一種球墨鑄鐵件消失模鑄造工藝設計及缺陷預防

淡 瑤

(陜西法士特汽車傳動工程研究院,陜西 寶雞 722409)

本研究開發設計的一種消失模鑄造球墨鑄鐵件,鑄件重量為180 kg,其結構特點為局部厚大、兩處油道總長度大于500 mm。從消失模鑄造工藝方面考慮,由于屬于糊狀凝固,球墨鑄鐵容易產生縮孔、縮松、夾渣等缺陷。采用MAGMA仿真模擬軟件,對澆注系統方案進行模擬。通過工藝試制,解決了縮孔、夾渣、加工端面缺陷等問題,并進行了總結和分析。

1 工藝設計

1.1 結構分析

球墨鑄鐵件材質為QT400-15,鑄件輪廓尺寸為430 mm×620 mm×684 mm,一箱一件,鑄件重量為180 kg。該鑄件多處部位壁厚較厚,圖1(a)中標識區域尺寸為183 mm×40 mm×59 mm,容易產生縮孔。圖1(b)和圖1(c)為零件剖視圖,鑄件有兩處需要加工油道,總長度510 mm,氣密測漏壓力要求高,油道內部不允許有缺陷。

圖1 鑄件及零件結構Fig.1 Structure of casting and parts

1.2 工藝方案及仿真模擬

對消失模鑄造球墨鑄鐵件的澆注系統進行設計,四種方案分別為：側底注、頂注、階梯注和底注。并采用MAGMA仿真模擬,對比不同方案的凝固和補縮。側底注模擬結果如圖2所示。從凝固過程觀察,隨著凝固時間的變化,較薄的區域優先凝固,厚大區域凝固需要更長的時間。平行板與上端面相交區域縮松風險等級較高。鑄件兩側的“U”型凸臺內部形成一個熱節區域,也存在縮松風險。底部、凸臺密集區域存在較高的縮松風險。凝固過程所需時間與壁厚的增加正相關。小的集渣包對鑄件上端面的凝固過程影響不大,集渣的效果需要實驗驗證。

圖2 側底注模擬結果Fig.2 Simulation results of the side bottom injection

頂注模擬結果如圖3所示,縮松風險等級較高的區域與側底注方案相似。

圖3 頂注模擬結果Fig.3 Simulation results of the top injection

階梯注模擬結果如圖4所示,重點觀察凝固過程,縮松風險區域集中在鑄件兩側“U”型凸臺的內部、平行板與上端面相交區域,并且在內澆口凝固后,上端面無法得到補縮。

底注模擬結果如圖5所示,在凝固過程中上端面熱節區域由冒口補縮,但在補縮通道關閉前,并沒有補縮完畢,因此上端面熱節區域和冒口內部都會形成縮松或縮孔,補縮效果不佳,應該通過計算和實驗進行修改。

圖5 底注模擬結果Fig.5 Simulation results of the bottom injection

1.3 工藝實驗

通過對MAGMA仿真模擬結果進行分析,選擇加冒口底注澆注系統進行工藝實驗,如圖6所示。

圖6 加冒口底注Fig.6 Bottom injection with feeder

2 缺陷分析

2.1 主要缺陷

如圖7所示,無補縮冒口鑄件上端面存在縮孔,位置集中在平行板結構和上端面交匯處。此類缺陷為球墨鑄鐵件的主要缺陷。

圖7 鑄件上端面縮孔Fig.7 Shrinkage hole on the upper face of cashing

2.2 原因分析

2.2.1縮孔成因分析

根據MAGMA模擬結果和工藝實驗結果,過橋殼體鑄件存在縮松缺陷,位于上端面與兩個平行板狀結構的交匯處。凝固過程中厚大區域較周圍均勻薄壁區域凝固慢,周圍凝固后,厚大區域內部的凝固過程得不到鐵液的補充,就會形成縮松或縮孔缺陷。

球墨鑄鐵的凝固過程呈粥樣凝固[1],凝固初期表層無硬殼形成,隨著石墨的析出,共晶膨脹的壓力會導致兩種現象：1)鐵液體積增大,隨著時間的延長,凝固范圍不斷擴大,最后凝固的區域形成縮孔或縮松,冷卻過程的體收縮也無法改變已經形成的縮松或縮孔缺陷,甚至會增大縮松的風險[2];2)膨脹壓力會直接作用在鑄型表面,造成型壁的遷移、漲箱、縮松等不良現象。

因此,為了避免球墨鑄鐵件出現縮松或縮孔缺陷,擬采用兩種控制措施：1)合適的補縮冒口,對熱節區域進行補縮[3];2)增強鑄型的剛性,即提高型砂的緊實度,澆注完成持續保壓,保壓時間大于15 min。

2.2.2冒口

本實驗中按冒口的使用分為集渣冒口和補縮冒口。解決縮松缺陷主要使用補縮冒口,其作用是補充鐵液和控制壓力。

圖8為冒口和鑄型中壓力變化的三個典型階段[4]。內澆口凝固后不再有更多的鐵液進入鑄型,此時鑄件和冒口組成整體,見圖8(a);當液態金屬發生收縮時,收縮極限狀態,鑄型內部冒口中壓力最小,見圖8(b);隨著石墨析出和奧氏體的形成產生的膨脹,表征為液態金屬膨脹,從而使冒口重新充滿,見圖8(c)。隨著石墨和奧氏體的不斷析出,鑄型內部的壓力會增加,因此需要鑄型有一定的剛性。

圖8 冒口中壓力變化的三個階段Fig.8 Three stages of pressure change in the feeder

采用消失模鑄造球墨鑄鐵件時,應根據鑄件結構選擇合適的冒口,同時澆注過程中砂箱的負壓是不可忽視的。

3 改進方案

綜合以上分析,消失模鑄造球墨鑄鐵件選擇底注和補縮冒口的澆注系統,并對冒口參數進行改進。

3.1 冒口參數的改進

鑄件熱節區域的模數為MS,冒口的模數為MR,冒口徑模數為MN。

參考傳統砂型鑄造工藝冒口的設計原理,設置兩種冒口：1#冒口為MR=MS、MN=0.8MR;2#冒口為MR=1.5MS、MN=0.6MR。

除了冒口尺寸不同外,其余可控參數完全相同。對兩種冒口分別進行全工序試制,并增加防磕碰、防變形、預填砂處理等過程改進,驗證不同冒口對鑄件熱節位置的縮孔的改善效果。

3.2 改進效果

消失模鑄造選擇底注和1#冒口的澆注系統,鑄件粗車后在熱節區域存在縮孔缺陷(圖9中圓圈內),廢品率達到37%,如圖9所示。

圖9 采用1#冒口和底注工藝的實驗結果Fig.9 Test results using 1# feeder and bottom injection process

消失模鑄造選擇底注和2#冒口的澆注系統,粗車后鑄件上端面無明顯缺陷,見圖10(b);熱節區域無縮松缺陷,見圖10(c);局部觀察,發現端面有離散細小點狀缺陷,見圖10(d)。跟蹤驗證,經過全工序加工后,零件端面缺陷得以去除,見圖11。

(a)鑄件;(b)鑄件上端面;(c)鑄件熱節區域;(d)離散小點狀缺陷圖10 采用2#冒口和底注工藝的實驗結果(a)castig;(b)upper end face of casting;(c)hot spot area of casting;(d)discrete small point defectFig.10 Test results using 2# feeder and bottom injection process

圖11 全工序加工后零件端面Fig.11 End face of parts after full process processing

4 結論

1)消失模鑄造球墨鑄鐵件的澆注工藝選擇底注和匹配消失模鑄造尺寸的冒口,結合產品的結構進行對比實驗,得到解決縮松缺陷的最佳方案;

2)確定消失模鑄造球墨鑄鐵件的澆注系統后,還需加強全工序過程控制,防止磕碰,控制涂層烘干、澆注負壓和保壓等各個環節,有利于提高鑄件的內部和外觀質量。