铸造设备与工艺
Foundry Equipment & Technology

球墨铸铁飞轮壳的无冒口铸造工艺

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飞轮壳是汽车发动机的一个重要基础件,对发动机起着支撑和保护作用。在使用过程中,特别是在前置后驱的重型载货汽车及大、中型客车中,飞轮壳裂损是汽车发动机的一种常见故障。导致该故障的因素较多,材质是其中的一个重要原因。由于生产工艺的问题,柴油发动机飞轮壳均采用灰铸铁。在使用过程中,灰铁飞轮壳时有损坏,而且损坏处大多在同一区域,分析其原因发现:除使用、维修等方面的原因外,其材质造成本体强度不够高是很重要的一个原因。球墨铸铁飞轮壳一直没有得到广泛应用,主要原因是其生产的铸造毛坯工艺出品率和合格率都很低。我公司适应市场的需要,对铸件结构特点和材质进行了分析和研究,成功开发了球铁飞轮壳的无冒口铸造工艺。

1工艺分析

1.1铸件简介

图l 为国产某型汽车柴油发动机上的飞轮壳毛坯,材质是QT450-10,重65kg。该铸件结构比较复杂,壁厚差比较大,薄的部位为8mm,较厚的搭子处达30mm,多且分散,极易产生缩孔、疏松等缺陷;外形结构复杂,砂芯制作困难,尺寸难以控制;铸件采用球墨铸铁,极易产生球化不良和夹渣缺陷。由于存在以上问题,给铸造工艺设计带来了一定难度。


1.2无冒口工艺的可行性

该铸件的壁较薄,且壁厚不均匀,要求铸件表面无气孔、砂眼等缺陷,内部组织致密、无缩孔缩松缺陷,试棒的抗拉强度不得低于QT450-10 的标准。若采用传统的浇冒口补缩的球墨铸铁生产方法,需要补缩的部位多且分散,造成工艺出品率低,而且易出现缩孔缩松等缺陷,无法满足要求,故研究采用无冒口浇注工艺。

球铁无冒口铸造与铸件特性、铸件结构、浇注系统等因素有关。首先分析铁液的特性,球墨铸铁件,从铁液浇人铸型开始,随铁液温度下降就会产生收缩,称之为液态收缩;若凝固时产生奥氏体,还会产生凝固收缩;在液态或凝固时析出石墨球,由于石墨的密度只有奥氏体的三分之一左右,就会产生体积膨胀。所以,从静态分析,若液态降温时的体积收缩量与凝固时的体积收缩量之和小于石墨化膨胀的体积增加量,即可实现球铁件的无冒口铸造生产。

要满足以上要求,必须具备以下条件:

①采用高刚度的铸型,能够在铁液的进出口凝固封闭后,型腔尺寸保持不变或者变化量极小;

②在不发生石墨漂浮的前提下,采用尽可能高的碳当量,适当的孕育,确保充分石墨化,最大限度地增大石墨化膨胀的体积增加量;

③采用多道内浇道,使铁液分散进入型腔,并配合冷铁调节,尽可能使铸件各部位同时开始、并同步进行冷却和凝固;

④大量使用冷铁,强化铸件冷却,使铁液进入型腔后,铸件外层迅速冷却、凝固,在内浇道及铸件心部的液态通道凝固封闭之前提早完成一部分收缩,形成体积空缺,及时从液态通道获取补缩液体,增大内浇道的流量(亦即增大外部补缩量),提高浇注系统的补缩效果;

⑤适当降低浇注温度,减少液态体积收缩。

另外,该铸件壁较薄,必须增强铁液的流动性。根据以上技术要求,认真分析了我公司生产的实际情况,采用呋喃树脂自硬砂造型即可满足“铸型高刚度”的条件,其他条件可以根据具体情况具体没计,故认为对该铸件采用无冒口浇注工艺是可行的。

2工艺设计

2.1成分分析

由于球状石墨对基体的削弱作用很小,故球墨铸铁中石墨数量的多少,对力学性能的影响并不显著,当C 含量(质量分数,下同)在3.2%~3.9%的范围内变化时对力学性能无明显的影响,故在确定C、Si 的含量时,主要考虑保证其铸造性能,将CE 选择在共晶成分左右,此时铁液的流动性能最好,形成集中缩孔的倾向大,铸件组织的致密度高。由于铸件较薄,CE 过高时产生石墨漂浮的倾向小,故CE 的选择在共晶点附近,即4.6%~4.7%(由于球化元素的存在,球铁的共晶点已移至4.6%~4.8%附近)。Si 含量的高低,直接影响球墨铸铁基体中铁素体的含量。Si 能促进石墨化、增加铁索体含量、细化石墨、强化基体组织,但Si 提高韧性一脆性转变温度,降低冲击韧性。因此,在选定高碳当量的前提下应采用高C 低Si 的原则,最终确定将Si 含量控制在2.6%~2.8%较合适。

铁液中P 含量偏高,使凝固范刚广大,同时低熔点磷共晶在最后凝固时得不到补给,并且使铸件外壳变弱,因此有增大缩孔、缩松产生的倾向,故P 含量应控制在较低值。

RE 残余量过高会恶化石墨形状,降低球化率,因此RE 含量不宜太高。而Mg 又是一个强烈稳定碳化物的元素,阻碍石墨化。由此可见,残余Mg 含量及残余RE 量过高会增加球铁的白口倾向,使石墨膨胀减小,另外当它们的含量较高时,亦会增加缩孔、缩松倾向,故残留Mg 含量和RE 含量亦不宜过高。

根据以上分析,确定铁液的成分(质量分数)为:4.6%~4.8% CE、3.6%—3.8%C、2.6%~2.8% Si、Mn≤0.4%、P≤0.03%、S≤0.03%、0.025%~0.040%Mg 残、0.020%~0.040% RE 残。

2.2浇注系统

采用无冒口工艺浇注球墨铸铁,就要力求用尽量低的温度在尽量短的时间内充满铸型,且充型平稳。电就是说,低温、底注、平稳充型是保证球铁飞轮壳铸件品质的基本条件,设计浇注系统的核心是控制内浇道的充型速度。

为了达到上述目的,采用了半封闭式浇注系统,ΣF 直:ΣF 横:ΣF 内=1.5:2.0:1.0,其中横浇道和内浇道一分为四,呈十字形,铁液由铸件中部分散注入铸型,铁液进入铸型更加均匀。经计算,ΣF 直=240px2,ΣF 横=430px2,ΣF 内=160px2。采用中间底注、铁液分散进入型腔,整个浇注过程中铁液的流程最短,可缩短浇注时间,浇注过程中铁液温降最小,可以最大限度的降低浇注温度,浇注温度初步确定为(1,380±10)℃。

2.3辅助设计

由于采用呋喃树脂自硬砂造型,而树脂具有一定的发气量,为了避免气孔等缺陷,在铸件四角处分别设有出气孔,用以排气、集渣,同时可以改善铁液的充型状态和作为铁液注满的标志。

图2 为该球铁飞轮壳的模样,基本工艺为中间底注、分散进入、四角排气。


3生产实践

采用呋喃树脂自硬砂造型、制芯,1t 中频感应电炉熔炼,分两包浇注,每包6 件,铁液出炉温度为1,520~1,540℃,浇注温度为(1,380±10)℃。采用FeSi Mg8RE5 合金、包内冲人法进行球化处理,加入量为1.3%。孕育剂为FeSi75,加入量为0.8%。铸件的球化级别为3级,化学成分(质量分数)为:3.74%C、2.65%Si、0.35%Mn、0.03%P、0.02%S、0.035% Mg残,0.033%RE残。按以上工艺试生产飞轮壳铸件12 件,经机加工后均未发现缩孔、缩松、气孔等铸造缺陷,试棒的抗拉强度为503.6MPa,伸长率为14.4%,硬度为HB176,工艺出品率为87.5%。铸件表面质量、力学性能及内在质量等均满足技术要求。图3 为经过打磨处理的铸件,图4 为机加工后的成品。


利用这种工艺现已生产该铸件1,452 件,试棒抗拉强度均在500 MPa 以上,仲长率最小为13.6%,废品29 件,主要表现为气孔、掉砂(砂芯碰撞破损造成)、敲击损伤(敲击内浇道时带伤本体)等,废品率为2.0%。


4结束语

针对球铁飞轮壳铸件结构复杂,壁厚相差较大,易产生缩孔缩松缺陷的特点,通过严格控制铁液的化学成分,提高铁液的流动性,降低铸件的浇注温度;中间底注,铁液分散进入型腔。四角排气,充分排除型腔内及浇注过程中产生的气体等有效措施,成功生产了柴油发动机球墨铸铁飞轮壳铸件,采用无冒口工艺实现了极高的工艺出品率和较高的产品合格率。