汽车发动机铸铁缸体铸造现状

Jan.2011Vol.60

No.1

铸造

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FOUNDRY

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------专题综述

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------和重点。

汽车发动机铸铁缸体铸造现状

吴

敏1，李俊涛2，邵京城1，艾

国1，杨

屹2

（1.新兴重工湖北3611机械有限公司，湖北襄樊441002；2.四川大学制造科学与工程学院，四川成都610065）

摘要：对铸铁缸体近年来的铸造技术、工艺水平、检测技术等进行了详细的介绍和分析，并对缸体快速开发技术作了

简要介绍。目前国内与国外铸铁缸体铸造的差距主要体现在铸铁熔炼技术、原材料控制、造型线和制芯机等方面；采用高强度铸铁、使用水冷热风除尘冲天炉、广泛应用快速缸体开发技术是近年来铸铁缸体的主要发展趋势；随着行业竞争力的加大以及环保意识的增强，快速缸体开发技术和绿色环保铸造技术将得到大力发展。

关键词：铸铁缸体；铸造；现状

中图分类号：TG25文献标识码：A文章编号：1001-4977（2011）01-0037-05

PresentSituationofCastIronCylinderBlockforAutomobileEngine

WUMin1,LIJun-tao2,SHAOJing-cheng1,AIGuo1,YANGYi2（1.XinxingHeavyIndustryHubei3611MechanicalCo.,Ltd.,Xiangfan441002,Hubei,China;2.SchoolofManufacturingScienceandEngineering,SichuanUniversity,Chengdu610065,Sichuan,China）

Abstract：Therecentfoundrytechnology,technologicallevelanddetectiontechniquesofcastironcylinderblockwerepresentedandanalyzedindetailsinthepaper.Besides,rapiddevelopmenttechnologyofcylinderblockwasalsointroducedbriefly.Thecastironmeltingtechnique,therawmaterialcontrolandthedesignofmoldinglineandcore-makingmachineweretheprimarytechnicalgapsbetweenChinaandabroadinproductionofcylinderblock.Adoptinghighstrengthcastiron,usingwatercooledhotblastcupolawithdustremovingsystemaswellasapplyingrapiddevelopmenttechniquewidelywerethedevelopmenttrendsofcastironcylinderblock.Withtheincreasedcompetitivenessandenhancedpro-environmentconsciousness,therapiddevelopmenttechniqueandgreencastingtechnologywillbedevelopedgreatly.Keywords：castironcylinderblock;casting;presentsituation为降低汽车对能源的消耗和尾气对环境的污染，汽车发动机的发展呈现出高效率、轻质量的发展趋势。目前绝大多数轿车缸体已采用铝合金生产[1-3]。但是对于卡车、越野车等使用的大功率发动机，铝合金缸体还不能满足其性能要求，因而仍然采用铸铁缸体。为了降低油耗，提高发动机单位质量的功率，发动机缸体内部结构变得越来越复杂，最小壁厚越来越薄，有的已经降到3mm以下[4-5]。

随着对发动机缸体要求的提高，对其铸造技术、工艺和装备的整体水平也提出了更高的要求：材质强度高、均匀性好，铸件尺寸精度、表面粗糙度要求也更加严格。但是目前我国在缸体铸件质量、生产技术和装备水平方面与国外存在着很大的差距，国内如一汽、哈东安等企业均采用进口的造型线，然而在铸件质量上却仍然达不到国外的先进水平[6-7]。因此，提高缸体的铸造水平仍然是我国铸造业的一个难点

收稿日期：2010-08-26收到初稿，2010-10-26收到修订稿。

作者简介：吴敏（1961-），男，高级工程师，研究方向为材料成型及加工工程。电话：0710-3114946-8101，E-mail：[email protected]通讯作者：李俊涛，硕士生，研究方向为材料成型及加工工程。E-mail：[email protected]

1

1.1

铸铁缸体的铸造现状

材质

目前铸铁缸体的材质主要采用灰铸铁，而国内各厂所用灰铸铁中常规五元素的含量范围相差不大（质量分数）：C3.0%~3.5%，Si1.8%~2.5%，Mn0.6%~0.9%，S

除常规五元素外，铸铁中通常还会加入少量合金元素，如：Cr、Cu、Mo、V等[11-12]，这些元素通常起促进灰铸铁珠光体化的作用，它们使铸件的强度和热疲劳性能有所提高、壁厚敏感性降低，但同时铸件缩孔和缩松倾向增大，因此需适当提高碳含量和碳当量。

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近几年来，蠕墨铸铁开始在发动机缸体上大规模应用[13-14]。蠕铁的强度和刚度分别比灰铸铁高75%和45%，疲劳强度几乎是灰铸铁的两倍。因此采用蠕铁缸体制造的发动机不仅提高了使用寿命，同时尺寸稳定，还降低了缸体质量以减少尾气的排放，目前在国外已经有奥迪、福特、标志、现代、沃尔沃等公司开始生产蠕墨铸铁缸体。据统计，蠕墨铸铁缸体的产量已从1999年的0台增长到2010的100万台。

1.2熔炼及孕育处理1.2.1铸铁的熔炼

同样的化学成分，熔炼工艺不同、配料不同，铁液的冶金质量完全不同。国外较先进的工厂生产灰铸铁件使用的合金量并不高，但材料的强度却很高，切削加工性能也很好；在我国，虽然加入了大量的合金，材料的性能却达不到国外水平，其根本原因在于熔炼

15]

。目前缸体铸造所用的熔炼设备大技术和工艺落后[9，

多为冲天炉—感应炉双联熔炼、感应炉—感应炉双联熔炼两种，同时变频感应炉逐渐代替电弧炉作为保温炉。为了节能和环保，部分厂家冲天炉采用水冷热风除尘冲天炉，用具有高发热值的铸造焦取代冶金焦以利于提高铁液温度，保证铁液质量，提高熔化效率。

在国外较先进的工厂无论是电炉熔炼还是冲天炉熔炼，都大量使用废钢，几乎不用生铁。电炉采用增碳技术，冲天炉采用高温熔炼技术，这样就会获得非常好的渗碳效果。1.2.2孕育处理

缸体用灰铸铁主要采用炉前孕育处理，孕育剂通常采用75SiFe，用于改善石墨形态和材质均匀性。但有研究表明，孕育处理不仅可以提高灰铸铁性能，还可以在一定程度上提高缸体的加工性能[16-18]。

刘伟明等[19]通过研究指出：60%75硅铁+40%稀土复合孕育处理的铸件有较高强度，合适的硬度，具有理想的品质系数；20%75硅铁+80%锶复合孕育处理的铸件对加工刀具磨损很小，具有良好的加工性能。

表1

砂芯名称曲轴砂芯

结构形式独立式联体式整体式独立式

顶盖砂芯

联体式半边式

水套砂芯

铸造工艺

汽车发动机铸铁气缸体属典型的薄壁复杂件。其砂芯对尺寸精度要求高，经气密性试验不得有渗漏现象，以及铸件不得有夹渣、砂眼、气孔、裂纹类缺陷。因而其铸造工艺非常复杂且要求极为严格。1.3.1造型工艺

目前生产铸铁缸体主要是采用湿型砂铸造工艺，通常选用树脂砂作为型砂。在造型方面，现在几乎均采用全自动的生产线。造型线主要有以下三种[5]：KW造型线、静压造型线、气冲造型线。其中应用最广的是静压造型线和KW造型线，设计生产能力均在110~120型/h。这两种造型线具有耗能低、噪音小、效率高、运行可靠等特点。国内如一汽、东风、上汽等企业均采用了国外进口的造型线，其工艺先进，铸件质量稳定。

在型砂方面，目前绝大多数企业以呋喃树脂砂作为型砂。如国内某企业采用圣泉集团A+B呋喃树脂固化剂新工艺，其中A为高酸固化剂，B为低酸值固化剂，A+B呋喃树脂固化剂自控仪能根据砂温的高低调节A和B的加入量，使固化时间恒定，从而保证树脂砂的强度和生产效率[20]。1.3.2制芯

缸体是采用砂芯最多的铸件，其中水套砂芯结构独

21]。特，形状怪异，因而芯盒的填砂、取芯都较为困难[6，

目前国内外流水线大量生产缸体类铸件常用的制芯工艺有三种：冷芯盒法、温芯盒法和热芯盒法。在工业发达的国家，以热芯盒法应用最多，其制芯手段也基本实现了机械制芯。采用热芯盒法机械制芯具有砂芯尺寸精度高、表面质量好、效率高等优点，它不仅提高了发动机的质量，也为高强度薄壁件的生产创造了良好的条件。

由于砂芯种类、数量太多，其结构设计也多种多样，因此只将结构最为典型的曲轴箱砂芯、顶盖砂芯、水套砂芯的生产作简要介绍。其工艺结构方式见表1。

1.3

气缸体几种砂芯的生产工艺

特点

Table1Productivetechnologiesofseveralkindsofcylinderblockcores

传统工艺。结构简单，适用于一箱一件，但是不适合于大规模生产

国内常用工艺，适用于一箱两件

国外常用工艺，不仅适用于三缸、四缸缸体，还适用于六缸、八缸缸体；一体结构，整体造型，尺寸精度高结构简单，一箱一件、一箱两件均使用；还可以与曲轴箱整体式配合使用；国内外采用此方法的厂家较多

结构较为复杂，并且只能与曲轴箱联体式结合使用，因此采用此法生产的厂家很少

仅适用于结构简单的缸体，如无水套砂芯的柴油机发动机缸体

不同的缸体结构，其水套砂芯结构均不一样，但砂芯对砂要求很高：既有高的高温强度，又有良好的溃散性。

常采用酚醛树脂覆膜砂

1.3.3砂的回收处理

国内对型砂回收比较重视，每家企业都有砂的回

收系统。在大量流水生产条件下，砂处理工艺对对铸件质量和产量至关重要。国内主要生产厂家大都从国

铸造

吴敏等：汽车发动机铸铁缸体铸造现状

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外进口了砂处理系统。如上海通用、烟台动力、哈东安、安徽奇瑞等采用塔式结构的砂处理单元，使用高效混砂机，旧砂冷却系统以及计算机控制系统，将旧砂破碎、磁选、筛分、增湿冷却、辅料定量、混砂等工艺布置在24m×24m×25m左右的空间内，这也是目前国外较先进的砂处理布置形式。

但是在芯砂方面，目前国内做的还很少，只有为数不多的企业采用旧芯砂再生回用。对于旧芯砂的再

生回用一般采用热法再生，硅砂经焙烧相变后，高温膨胀率大为下降；用这样的再生砂来制芯，比新硅砂更能保证铸件质量，再生砂的使用也降低了生产成本。1.3.4浇注系统

目前应用较普遍的并具有一定代表性的浇注工艺，按内浇道位置不同，大致可分为4种方案[22]：底注式、顶注式、阶梯式和中注式，其特点见表2。

表2缸体常用浇注系统的优缺点

Table2Advantagesanddisadvantagesofcommongatingsystemforcylinderblock

浇注系统底注式顶注式阶梯式中注式

优点

结构简单、模具、芯盒及砂芯制作均较方便型腔中的铁液呈上高下低的良性温度梯度，有利于浇冒

系统对铸件的补缩，获得组织致密的铸件有较好的综合工艺性，适宜范围较广，大、中、小型气

缸体均可采用

铁液流动平稳；温度梯度呈上高下低的良性状态，有利于克服气孔、夹渣、浇不足、缩松（孔）、渗漏等缺陷

缺点

铸件易产生气孔、夹渣、夹杂、缩松（孔）、渗漏、浇不足、冷隔等

缺陷

铁液经过大面积的砂芯表面容易“飞溅”、散流、带进砂粒和冲蚀涂

料层，使铸件形成砂眼及夹杂等缺陷

下层横浇道设置在下油底壳法兰处的芯头上，既降低砂芯芯头的尺寸精度，又减小砂芯芯头的支撑面积，易造成相应法兰处垮砂等缺陷浇注系统较为复杂，内浇道横截面面积需通过不断计算和试制调整

1.4质量控制和缺陷分析

1.4.1铸件清理

缸体铸件一般在浇注后1~1.5h后再开箱落砂，铸件在落砂后一般在料箱中继续冷却一段时间，再进行第二次落砂。二次落砂主要目的在于清除铸件内腔中的芯砂。二次落砂非常重要，否则水套及油道等处砂芯很难落干净，这将直接影响到铸件质量和使用。二次落砂主要是采用鼠笼式抛丸清理机清除内腔中的残留物，有的企业还辅以高压水冲洗内腔。

目前缸体铸件去除浇冒口后，在清理线上磨各面，然后经鼠笼式抛丸清理机清理已是一种常规工艺。其工艺流程如图1。

低气缸体使用过程中的漏油现象，大大降低发动机的返修率。工厂中采用的检测仪器和用途见表3。

表3

工厂常用检测仪器及用途itsapplication

名称

DV-6型直读光谱仪、红

外碳硫仪

奥林巴斯电子金相显微镜

电子拉力机三坐标测量机工业视频内窥镜

用途

主要用于金属液成分检测与控制金相组织分析和球化率分析等检测金属材料的拉伸、压缩、弯曲等性能检测铸件毛坯、模具、芯盒的尺寸检测可以360°旋转、自动聚焦，主要用于检测

铸件内部表面质量等

Table3Commonlyuseddetectioninstrumentsinfoundryand

1.4.3缺陷分析

气孔、缩松、缩孔、夹杂、裂纹是缸体类铸件的常见铸造缺陷[23-24]。其中，气孔是最严重也是缸体废品中最常见的缺陷。

气孔的种类主要有析出式气孔、反应式气孔和侵入性气孔[25-26]。不同种类气孔产生的原因也不相同，因此

1.4.2质量控制

缸体的质量检测主要有两个方面：一方面是对铸件的尺寸精度、外形质量的检验，并检测铸件各个部位是否存在不允许存在的铸造缺陷；另一方面是检测铸件的金相组织、化学成分以及力学性能等。此外，在缸体机加工后还应该对缸体进行气密性试验。气密性检测方法主要有水压试验和气压试验。而国内主要采用的是水压试验，国外主要采用的是气压试验。气压试验与水压试验法相比，更加可靠，可以大幅度降

气孔的来源是多种多样的。主要有：金属液自身析出的气体，砂芯、涂料、型砂遇高温产生的气体，金属液进入铸型时卷入的气体。在改善缸体毛坯气孔时主要从以下几个方面入手：①降低型砂和砂芯的发气速度和发气量；②增加砂芯和砂型排气通路；③改进浇注系统，使金属液能够平稳充型；④提高冶金质量。

1.5

快速缸体开发

对于缸体类复杂铸件的开发，传统模式下从初期研发到最终确定生产工艺方案通常需要一两年的时间，

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但是随着计算机性能的不断提高和CAE软件的不断发展，运用CAD/CAE/CAM并行工程、虚拟制造和先期产品质量策划等现代技术和方法进行缸体铸件的开发仅仅需要三个月就能完成，并且成品率得到大幅度的提高[27-29]。这样不仅加快了缸体的开发，使产品能够迅速大规模生产并快速占领市场，还降低了缸体的开发成本。现代快速缸体开发流程如图2所示。

在缸体的设计中根据客户提供的二维工程图样和相关资料，在短时间内即可采用参数化设计软件Pro/E、UG进行快速三维建模。在三维铸件模型基础上进一步建成所需的砂芯、砂型、浇注系统的三维基本模型。在采用参数化设计时，铸件模型的更改可以同步反应到砂芯等其他模型的变化，避免了由于铸件模型变更而产生的差错。在生成各模块的三维模型后，可以根据这些三维模型建成相应的模具模型，包括上下砂型、芯盒本体及芯盒总装配模型。三维模具模型建成后直接由三维软件生成加工数据用于数控加工，以保证模具的制造精度。三维模型非常直观地反映了模具的具体形状和结构，并且工艺更改结果能快速在模具上直观的体现，使工艺设计和模具设计部门能够方便的沟通和协调。

目前主要使用ProCAST软件进行铸造过程的模拟

[30-31]

，它可以进行缩孔缩松、裂纹、冲砂、冷隔、

浇不足以及模具寿命的预测等。它还可以进行铸造过程中裹气的模拟，直观地显示出充型凝固的温度场分布、温度梯度、金属液流动行为、热节部位、缩松缩孔等。针对模拟结果我们可以对铸造工艺进行修改，不断优化铸造工艺，提高铸件质量。

2总结及展望

综上所述，近来汽车用铸铁缸体取得了很大进步，

主要体现在以下几个方面：①采用高强度铸铁，减轻了缸体的质量，有效提高了缸体单位质量的输出功率；②采用水冷热风除尘冲天炉，实现了节能减排的目标；③随着快速缸体开发技术的广泛应用，不仅缩短了研发周期，降低了研发成本，还提高了铸件质量。不难预测，快速缸体开发技术在未来必将得到进一步的发

展，并且将会有更多的铸铁缸体采用如HT300和蠕墨铸铁之类的高强度铸铁材料来铸造。

但是，目前国内铸铁缸体的铸造工艺水平与国外水平相比仍然存在着巨大的差距，主要体现在铸铁熔炼技术水平低、原材料控制不严、造型线和制芯机等过于依赖国外等。要缩小与国外水平的差距，必须从多方面下手，其首要任务是如何提高熔炼技术水平。随着经济的迅速发展，铸铁缸体的需求量又逐渐增加。面对机遇，国内缸体铸造厂应抓住机会，加强工艺创新，大力发展铸造技术，提高缸体铸件质量，使国内汽车工业在世界占有一席之地。

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吴敏等：

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（编辑：潘继勇，[email protected]）