况及切取试样位置如图1-15所示。从气缸上部、中部、底部及气缸筒内加强筋上分别切取试样，编号为1～4，然后进行力学性能试验，其结果见表1-4。从表中可以看出，气缸本体各部分具有较好的力学性能。

为了使大型气缸体具有良好的力学性能，必须选用合适的化学成分，形成良好的金相组织。因为不同的金相组织结构对气缸体的常温、高温力学性能有很大的影响。解剖气缸体金相组织的检验结果见表1-5及图1-16。

图1-15 气缸体解剖及切取试样位置示意图

a）气缸体解剖后的情况 b）切取试样位置

1—气缸上部 2—气缸中部 3—气缸底部 4—气缸筒内下方加强筋

表1-4 解剖气缸体的力学性能检验结果

表1-5 解剖气缸体金相组织的检验结果

（续）

图1-16 解剖气缸体的金相组织

图1-16 解剖气缸体的金相组织（续）

对于该气缸体，除应进行解剖全面检查内部质量以外，在正常生产中，还要在每件气缸上部侧面连接法兰上钻取试样，进行抗拉强度检验，在气缸筒内表面上进行硬度检验（在气缸侧面法兰上钻取试样和在气缸筒内表面上检测硬度的具体位置如图1-14中的6、10所示）。部分检验结果见表1-6，均达到了技术要求。

表1-6 气缸本体力学性能检验结果（部分）

（续）

（2）实例二 图1-17所示气缸体的材质为HT250，轮廓尺寸为1800mm×1300mm×2400mm（长×宽×高），主要壁厚为50mm，毛重14t。气缸上部最大壁厚为340mm，壁厚相差十分悬殊，增加了铸造难度。采用将气缸上部朝下的垂直浇注位置和组芯造型方法，在气缸上平面和气缸筒内表面设置石墨材质外冷铁。阶梯式浇注系统设置在气缸两侧，每侧每层设置三道内浇道，共设四层。这样可使铸型内铁液的温度趋于均匀，提高铸型上方的铁液温度，更有利于减少铸件顶部的铸造缺陷。

该气缸体按照此工艺进行铸造，获得了较好的质量。气缸体上部区域特别肥厚，因冷却速度较为缓慢，容易导致结晶组织较粗大，力学性能达不到设计要求。当柴油机工作时，该区域受力最大。为了检查内部的力学性能，任意抽查两件气缸，在每件气缸体上平面的任意两个主联接螺栓孔内钻取试样，如图1-18所示，进行力学性能检验，其结果见表1-7。金相组织检验结果见表1-8及图1-19。

图1-17 大型气缸体铸造工艺示意图

1—直浇道 2—横浇道 3—气缸内腔大型砂芯 4—内浇道 5—观察孔 6—冒口 7—气缸上平面外冷铁 8—气缸筒砂芯 9—环形集渣道 10—气缸筒内表面外冷铁

图1-18 从气缸体上平面的主联接螺栓孔内钻取试样（φ23mm×130mm）

表1-7 钻孔取样气缸体的化学成分及力学性能检验结果

图1-19 钻孔取样气缸体的金相组织

表1-8 钻孔取样气缸体金相组织的检验结果

从以上钻孔取样的力学性能和金相组织检验结果可以看出，完全达到了气缸体的技术要求。

九、铁液状态

铁液状态对气缸体的质量有着很大的影响，主要应注意以下几点。

1.孕育处理

在选定合适的化学成分后，铁液在出炉时一定要进行孕育处理，以促进石墨化，减少“白口”倾向和对铸壁厚度的敏感性。控制石墨形态，减少过冷石墨，可获得中等尺寸的A型石墨。大型气缸体的结构特点之一是壁厚相差极度悬殊，而铁液经孕育处理后，能显著改善各断面组织的均匀性，提高其力学性能。应缩短孕育处理后的停留时间，尽快进行浇注，以保持孕育处理效果，防止孕育衰退。

2.过热程度

在一定范围内适当提高铁液的过热程度（过热温度及在高温下的停留时间），能使石墨细化，基体组织致密，增加强度，减少铁液中的夹杂物含量，提高纯净度等，从而可提高气缸体的质量。当采用冲天炉熔化时，铁液的出炉温度应达到1440～1480℃；使用电炉时，出炉温度为1470～1500℃。具体数值的选择要根据气缸大小及生产条件等因素而定。

3.浇注温度

浇注温度对铸铁的结晶组织、力学性能、铸造性能和铸件质量等，都有着重要的影响。大型气缸体的浇注温度一般为1330～1350℃。如果浇注温度过低（<1300℃），铁液的流动性将显著降低，铁液中的夹杂物等不易上浮排除，气孔、夹杂等铸造缺陷将增加。浇注温度过高对各性能也是不利的，尤其是低速柴油机气缸体的结构设计特点是气缸上部区域特别肥厚，与其相邻壁的厚度相差悬殊。若浇注温度过高，会增加铁液的液态收缩量等，容易引起缩裂等铸造缺陷。

图1-20所示大型气缸体的材质为HT250，轮廓尺寸为1500mm×1300mm×2200mm（长×宽×高），主要壁厚为30mm，毛重9t。采用将气缸上部朝下的垂直浇注位置，气缸上平面和缸筒内表面设置外冷铁。阶梯式浇注系统设置在气缸两侧，每侧每层三道内浇道，共有三层。为防止侧壁大型圆形铸孔下方产生夹杂等缺陷，适当调整了该处的加工量。

图1-20 大型气缸体铸造工艺示意图

1—直浇道 2—横浇道 3—流油道砂芯 4—气缸内腔大型砂芯 5—内浇道 6—气缸筒内表面外冷铁 7—气缸筒砂芯 8—气缸上平面外冷铁 9—环形集渣道 10—冒口

按照此工艺铸造该机型双联气缸体或单缸体，均可获得较好的质量。铸造这种壁厚相差极悬殊的大型气缸体时，浇注温度的控制非常重要。浇注单缸体时，曾将浇注温度提高到1385℃（出炉温度为1469℃），结果在距离铸型底平面490mm处（图1-20中的A部位）产生了一条长度达300mm的横向裂纹，造成气缸体报废。产生缩裂的部位正是厚壁（215mm）与薄壁（30mm）连接处。铸型下部的铁液量较多，提高浇注温度后，相应增加了该区域的液态收缩量和厚、薄壁的凝固时间差，这是产生缩裂的主要原因。后来将浇注温度严格控制在1330～1350℃的范围内，则完全避免了该缺陷。

十、冷铁的应用

1.设置冷铁的主要部位

当发动机工作时，气缸上部承受着强大、复杂的载荷作用，尤其是上平面主联接螺栓孔处更是如此，故气缸上部区域的设计结构特点是特别肥厚。与气缸套相接触的气缸筒周围区域的厚度×高度一般为190mm×250mm～370mm×600mm。该区域肥厚，浇注时处于铸型下方，又不能设置冒口进行有效的补缩。由于冷却速度极度缓慢，容易产生内部结晶较粗大、局部缩松等缺陷，这是技术要求所不允许的。最有效的办法是设置冷铁，加快该区域的冷却速度，确保无内部缺陷，并达到所需的力学性能指标。

2.冷铁形式、材质及尺寸

（1）冷铁形式 根据气缸上部区域的设计结构及尺寸不同，冷铁的形式各异。其一般形式如图1-21所示。

气缸上平面的外冷铁如图1-21中的8所示，一般为平板型。为了避免铸件表面产生冷铁下缩裂纹缺陷，不能采用圆盘形整块形式，而要根据缸径大小分成8～20块，每块之间留15～20mm间隙。

气缸筒内表面上设置外冷铁，如图1-21中的4所示。为了防止阻碍铸件固态收缩，根据气缸筒直径大小，沿径向分成8～20块，彼此间留20～25mm的间隙。外冷铁须固定于砂芯上，并防止松动。

对于超大型柴油机气缸体，由于其上部区域特别“肥厚”，考虑到即使在平面上和缸筒内表面都设置外冷铁，仍不足以确保“肥厚”区域中心获得较致密的结晶组织，这时可在主联接螺栓孔内设置内冷铁，如图1-21中的7所示。内冷铁的材质宜用圆钢车成，且必须经镀铜或挂锡处理，严防锈蚀；位置须准确。这样更能使螺栓孔周围的结晶组织致密，达到所需的力学性能。

图1-21 大型气缸体上部冷铁设置示意图

1—气缸内腔大型砂芯 2—环形集渣道 3—气缸筒砂芯 4—气缸筒内表面外冷铁 5—铸型底部砂型6—气缸上部侧面砂型7—主联接螺栓孔内冷铁 8—气缸上平面外冷铁

（2）冷铁材质 用作冷铁的材料，一般有石墨板材、钢板和铸铁等，它们主要影响激冷效果和使用寿命。石墨具有较高的导热系数、热容量和蓄热系数，在生产中可获得最好的使用效果，但因成本较高而限制了它的应用。钢材和铸铁应用较为普遍，异形冷铁材料一般是采用铸铁。

上述三种材料中，铸铁的熔点最低，易被高温铁液冲刷而熔化，不宜用于制作内冷铁，更不能用来支承或固定砂芯。

（3）冷铁尺寸 根据气缸直径不同，外冷铁的厚度一般为：采用石墨板材料时，可取60～90mm；采用钢板或铸铁材料时，可取70～120mm。

外冷铁工作表面不能生锈，尤其是铸铁外冷铁，其使用次数应受到限制，因为使用次数过多容易产生气孔。浇注前，冷铁应有适当的预热温度。

图1-22所示为大型柴油机气缸体，其材质为铬-钼-铜合金铸铁，轮廓尺寸为1756mm×1646mm×1958mm（长×宽×高），主要壁厚为45mm，毛重13t。此气缸体内腔结构复杂，有进、排气口及冷却水腔等砂芯的分界，阶梯式浇注系统设置在气缸两侧。采用指示灯，较准确地控制顶层浇注系统的启用时间。气缸上部特别肥厚，达210mm×550mm（厚度×高度）。气缸上平面设置的外冷铁厚度为120mm，并衬有砂层（厚度为8mm）。气缸筒内表面外冷铁厚度为90mm。上平面有16个M90×165mm的螺栓孔，其内设置58mm×138mm（长度）的钢质内冷铁（经挂锡处理）。按照该工艺，此气缸体获得了较好的质量。

图1-22 大型柴油机气缸体铸造工艺简图