毕海香，张敏之，于建忠，李永刚，张在彬，邵长远
（潍柴重机股份有限公司，山东 潍坊 261108）
机体作为柴油机中的关键件之一，其质量是保证柴油机正常工作的重要前提。随着船用柴油机发展及市场需求，对柴油机机体性能提出了更高要求，机体不仅需要较高的抗拉强度还需要具有良好的抗震交果。公司近年来开发了多款减震性能比球墨铸铁更好的高牌号灰铸铁大型机体，发现高牌号灰铸铁缩松倾向大，铸造工艺难度也随之加大。
该系列柴油机机体材质为HT300，毛坯尺寸4 060 mm×1 672 mm×1 250 mm，毛坯重量约12 t，是目前为止公司开发的最大吨位的高牌号灰铸铁机体。机体主要壁厚为15 mm，最大壁厚170 mm，壁厚过渡大，同时机体集成功能多，内部结构复杂。机体结构如图1 所示。
图1 机体三维结构
机体要求φ50 mm 的附铸试棒附着在机体主轴承壁，抗拉强度≥254 MPa，本体硬度200HB～240HB.水腔应通过1 MPa 水压试验，持续30 min无渗漏、冒汗现象。主油道也不允许出现渗漏现象。铸件不得出现任何裂纹类缺陷。
该铸件属于高牌号灰铁铸件，而且壁厚相差悬殊，极易在最后凝固的区域产生缩松。因此采用了底注+顶部冒口工艺，瓦口、缸孔等关键部位布置了冷铁。具体工艺如图2 所示。
图2 机体铸造工艺
根据公司现有生产条件，该机体采用碱酚醛树脂自硬砂手工造型，所有砂芯全部采用金属工装，手工制芯。因采用卧浇工艺，机体上平面容易憋气，所以为了避免铸件产生气孔类缺陷，浇注温度定为1 390 ℃～1 400 ℃.
按照原工艺生产加工验证3 台，机体排气侧出现大面积缩松，主油道孔内缩松严重，如图3 所示。
图3 缺陷位置
缩松是高牌号灰铸铁件常见缺陷之一，主要表现在铸件热节处内部形成的微小缩孔，加工后在加工面上出现团簇状微小孔，越向缩松的中心，孔洞越大，越密集。
该机体主油道采用枪钻工艺，即实心油道，后续由专用刀具加工成形。该工艺机体主油道为大热节部位，虽然原工艺中在主油道上方布置了保温冒口，但冒口在浇注位置的最上方，远离内浇口，冒口内铁水温度低，不足以对主油道处进行补缩，更甚有些冒口可能先于油道凝固。同时油道处的冷铁尺寸设计不合理，冷铁的激冷辐射区域小，不能起到局部同时凝固的交果。
由于铸件气腔内结构特殊，内腔增加了很多拉筋增强机体整体强度，所以排气侧壁厚过度差异较大，局部容易产生热节。而该铸件采用底注方式，铁水从铸件底面引入，产生缩松缺陷的气腔大平面是距离内浇口最远的部位，铸件凝固冷却过程中没有足够铁水补充，造成厚壁部位容易产生缩松甚至缩孔[1]。
另外浇注温度过高，加大了铁水液态收缩倾向，如果没有合理的补缩系统，也增加了铸件出现缩松的可能性。
消除缩松的方法主要有：1）采用通过冷铁的激冷作用加速厚大部位冷却，起到局部“均衡凝固”的作用；
2）增加冒口，对厚大热节部位进行补缩；
3）控制铁水成分，增加促进铸铁石墨化的成分同时减少阻碍铸铁石墨化的成分。
实际采取措施：
1）针对主油道缩松缺陷，优化了冷铁工艺，油道与缸壁交接处设计了随形冷铁，另外根据油道热节大小将冷铁厚度加大，增强了油道处冷铁的激冷作用，如图4 所示。
图4 主油道冷铁改进
2）针对气腔侧壁缩松缺陷，选择合理的保温冒口，既能起到对热节处凝固时的补缩交果，还能增强大平面的排气交果。同时在2 个冒口之间布置1块冷铁，利于冷铁的激冷作用改变热节附近的温度场，更有利于提高保温冒口的补缩交果，如图5 所示。
图5 气腔处工艺改进
3）控制铁水化学成分，将碳当量控制到上限，高碳当量有助于增强铁水流动性，同时有利于石墨化从而减小铁水的凝固收缩[2]。将阻碍石墨化的元素S 含量按照下限控制，并将铁水浇注温度控制在1 370 ℃～1 380 ℃.
4）严格把控现场操作，造型填砂时进行震实。铸型刚度差时，在石墨化膨胀过程中砂型发生位移使得型腔增大从而导致石墨化膨胀产生的补偿作用失交[3]。
按照改进后工艺生产了40 台，机体加工后主油道以及排气侧大平面无缩松，水压试验、超声波检测等全部合格，满足装机条件，目前已经小批量生产。
通过生产验证，本次解决缩松缺陷的工艺措施是合理可行的。消除缩松缺陷需要从造型工艺和熔炼工艺共同分析改善。
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