铸造工艺过程的主要设计方案

一、浇注位置

气缸套是一种要经受精密加工的高强度、高致密性零件。浇注位置的选择须保证对其进行充分的补缩和防止产生气孔、砂眼和夹渣等任何铸造缺陷。因此，应采用垂直浇注位置，大中型气缸套更是如此。对于个别外形很简单的小型气缸套，有的生产单位采用水平浇注位置，此时更要注意防止砂眼、渣孔等缺陷的产生。

气缸套的上部分因直接与高温、高压燃气接触，质量要求最高，故所选定的浇注位置应首先确保这部分的质量。

根据上述原则，对于上、下部分壁厚相差不是很悬殊的气缸套，经常是将气缸套上部朝下进行浇注，如图2-3所示。这样可使上部在较大静压力的作用下，得到更为充分的补缩，使结晶组织更致密，同时更不易产生气孔、砂眼和渣孔等缺陷。

图2-3 气缸套铸造工艺

a）零件简图 b）铸造工艺简图

1—雨淋顶注式浇注系统 2—内浇道砂芯 3—冒口 4—圆筒形砂芯

从大型气缸套的结构上可以看出，侧壁厚度自下而上逐渐增加。此时能否继续采用将缸套上部朝下的浇注位置，要根据上、下壁厚的差值大小而定。如果气缸套上端仅承肩部分较厚或自上端往下不长范围内的壁厚略大于其余部分的壁厚，并采取了下列措施，则考虑到仍能保证对局部“肥厚”部分进行充分补缩，故仍应将缸套上部朝下浇注：

1）在局部“肥厚”部分设置外冷铁，使该部分仍较处于其上的薄壁部分冷却快，而能自上方得到补缩。

2）采用顶注式浇注方法，使型腔内铁液的温度差合理，有利于自上而下地补缩。

3）受缸套自身及冒口静压力的作用。

如果气缸套上部分的壁厚较下部分的壁厚大得多，在上述措施的综合影响下，仍不能保证对上部分肥厚区域的充分补缩，则须将气缸套上部朝上浇注，如图2-4所示。该大型气缸套的结构特点是上、下部分的壁厚相差很大，具有双排气口，必须铸出。故必须采用将缸套上部分朝上的浇注方案。浇注系统的特殊设计是采用底注式与雨淋式顶注相结合的联合浇注系统。浇注时，首先开启底注式浇注系统，待铸型内铁液上升至缸套气口以上时（用电信号灯控制），改用雨淋式顶注浇注系统。该浇注方法，具有很多优点，效果很好。

图2-4 双排气口气缸套

a）零件简图 b）铸造工艺简图

1—雨淋式浇注系统 2—底注式浇注系统 3—冒口 4—圆筒形砂芯 5—气口砂芯

现代大型低速柴油机气缸套的上部分，因工作时承受强大的载荷及设有强制冷却水孔等特殊结构，故其壁厚很大，且厚壁区域较长，上、下部分壁厚相差很大。根据不同机型，气缸套下部分壁厚为45～80mm，而上部分壁厚一般为190～240mm，厚壁区域长度达800～1300mm。故必须采用将气缸套上部朝上的浇注位置，如图2-5所示。并采用雨淋式顶注浇注系统，使铸型内铁液的温度梯度更趋于合理，自下而上进行凝固，对气缸套上部分进行更加充分的补缩，以确保质量。这类气缸套的气口都是采用机械加工，不需要直接铸出。

图2-5 大型柴油机气缸套铸造工艺简图

1—雨淋式顶注浇注系统 2—内浇道砂芯 3—冒口 4—圆筒形砂芯 5—芯铁管 6—冷铁

二、分型面

气缸套的浇注位置确定以后，根据外形结构、尺寸，质量大小和所需数量等因素的不同，有垂直和水平两种不同的分型方法。水平分型主要用于外形比较简单的直流扫气且所需数量较多的中小型气缸套和少数小型回流扫气气缸套。此时，气口砂芯须分成两部分分别装配在两半铸型中，因此不容易保证气口尺寸的精确度。

水平分型虽能减少分型面的数量，但对于立式浇注的气缸套，在组芯合箱后将整体铸型竖起来操作较为困难，同时也不便于设置雨淋式顶注浇注系统。故对于大型、必须直接铸出气口及水腔部分的气缸套，必须采取垂直分型的方法。

三、主要工艺参数的选定

1.线收缩率

径向线收缩率为0.8%，轴向线收缩率为1%。

2.加工量

气缸套的加工量主要取决于尺寸大小和铸造工艺方法。铸造工艺水平不同时，加工量的大小有着很大的差别。为了提高气缸套结晶组织的致密性和减少金属消耗，在保证质量的前提下，应尽量减小加工量。表2-1所列气缸套的加工量可供参考。气缸套的气口一般全由机械加工铣口；如果是铸造出气口，则应在气口表面上留少许打磨量或2～4mm的加工量。

表2-1 气缸套的加工量 （单位：mm）

3.冒口

气缸套一般采用环形顶冒口。冒口尺寸的大小应考虑到气缸套的凝固收缩量及冒口的补缩效率等因素的影响，在理论上可粗略地加以估算。但在实际生产中，为了增加对气缸套凝固时的静压力作用，国内外工厂所采用的冒口高度均超过理论计算值很多。表2-2中的经验数据可供参考。

表2-2 气缸套的冒口高度 （单位：mm）

现代大型柴油机气缸套上部分的铸壁厚度都很大，且厚壁区域很长。为了提高冒口的补缩效率，环形顶冒口可采用如图2-6所示的形状。冒口尺寸可参考如下的经验数据：采用顶注式浇注系统时，T=1.2～1.4t，H=1.5～2.0T；采用底注式浇注系统时，T=1.3～1.6t，H=1.8～2.5T。为了可靠地进行补缩，获得致密的组织，气缸套的冒口尺寸一般都比较大。批量生产时，应先进行试制，对冒口进行纵向解剖，从而确定内部缩孔、缩松的位置，以确定既能充分补缩，又能使成品率达到最高的冒口尺寸。

4.工艺补贴量

由于气缸套采用高强度铸铁或低合金铸铁制成，在外表面的薄、厚壁连接处或密封槽内等位置，较容易产生局部缩松等缺陷。为了减少这些缺陷，必须实现自下而上的方向性凝固，以增强补缩作用，故常采用工艺补贴量。尽管这样增大了局部的加工量，但仍是确保质量而必须采取的措施。即使是小的气缸套，也会存在这种情况。根据经验，图2-7所示的小型湿式气缸套须以环槽加厚部分为基准往上取3°～5°的补贴量，以促使缸套的方向性凝固，克服环槽内的局部缩松缺陷，提高质量。

图2-6 大型气缸套环形顶冒口

1—环形顶冒口 2—气缸套上部分

图2-7 小型气缸套

1—冒口 2—补贴量 3—加工量

四、浇注系统

气缸套浇注系统的形式是影响气缸套质量的重要因素之一。在常见的缺陷中，多数情况是因为浇注系统设置不合理而造成的。气缸套的浇注系统，常用的有顶注式、底注式、顶注与底注结合式和阶梯式等。要根据气缸套的种类、大小、结构、壁厚及铸造工艺等情况而定。同时对铸型种类、型砂、涂料及生产条件等，均应给予充分的注意。在这些不同的浇注系统中，应用最多、最合理和效果最好的，是雨淋式顶注浇注系统。

1.雨淋式浇注系统的优点

（1）使铸型中的上下温差合理，促使自下而上发生较明显的“方向”性凝固 铁液经均匀分布于环形顶冒口上的小圆形内浇口流入型腔，使铸型内的铁液温度自下而上逐渐升高，形成合理的温度梯度。下部铁液凝固时，能源源不断地得到上部铁液的补给，形成很明显的方向性凝固，制造良好的补缩条件，从而使铸型得到充分的补缩，获得结晶组织很致密的铸件。

（2）增加对缸套凝固时的动压力作用 铁液自缸套顶部内浇口流入型腔时，相当于作自由落体运动，当它落到铸型内铁液表面上时，产生了冲量，给整个铸件以动压力作用。由于尚未凝固的铁液具有压力的传递性，因而就对下部铁液产生了压力作用，更增强了铁液的补缩能力，故能获得比使用底注式时致密性更高的气缸套。因为后者不能产生这种动压力作用。

图2-8 底注式与顶注式浇注系统比较

a）底注式 b）顶注式

（3）减少夹渣等缺陷 采用底注式浇注系统时，铁液沿铸型壁上升。由于铁液与型壁接触，其温度降低得很快，表面张力和粘度迅速增加，流动性降低；而中部铁液的温度下降得慢，故其温度比与型壁相接触的铁液要高，流动性好，所以表力张力和粘度也小，从而使上升的铁液表面呈凸形，如图2-8所示。铁液表面与空气的接触面积大，故表面产生了一层氧化夹杂物黑点。这些夹杂物容易粘附在铸型上或卷入铁液内部。如果来不及将其排除或在加工时不能被车去，则会产生夹杂等缺陷。而氧化物夹杂黑点常是缸套渗漏的主要原因之一，并降低了气缸套的强度。如果采用雨淋式顶注浇注系统，由于铁液表面不停地“振荡”，则不会产生上述缺陷，从而可以提高缸套的耐压力性。此外，雨淋式浇注系统的内浇道直径较小，具有较强的挡渣能力，可防止熔渣等杂物进入型腔内而产生渣孔等缺陷。

2.雨淋式浇注系统参数的选择

要获得雨淋式顶注浇注系统的预期效果，必须对铸型的充填速度，内浇道的形状、大小及数量等进行合理的选择。

（1）浇注时间 采用顶注式浇注系统时，按照理论分析，适当地增加浇注时间，可以加强液态补缩，故有人认为其浇注时间应比浇注一般铸件增加15%～20%。但是有的工厂根据自身经验认为，浇注气缸套时，采取较大的充填速度，适度缩短时间，效果反而会更好些。这主要是因为适当地缩短浇注时间后，可在较短的时间内建立起较大的静压力头，降低气体向铸件内渗透的危险性，促使气体从阻力较小的铸型方向排出。此外，还可减轻浇注过程中高温铁液对铸型的烘烤程度，从而对提高质量产生有利影响。

对于不同质量和壁厚的气缸套，采用雨淋式浇注系统时，内浇道截面积推荐采用如下的经验公式计算

式中 ΣA₃——内浇道总面积（cm²）；

G——铸件毛重（kg）；

K——经验系数，与缸套壁厚有关，当壁厚s=16～30mm时，K=0.5～0.6，当壁厚s=30～60mm时，K=0.6～0.7。

另外，根据经验，当铁液在圆筒形铸型内的上升速度为15～40mm/s时，铸件质量较好。

图2-9 雨淋式浇注系统

1—直浇道 2—横浇道 3—内浇道 4—内浇道砂芯 5—冒口 6—气缸套 7—加工量 8—圆筒砂芯

（2）内浇道的位置及形状 采用顶注式浇注系统时，内浇道的位置有多种选择。如多道内浇道均匀分布在中央圆筒砂芯周围，高温铁液沿砂芯外表面流下并充满铸型。这样会使铁液直接冲刷内浇道下面很长一段砂芯表面。若涂料附着强度低，则容易被冲刷剥落，产生夹杂等缺陷，故不宜采用。

实践证明，使用效果较好的是雨淋式浇注系统，即内浇道的中心位置均匀分布在气缸套最小壁厚处的中心，如图2-9所示，这样可避免铁液对砂芯表面的冲刷作用及由其引起的缺陷。对于厚壁气缸套，内浇道中心可以取（壁厚），这样更有利于避免气缸套内表面产生缺陷。内浇道的形状有圆形、长方形及椭圆形等，为制作方便等原因，一般采用圆形。为避免铁液喷射和对铸型的冲击，须采用正圆锥体。

（3）内浇道的大小 内浇道的直径对浇注质量也有很大影响，直径过小或过大都不能获得令人满意效果。如过小，则容易“凝死”；过大，则挡渣能力差。根据经验，内浇道直径为8～20mm时效果最佳。它与缸套壁厚的关系可参考下列经验公式

式中 D——内浇道的直径（mm）；

s——气缸套侧壁的最小厚度（mm）；

K——经验系数，s＜25mm时，K=0～2.5；s=25～30mm时，K=2～3；s=30～40mm时，K=3～6；s=40～60mm时，K=6～17；s=60～70mm时，K=10～15。

内浇道的长度不应过长，一般为30～80mm。目前，根据国内工厂的实际经验，采用浇注总长为2500～3500mm的雨淋式顶注浇注系统的气缸套，其效果很好。

3.其他浇注系统的应用

对于长度过长（大于3500～4000mm）的气缸套，当单纯采用雨淋式浇注系统时，在浇注初期，对铸型底部的冲击作用过大，铁液会发生不良的飞溅现象或冲坏型底。此时，可采用雨淋式和底注式相结合的联合浇注系统。浇注初期，采用底注式浇注系统，当铁液在铸型内上升高度达100～150mm时，再改用雨淋式浇注系统。

有些工厂使用雨淋式浇注系统浇注中小型气缸套时，为了防止浇注开始时落下的“冷铁液”和喷溅的“铁豆”影响气缸套质量，而采取了储存措施，并在清铲时将其敲掉。即视缸套大小不同，设置4～6个“冷铁穴”，每个“冷铁穴”的质量为2～5kg，其形式如图2-10所示。有些工厂是将气缸套下部直接加长约30mm，待加工时车去。

图2-10 气缸套底部的“冷铁穴”

1—气缸套下部分 2—冷铁穴

图2-11所示为二冲程柴油机气缸套，上端内口呈喇叭形，将这端朝下并采用上述联合浇注系统。在缸套承肩处外缘设置外冷铁，加快该区域的冷却速度，防止局部缩松缺陷。浇注初期，启用底注式浇注系统，待铸型内铁液上升位置超过喇叭口100mm时，改用雨淋式顶注系统，效果很好。

图2-11 二冲程柴油机气缸套

a）零件简图 b）铸造工艺简图

1—底注式浇注系统 2—雨淋式顶注浇注系统 3—冒口 4—圆筒砂芯 5—外冷铁 6—铁液位置指示灯 7—铁底盘

大型船用二冲程回流扫气柴油机气缸套如图2-12所示。其缸径为φ930mm，外形结构较复杂。如果单独采用雨淋式顶注浇注系统，铁液落下时有可能冲坏砂芯，造成砂眼等缺陷。采用底注式与雨淋式联合浇注系统，则可获得很好的效果。

个别中小型气缸套由于外形结构的影响，不能采用顶注式浇注系统，只适合设置底注式浇注系统，如图2-13所示。该缸套外表面上设有散热片，套壁厚度小，采用底注式浇注系统比较合适。

图2-12 大型船用二冲程回流扫气柴油机气缸套

a）零件简图 b）铸造工艺简图

1—底注式浇注系统 2—雨淋式顶注浇注系统 3—冒口 4—圆筒砂芯 5—上水腔砂芯 6—细长铸孔砂芯 7—内浇道砂芯 8—厚壁铸铁芯铁管 9—气口砂芯 10—铁液上升位置指示灯 11—下水腔砂芯 12—排气道

图2-13 只适合设置底注式浇注系统的气缸套

1—冒口 2—直浇道 3—砂芯 4—内浇道 5—横浇道 6—集渣包

应当指出：气缸套采用底注式浇注系统时，对补缩条件有不利影响，会促使反方向凝固。故应适当提高浇注温度，加快浇注速度和增大冒口。

阶梯式浇注系统虽能适当提高铸型上方的铁液温度，有利于改善补缩条件，但在气缸套上应用较少。

五、制芯

气缸套的砂芯质量，尤其是透气性、强度等性能，对气缸套的质量有着很大的影响。对芯砂的成分及操作应予以特别注意。图2-14所示是一件大型柴油机气缸套，缸径为780mm。其外形结构较为复杂，侧壁设有进、出两排气口，要求铸出气口，且尺寸及形状要很准确。气口上下方设有狭窄的冷却水腔，气口间的铸壁中有连接上、下水腔，供冷却水流经的细长贯通小孔（φ25mm），增加了铸造难度。

图2-14 大型柴油机气缸套

a）零件简图 b）铸造工艺简图

1—雨淋式顶注浇注系统 2—底注式浇注系统 3—冒口 4—圆筒形砂芯 5—上水腔夹层砂芯 6—气口砂芯 7—细长铸孔砂芯 8—下水腔夹层砂芯 9—内浇道砂芯 10—铁液上升位置指示灯

气缸套采用雨淋式浇注系统时，全部铁液都要流经内浇道而进入型腔，内浇道周围芯砂的强度、耐火度等性能对气缸套质量有很大影响。特别是大型气缸套，其毛重约达10t，如果芯砂的强度低、耐火度低，经不住铁液较长时间的冲刷，则容易将砂子冲刷掉入铸件内而产生砂孔、夹杂等缺陷。因此，应在内浇道周围芯砂中掺入耐火砖粉和石墨粉等耐火度高的材料，并在制芯时舂得很紧实。如果用合适的小陶瓷管或石墨管等作为内浇道，则效果更好。

气缸套中央的圆筒砂芯是气缸套最主要的砂芯，一般采用对开实芯盒造芯。对于数量需求不多的中小型气缸套，可采用水平车板法造芯，一般不采用水平刮板造芯法（即整个圆柱砂芯由两半圆柱体砂芯对成），因为由两半圆柱体砂芯对合而成时不易保证准确的圆形。对于大型气缸套（缸径在φ600mm以上），可参考如图2-15所示的立式刮板造芯法，其效果较好。对于定型批量生产的大型气缸套，应采用对开实芯盒造芯，此方法生产效率较高。对于大型圆柱砂芯，为避免组芯时可能产生的偏斜，须采用特制的铁芯管和铁底座。

图2-15 立式刮板造芯法

1—轴杠 2—活页 3—垫圈 4—刮板 5—芯铁管 6—砂芯 7—煤炉渣层 8—芯骨网层 9—稻草绳层 10—芯砂层 11—底座

气缸套的进、出气两排气口的形状及尺寸必须很准确，以保证气缸套的工作性能。因此，通常做成整体实芯盒，造出整体气口砂芯，如图2-16所示。

气缸套气口上下方的水腔夹层砂芯很薄，容易变形，尤其对排气道的设置应特别予以注意。既要确保浇注时气体能顺利排出，又要严防铁液“钻进”砂芯内，造成清砂困难。因此，应做成整体实芯盒，造出整体夹层砂芯，如图2-17所示。

气缸套上、下水腔间供冷却水流经的细长小孔的铸造是很难的。这7个φ25mm铸孔的长度为470mm（图2-14），很容易产生砂孔、气孔、渗漏和清砂困难等缺陷。为了避免这些问题，某厂已探索出一个有效方法，即采用内径为φ25mm的无缝钢管来确保砂芯具有足够的强度。为使钢管能与铸件母材熔接良好，必须将钢管外表面车出深度约1mm的沟纹，并须进行镀铜处理。浇注前保持干净，并适当进行预热。钢管内壁挂上涂料，并用芯砂填紧，中央留出排气道。芯砂须具有高耐火性和良好的溃散性，以便于清砂，可用以下两种砂：①铬铁矿砂（或钛铁矿砂），它具有独特的抗渗透性粘砂能力；②锆砂47%、石墨粉50%、糖浆3%。钢管须用管座固定于上、下水腔夹层砂芯上。上芯头与芯座之间的配合须留有适当间隙，供钢管受热膨胀伸长。此砂芯中的气体须经上水腔夹层砂芯顺利排出，且必须严防铁液“钻进”砂芯内部。气缸直径分别为φ580mm、φ780mm和φ930mm的大型柴油机气缸套上的细长铸孔φ18mm、φ25mm和φ30mm，都是按这种方法仔细进行操作，均获得了良好效果。

图2-16 气缸套整体气口砂芯

六、石墨砂及其应用

众所周知，气缸套上最重要的工作部位是内表面，这部分的工作载荷最重，技术要求最高。因此，如何保证内表面的质量是气缸套铸造的中心环节。对于小型气缸套，为提高内表面的质量，延长气缸套使用寿命，可采用多孔性镀铬等表面处理工艺，获得了较好的效果。但对于现代大型气缸套，采用这种表面处理工艺是困难的。因此，只能从铸造工艺及材质的选用等方面入手来达到提高质量的目的。

1.对提高气缸套内表面质量的铸造工艺分析

从气缸套的工作条件分析可知，为满足内表面的技术要求，除了不准有砂眼、夹杂等铸造缺陷以外，还应使内表面比外表面具有更加致密的结晶组织，以提高耐磨性。而铸铁的结晶组织的粗细程度，除了受化学成分的影响以外，还与冷却速度有很大关系。采用普通砂型铸造时，气缸套内表面处于铸型中央，散热条件最差，冷却速度最慢，故比外表面更容易出现结晶组织粗大和局部缩松等缺陷。为适当加快大型气缸套内表面的冷却速度，目前国内外主要采取以下措施。

图2-17 气缸套水腔夹层砂芯

（1）采用隔砂冷铁 即在圆筒砂芯上设置外冷铁，造芯时将几百块外冷铁交错叠起，在外冷铁的外表面敷上薄层芯砂。整个造芯操作过程较为复杂。

（2）采用隔砂芯铁管 将圆筒砂芯的芯铁管壁厚增加到60～80mm，起到一部分外冷铁的作用。芯铁管外表面的砂层厚度为25～30mm。采用这种方法，因砂层较厚，实际上加速冷却的效果不太明显，另外清砂也非常困难。

（3）应用外冷铁 在圆筒砂芯上设置局部外冷铁或石墨块，但只能起到局部的激冷作用。

以上方法虽有一定的作用，但都不能很有效地达到预期的目的。

2.石墨砂的应用

在分析各种铸造工艺优缺点的基础上，某厂提出了采用石墨砂作为大型气缸套圆筒砂芯的材料。经该厂的实践证明，石墨砂具有激冷效果显著、操作简便、清砂容易和成本低廉等独特优点。

（1）石墨砂的原理 影响铸件凝固时间的因素很多，概括起来主要有三个方面：铸型材料的导热性、铸件特征（形状、壁厚、大小和质量等）和浇注条件。因为各种材料具有不同的热物理性能，所以铸型材料对铸件的凝固时间有着很大的影响。例如，在其他条件相同时，金属型中铸件的凝固时间是砂型中铸件凝固时间的1/9～1/4。铸件的凝固速度是受铸型吸热速度控制的，铸型吸热快，则凝固得就快，反之亦然。而一定时间内铸型的吸热总量，主要与铸型的热扩散率或蓄热系数有关：铸型的蓄热系数大，吸热能力就大，铸件的凝固时间就短。因此，可以使用不同的造型材料来控制铸件在铸型中的冷却、凝固速度。在γ铁、碳化硅砖、石墨、耐火砖、型砂和镁砂等材料中，石墨的热导率是最高的，所以采用石墨材料能显著地加快铸件的冷却速度。石墨砂的导热速度虽低于石墨型，但比砂型要快得多。

铸件的缩孔、缩松倾向与合金成分之间有一定的规律。纯金属及共晶成分合金倾向于形成集中缩孔，而结晶间隔大的合金则易于形成分散性缩松，铸件的致密性就差。在铸件的凝固过程中，表面凝固层与中心尚未凝固的液相区域之间，存在着固-液两相共存区。影响凝固区域宽度的因素很多，其中铸件的冷却速度是重要因素之一。石墨砂的导热速度快，使铸件的冷却速度提高，凝固区域宽度缩小，如图2-18所示。从而增加了温度梯度，有利于增强补缩，减小缩松面积。冷却速度越快，则凝固区域越小。而凝固区域越小，越有利于补缩，则铸件的缩松区域相应越狭小，结晶组织越致密。因此，使用石墨砂能获得预期的良好效果。

图2-18 铸型材料对凝固区域宽度的影响

a）激冷程度小（粘土砂） b）激冷程度大（石墨砂）

石墨砂不但能显著提高铸件质量，还具有使用方便、清砂容易等优点；不但可用于大型气缸套，其他许多结构复杂、技术要求很高的重要铸件，如气缸、气缸盖、泵壳、阀体及箱体等也可以应用。这些铸件普遍具有壁厚不均等特点，容易形成“热节”，并产生局部缩松和渗漏等缺陷。应用一般外冷铁，一方面激冷效果不及石墨冷铁，另一方面有些铸件内腔、铸壁与筋的连接部分放冷铁很困难，清理不出来，操作不方便。因此，石墨砂在这些铸件的生产中有着广泛的应用前景。

（2）石墨砂的组成 在型砂中加入能增加热导率的物质（如煤粉），能够使铸型的导热速度加快。在型砂中加入6%的煤粉时，能使铸型的导热速度提高约15%。在生产中采用过以下激冷砂：

1）碳素砂。其组成为：废焦炭颗粒（2～3mm）60%、石墨粉30%、粘土粉10%。国内某重型机床厂将其用在机床导轨上，获得了较好的效果。

2）焦炭粉砂。其组成为：焦炭粉30%、石墨粉30%、天然硅砂30%、粘土粉10%。国内某厂将其用作大型气缸套水腔夹层砂芯，对防止渗漏起到了一定作用。

3）铁屑砂。其组成为：经过除锈处理的铁屑（过1mm筛子孔）65%～75%、型砂17%～27%、水玻璃6%～8%。某厂将其用在柴油机气缸盖燃烧室部位，效果较好。

以上激冷砂的激冷程度都不能满足大型气缸套的要求。因此，某厂研制出了一种以导热性能最好的石墨为主要原料的石墨砂，其组成为：石墨屑90%、粘土粉10%。所采用的石墨屑是石墨加工厂的车屑，经过筛处理后加入粘结剂，在混砂机内混制而成，使用前须再经过筛处理。石墨砂层厚度为铸件被激冷处厚度的1～1.5倍。石墨砂芯必须在400～450℃的温度下进行烘干。

石墨砂首先在小型气缸套（内径为φ200mm，长度为400mm，壁厚为30mm）上进行试验。试验方法为：铸造两个完全相同的气缸套的圆筒砂芯，一个用普通粘土砂，另一个用石墨砂，其他铸造条件完全相同，采用铬-钼-铜合金铸铁。铸造后将两个缸套进行解剖，在本体上取样进行检验，其结果见表2-3。

表2-3 气缸套的化学成分、力学性能和金相组织检验结果

从以上结果可以看出：采用石墨砂芯的缸套，其结晶组织细化，可使缸套本体的强度提高15%。片状石墨长度由150～300μm缩短到100～200μm，并由均匀分布变为菊花状分布，如图2-19所示。

七、冷铁的应用

柴油机气缸套侧壁的厚度不均，形成了金属的局部聚积。尤其是现代二冲程柴油机气缸套，其上、下壁厚相差很大，如果补缩不良，就会经常出现局部缩松缺陷。适当地应用冷铁，加快局部的冷却速度，对消除“热节”、增强补缩能起到很好的作用。冷铁一般应用在下列部位。

图2-19 小型气缸套的金相组织

a）普通粘土砂（×100） b）石墨砂（×100）

（1）气缸套下部密封环槽区域 该区域因受环槽的影响，壁厚增加。按照经验，对于较小型的湿式气缸套，当侧壁厚度差接近或超过该处断面厚度的40%时，即会产生局部缩松，达到50%～60%时最为严重。对于大中型气缸套，当厚薄差在20%～30%的范围内时，尚不会产生显著缺陷；如果达到40%，则须考虑设置外冷铁。

（2）上部承肩法兰处 当将气缸套上部承肩法兰朝下浇注时，如果该部分过于“肥厚”，则须考虑在法兰（如图2-11中的件5）外侧或圆根部分设置外冷铁。

（3）气缸套内表面 缸套内表面是质量要求最高的工作面，一般不允许有任何铸造缺陷。为了提高结晶组织的致密性和耐磨性等，可设置外冷铁。国内某厂铸造如图2-20所示的辅助空气压缩机小型高压气缸套时，要求进行水压试验（压力为12MPa），在内表面上设置厚度为16mm的外冷铁，效果很好。但要注意，浇注前要对冷铁进行适度预热，以防止产生气孔。圆筒砂芯上的外冷铁共由8块组成，在径向分成4块，彼此间留有间隙，以防阻碍铸件收缩。

图2-20 辅助空气压缩机小型高压气缸套

a）零件简图 b）铸造工艺简图

1—雨淋式顶注浇注系统 2—冒口 3—内浇道（6×φ12mm） 4—砂芯 5—外冷铁（厚度为16mm）

八、化学成分

为了达到气缸套的力学性能及金相组织要求，保证其具有优良的耐磨性和铸造性能等，应根据不同的铸造工艺和生产条件，选择适当的化学成分。

根据碳对上述性能的综合影响，一般将碳的质量分数控制在3.0%～3.4%的范围内。含碳量过高，可能对力学性能产生不利影响；含碳量过低，则主要影响铸造性能，如发生缩孔、缩松的倾向增大等，同时不能保证所需的一定数量的片状石墨，从而会对耐磨性能产生不利影响。

硅的含量主要考虑碳、硅等元素的综合影响，由气缸套的主要壁厚等因素决定。铸铁的结晶组织主要取决于化学成分和结晶条件，而结晶条件主要是指冷却速度。故在选择碳、硅含量时，还要考虑气缸套的结晶条件，如气缸套的铸造工艺、铸型种类、造型材料和气缸套的结构特征（如侧壁主要厚度）等因素的综合影响。可参考如下的经验数据：对于侧壁主要厚度小于25mm的小型气缸套，w（Si）=1.6%～2.0%；对于侧壁主要厚度为25～40mm的中型气缸套，w（Si）=1.3%～1.6%；对于侧壁厚度大于40mm的大型气缸套，w（Si）=0.9%～1.3%。

其他元素的含量为：w（Mn）=0.7%～1.1%，w（S）<0.12%。关于含磷量的选择有不太一致的看法：有人认为提高含磷量有可能降低铸件的致密性，为避免高磷时可能出现的渗漏现象，主张高压气缸套中磷的质量分数以不超过0.2%为宜；另一种主张是为了提高气缸套的耐磨性，发挥磷对耐磨性的有利影响，应将磷的质量分数控制在0.2%～0.5%的范围内。

为了更好地提高气缸套的耐磨性和热稳定性等，必须加入合金元素铬、钼、铜、钒、锡、钛和硼等，目前国内外已很少采用不加入合金元素的普通铸铁。根据国内外的研究及实际经验，铬钼铜系、硼铸铁系和钒钛系的使用较为广泛，效果较好。至于镍铬系，主要因为镍太昂贵，故其广泛应用受到了很大限制。前面已经论述了气缸套的合金材质及常控制的合金成分范围，此处不再赘述。目前工厂常用的气缸套成分可参考表2-4，国内某厂生产的部分大型气缸套的化学成分及力学性能见表2-5，可供参考。

表2-4 常用气缸套的化学成分及力学性能

（续）

表2-5 某厂大型气缸套化学成分及力学性能

九、浇注温度

铁液的过热程度和浇注温度对气缸套的质量有着很大的影响。适当提高铁液的过热程度，会使结晶组织更加致密，是获得优质气缸套的基本条件。采用冲天炉熔炼时，应采取预热送风、精选炉料和优质焦炭等措施，必须使铁液的出炉温度达到1460～1480℃以上，而达到此温度也仅仅是满足铸造工艺的最基本要求。如果采用电炉熔炼，铁液的熔炼温度一般应达到1500～1520℃，某些情况下也可达到1520～1560℃。

提高浇注温度对缩孔、缩松的影响表现在两个方面：一方面会增加液态体积收缩，从而使总的体积收缩量增加；另一方面，由于提高了铁液的流动性，改善了补缩条件，从而减少了铸件内部的局部缩松。在多数情况下，提高浇注温度后，会使缩孔体积增加：浇注温度为1270℃时，缩孔体积为0；浇注温度为1320℃时，缩孔体积为3.3cm³；浇注温度为1370℃时，缩孔体积为4.9cm³。

浇注温度还影响缩孔的形状及分布情况。当浇注温度较低时，由于铁液的流动性降低，使补缩条件恶化，则会形成内部的、分散的缩孔、缩松。这样会使铸铁的密度减小，致密性急剧下降，尤其是当原铁液的流动性较差时（如含硫量过高等）更是如此。相反，提高浇注温度后，会使铁液的流动性增强，改善了补缩条件，促使形成外部的、集中的缩孔，使致密性大为提高，铸铁的密度增大。

根据某工厂的试验结果，同样可以看出高温浇注的铸铁，其密度比低温浇注的要高，而其密度差值随碳、硅含量的增加而减小，如图2-21所示。

在砂型中浇注大型厚壁铸件时，提高浇注温度虽可改善补缩条件，但在结晶开始之前，因冷却速度很缓慢，且铸铁的对流性很好，故铸件各断面上的温度更趋近于一致。结晶是在整个断面上同时进行，这对消除内部缩孔、缩松是不利的。此时，须将浇注温度的选择和加快冷却速度及控制浇注时间等方面结合起来，才能更有利于保证铸件的致密性。

综上所述，气缸套应采用较高的浇注温度。这主要是因为：

图2-21 浇注温度对铸铁密度的影响

1）提高浇注温度后，改善了缸套的补缩条件，增强了补缩，特别有利于防止局部缩松缺陷。

2）使结晶组织更加致密，可提高整个缸套的致密性。

3）特别有利于铁液中的氧化皮及其他夹杂物的排除，对减少缸套的气孔、夹杂等缺陷尤为重要。

实际应用中，应根据气缸套的结构特征（如形状、大小、壁厚等）、浇注方法等因素来选择浇注温度。根据经验，大型气缸套的浇注温度一般为1340～1360℃，小型气缸套的浇注温度为1360～1380℃。