汽车缸体铸造工艺

汽车缸体铸造工艺
一、缸体材料
车用发动机缸体缸盖的材质主要有灰铸铁，铝合金，蠕墨铸铁等。

传统的发动机无论是缸体还是缸盖都是采用铸铁的，但是铸铁有着许多先天的不足，例如重量大、散热性差、摩擦系数高等等。

所以，许多发动机厂商都在寻找更适合的材料制造发动机的构成部件，比如密度小的铝。

铝的比重轻，单位体积的铝结构强度要小于铸铁，所以铝缸体通常体积反而大些。

但铝容易和燃烧时产生的水发生化学作用，耐腐蚀性不及铸铁缸体，尤其对温度压强都更高的增压引擎更是如此。

铸铁缸体和铝缸体各有其优缺点，所以所
以高增压的引擎很多都采用铸铁缸体，小型车的缸体则更多向铝缸体发展。

金属中的元素组成会对金属材料的性能产生较大的影响，就钢铁而言，钢中含碳量增加，屈服点和抗拉强度升高，但塑性和冲击性降低，当碳量0.23%超过时，钢的焊接性能变坏，因此用于焊接的低合金结构钢，含碳量一般不超过0.20%。

碳量高还会降低钢的耐大气腐蚀能力，在露天料场的高碳钢就易锈蚀；此外，碳能增加钢的冷脆性和时效敏感性。

不同的缸体元素配比也是有差别的。

合肥江淮铸造有限责任公司缸体化学成分要求
化学成
分（%）
C Si Mn P S Cr Cu Ti Sn Pb
下限 3.25 1.95 0.60 0.00 0.06 0.25 0.30 0.00 0.06 0.00 0
上限 3.40 2.10 0.90 0.06 0.10 0.35 0.50 0.03 0.09 0.00 4
二、原材料熔炼
熔炼设备选用：中频感应保温电炉：生产效率10t／h，外水冷长炉龄大排距冲天炉：生产效率7t／h。

1、原材料
原材料一般为回炉料，废钢和生铁。

回炉料是厂家的常备材料，在使用时必须注
意其本身的干净程度。

回炉料的加入量必须严格按一定比例，否则会导致铁水的Si、S含量不易控制。

江淮生产的缸体铸件回炉料使用量一般不超过20％。

在江淮的缸体生产中，废钢的使用量超过50％。

这是由于生铁本身含有粗大石墨，而石墨熔点较高，在2000℃以上，在熔炼中不能熔尽，使得结晶过程中石墨变得粗大。

且新生铁因产地原因也有不同的遗传因素影响。

且江淮铸造厂的废钢资源丰富(汽车边角料)，因此应该尽可能使用废钢。

另外，废钢的使用量直接与铸件的强度有关。

有厂家应用证明，在CE值相同时，多加40％的废钢，强度高出70MPa，硬度下降9HB。

生铁是铸铁的主要原料之一。

加入时要考虑生铁中微量元素含量是否超标。

江淮选择的是合肥产的Z18，含量一般在30％以下。

2、熔炼工艺
熔炼工艺采用冲天炉．工频电炉双联技术，选用高温熔炼废钢增碳工艺。

配料采用废钢和回炉料为主，加上一定比例的生铁，采用炉内增碳加石墨粉。

废钢应该尽量无锈蚀。

当在冲天炉中温度达到1 500℃时，除去熔渣，加孕育剂，合
金元素，在放入工频电炉中保温至14504C出炉。

三、造型
1、造型材料
造型材料：指制造铸型用的材料, 如砂型铸造, 包括砂、粘土、有机或无机粘结剂及其它附加物。

砂
造型材料的基本成分，粒度为0.015～1mm, 常指硅砂和其它颗粒耐火材料。

硅砂要求:SiO2≥95%。

粘土重要成分是高岭土，其矿物组成是高岭石(水化硅酸铝)，颗粒尺寸＜2μm。

无机粘结剂由无机物质组成，如粘土、膨润土、水玻璃、水泥等。

主要粘结剂是膨润土。

有机粘结剂由有机物质组成，如干性油、树脂、淀
粉、纸浆残液等。

附加物除粘结剂以外能改善型砂和芯砂性能而
加入的物质。

涂料造型时涂覆在型腔和型芯表面的物料，呈液态、稠体或粉体。

用于提高铸型表
面的耐火度、保温性、光滑性和化学稳
定性等。

型砂强度型砂、芯砂抵抗外力破坏的能力，包括抗压、抗拉、抗剪、抗弯曲在湿、干及热三种状态下的强度。

透气
性
紧实砂样的孔隙度。

耐火
度
浇注时，不软化、不熔融的性能。

压溃性铸件冷却收缩时抗压缩的性能，即型砂和芯砂在浇注后容易溃散的性能，原称
退让性。

耐用性主要指粘土的耐用性，即加热对粘土保持其固有性质的能力，又称复用性。

（3）型砂和芯砂种类
种类粘结
剂
干燥情
况
特点应用
粘土砂膨润
土或
高岭
土
湿型、表
干型、
干型
不易紧实,易
产生夹砂、胀
砂、气孔等缺
陷
最广泛，
各种类
型铸铁
件
水玻璃砂水玻
璃
干型
强度高,透气
性好，易紧实,
退让性差
大型铸
铁件,所
有铸钢
件
树脂砂合成
树脂
干型
硬化反应快,
价格较贵,便
于自动化
型芯及
壳型(芯)
2、造型工艺
机器造型
特
点：生产效
率高，质量
稳定，劳动
强度较低，
对工人技
术水平要求不高，设备及工艺装备投资大。

只适用于大批量、两箱造型。

（1）震压造型
原理用压缩空气和汽缸使砂箱上下震动来
实现紧实型砂。

特点紧实度不高，铸件表面粗糙，噪音大，
生产率较低。

效率50～60箱/h；中、小型铸件。

中、小
批量生产。

（2）射压造型
原理特点
效率、铸件类型
利用压缩空气将型砂射入型腔来紧实砂型紧实度
较高，
铸件尺
寸精
确、表
面粗糙
度小，
噪音
低，生
产率
高。

240
～
300
箱/h；
中、
小型
铸
件；
中、
小批
量生
产。

（3）高压造型
原理特点效率、铸件
类型
利用液压系统产生很高的压力来压实砂型紧实度
较高，
铸件尺
寸精
确、表
面粗糙
度小，
噪音
低，生
产率较
高。

120～
240箱
/h；
中、
小复
杂铸
件。

中、
大批
量生
产。

(4)抛砂造型
原理利用高速旋转的叶片将型砂高速抛下来紧实砂型。

特点紧实度高，适应性强，生产效率较高。

效率、铸件类型抛砂量：
10～30m 3 /h；大型铸件；单、小
批生产
机器造芯
大量生产中, 一般型芯采用机制，如震击造芯机、微震压实造芯机和射芯机等。

树脂砂造芯采用热芯盒射芯机和壳芯机。

1热芯盒射芯机制芯
适用于呋喃树脂砂，用射砂方式填砂和紧砂。

2壳芯机制芯
主要使用树脂砂, 采用吹砂方式填砂和紧实.
热芯盒射芯机制芯
壳芯机制芯
3、冒口
功能不同的冒口，其形式、大小和开设位置均不相同，所以，冒口的设计要考虑铸造合金的性质和铸件的特点。

①对于凝固过程中体积收缩不大的合金(如灰铸铁)，或不产生集中缩孔的合金（如锡青铜），冒口的作用主要是排放型腔中的气体和收集液
流前沿混有夹杂物或氧化膜的金属液，以减少铸件上的缺陷。

这种冒口多置于内浇口的对面,其尺寸也不必太大，
②对于要求控制显微组织的铸件，冒口可以收集液流前沿已冷却
的金属液,避免铸件上
出现过冷组织。

图2是
单体铸造的活塞环，在
内浇口的对面设置一
个小冒口来收集冷金属，该处就不会因金属过冷而出现白口组织，导致铸件报废。

这类冒口的大小和设置部位，应根据铸件的显微组织要求确定。

③对于凝固期间体积收缩量大而且趋向于形成集中缩孔的合金（如铸钢、锰黄铜及铝青铜等），冒口的主要作用是补偿金属液在型腔中的液态收缩和铸件凝固过程中的收缩，以获得没有缩孔的致密铸件。

铸件
在铸型中冷却时，最薄
的部位先凝固，其收缩
可由附近较厚的部分补
偿；较厚部分凝固时，
又可由最厚部分得到补
偿；最厚部分凝固时，
如得不到外来的补偿，该处就会形成大缩孔。

在
这种情况下，冒口的作用就是要补偿铸件最后凝固的部分，所以要置于铸件最厚部位的上方或侧面，并且它的凝固要求晚于铸件的最厚部分。

图3是一个套筒形铸钢件，最厚部位上方设有3个冒口，为表示致密的铸件和冒口中的缩孔，将铸件及其一个冒口切去了一半。

图中的补正量是为改善冒口对铸件的补给而在铸件上增设的局部加厚。

由于冒口冷却最慢，因补缩和自身收缩而引起的缩孔就会只产生在冒口中。

这类冒口及相关工艺补正量的设计是铸造工艺设计中的重要环节，冒口的尺寸一般都用计算方法确定，重要的大型铸件可用计算机辅助设计。

可通过多种技术措施来提高冒口的补缩效率,例如,中、小型铸件可在冒口周围加一个保温套或发热套，以减缓冒口的凝固达到缩小冒口尺寸的目的；大型铸件除可用保温套或发热套外，还可在冒口顶部用电弧或火焰加热以减缓其凝固。

提高冒口补缩效率的另一种途径是采用不同的方法增加冒口中的压力。

四、组芯
采用先进的“Key．core”组芯工艺，在制芯工部就将所有砂芯组装在一起，整体上涂料、
烘干，再运到造型工部用下芯夹具下芯。

显然，这种形式最能保证铸件尺寸精度，减少披缝，提高生产率。

下芯夹具应设计为两级定位，即先由长销子与砂箱上的销套定位，以确定下芯夹具的定位，然后再平稳下芯，这样可防止擦砂，保证尺寸精度。

缸体砂芯一般都要上涂料，以保证内腔清洁度，不粘砂。

涂料绝大多数为水基，浸涂、喷涂均可，但应注意芯头处及排气口不得上涂料，以免堵塞排气通道。

若有可能的话，也可在上涂料后再在砂芯上钻排气孔。

排气孔周围应放置耐火石棉垫圈，以防止浇注时铁液钻入排气孔中。

砂芯上涂料后要彻底烘干，选用的烘干炉应能将炉内湿空气及时排出，以保证烘干效果。

制好的砂芯应及时使用，避免吸潮导致砂芯变形、强度降低并给铸件带来气孔陷。

砂芯的组芯顺序及方案是：先对4个缸筒芯进行定位，然后是2个水套芯分别放在缸筒芯头夹具上，然后装上2个边芯，最后对2个盖帽芯定位。

各砂芯在组芯夹具上的位置如左图所示。

然后利用组芯夹具进行组芯，再用螺钉19将砂芯固定。

砂芯在组芯后如右图所示。

组芯
组芯后
五、浇铸（以江淮汽车股份有限公司2.4L汽油机为例）
1、浇铸工艺
采用德国KW公司生产的水平静压造型线。

砂箱的尺寸为1100mm×900mmx350mm。

生产线主要由主造型机，翻箱机、铣浇口机、钻气眼机、移16箱机、合箱机、铸工小车、液压站等组成；全线采用自动化控制，PLC为西门于s7—400。

主要原理是采用气流预紧实加高压多触头压实造型。

生产率为105型／d,时，压实力1485KN。

根据缸体的形状及砂箱的尺寸，设计采用一箱两件生产。

缸体模样在砂箱内放置位置如图所示。

根据铸造工艺理论及铸件的结构特点，对于缸体类薄壁复杂铸件，必须合理的设计浇注系
统，以确保铁水快速、平稳的充型，可以有效地减少砂眼、气孔、冷隔等铸造缺陷。

根据相关的资料研究，在缸体浇注系统的设计方案时，可以借鉴以下一些经验。

1．浇注系统按半开放半封闭原则设计为宜，必须具备一定的挡渣功能。

这样铁液在充型时较平稳，不会冲击铸型、产生飞溅或卷入气体。

内浇道位置尽量避免直接冲击型芯和型壁。

2．尽量使铁液流经的整个通道在砂芯内生成，而直浇道难免设置在外模的粘土砂中通过．这时可在直浇道与横浇道相交处设置过滤器(一般用泡沫陶瓷质)。

这样可以过滤铁液在直浇道内可能冲刷下来的散砂，减少砂眼和渣眼。

3要有合理的浇注速度。

浇注太慢，铁液上升太慢，上型受高温时间长，容易开裂。

浇注太快，型腔受冲击力大，还易形成紊流。

一般浇注系统截面8～10Kg／s为宜。

根据以上的经验研究和生产实际，设计的浇注系统如图所示。

设计为封闭一开放式浇注系统，最小截面在直浇道下端，前半部为封闭式，使金属液在浇杯及直浇道、集渣仓内起挡渣作用。

其后为开放式，使充型平稳，故兼有封闭式
及开放式两者的优点。

浇注机是从瑞士SLS进口的自动浇注机，浇注时间控制在14～16s。

六、铸件清理
将铸件从铸型中取出，清除掉本体以外的多余部分，并打磨精整铸件内外表面的过程。

主要工作有清除型芯和芯铁，切除浇口、冒口、拉筋和增肉，清除铸件粘砂和表面异物，铲磨割筋、披缝和毛刺等凸出物，以及打磨和精整铸件表面等。

铸件清理方法有机械方法、物理方法和化学方法3类。

机械方法是利用各种手动和机动工具或不同类型的机械设备所产生的压力、冲击、剪切、研磨等力量作用于铸件，以达到清理的目的。

物理方法则是利用电弧、等离子、激光、超声波和冲击波等对铸件进行清理。

化学方法是利用氢氟酸溶解二氧化硅和盐液电解等、清除中小铸件的粘砂；也有利用一些金属在高温下激烈氧化的特性进行氧化切割和气割。

1、除芯和表面清理
除芯和表面清理分为干法和湿法两类。

干法清理是利用机械设备对铸件进行清理。

所用设备简单、生产效率较高、对不同类型铸件有较大的
构成的敞口清理室，底部设置回转工作台,喷枪安装在侧壁上,能上下移动和回转,可使高压水流射向除铸件底面以外的任何部位。

有时为了提高清除铸件表面粘砂的效率，在喷枪的适当位置导入石英砂等磨料以获得高速水砂流。

一般称这种方法为水砂清砂。

④水爆清砂。

中国在20世纪60年代发展起来的一种清砂方法。

铸型浇注后，铸件冷却到规定温度时打箱，立即将其浸入水池中，水经所有缝隙渗入铸型内并与高温金属接触迅猛汽化爆炸，冲击波能将铸件内外附着的砂子基本清除。

水爆清砂法具有作业时间短、效率高的优点，在中国铸钢车间得到较广泛的应用。

一般用来处理含碳量0.35％以下形状较简单的铸钢件。

⑤电液压清砂。

利用特殊电极在水中高压放电，产生冲击波来清砂的一种湿法作业。

这种方法容易控制，效率高，能耗低。

但作业过程噪声较大,产生一氧化氮和臭氧，有X射线的电磁辐射，防护投资较高。

2、铸件修整
铸件修整包括清除浇口、冒口、增肉、拉筋以及割筋、飞边、毛刺等金属多余物和打磨平整铸件表面。

大多数铸件至今仍主要依靠手工工具
和风冲、风铲、高速手提式砂轮、悬挂砂轮等半机械化工具作业。

外形不太复杂的铸件也有采用通用冲压机械和锯床的，当铸件批量大时则采用专用机床或专用生产线以实现自动化作业。

铸钢件大多用氧气切割或气电切割。

气电切割是利用电极与铸件间形成电弧产生的高温使金属熔化或氧化，同时用高压高速气流将熔融物吹净以达到清除铸件的飞边、毛刺和凸出物的一种方法。

这种方法不仅用以切割浇冒口也可用以平整铸件表面。

但气电切割有产生弧光、烟气和噪声的缺点。

3、发展趋势
铸造车间的清理工部是机械制造工厂中工作条件较差，粉尘、烟气、噪声等污染较集中的场所。

由于各工业国家对环境保护的要求日益严格，铸件清理技术落后的状况已引起普遍重视。

20世纪70年代以来随着树脂砂的推广应用，干法清砂有逐步替代湿法清砂的趋势。

铸件修整则向提高传统清铲设备的机械化和自动化程度方面发展，并实现机械手遥控操作和计算机程序控制。

同时要继续改进铸造工艺和设备，以减少铸件的清理工作量。