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1、【精品文档】如有侵权，请联系网站删除，仅供学习与交流薄壁铸态全铁素体球铁铸件的关键生产技术.精品文档.薄壁铸态全铁素体球铁铸件的关键生产技术东风汽车股份有限公司铸造分公司 袁征峰 摘要通过选用特定炉料，使用专用球化剂、孕育剂，优化设计铁液化学成分，采用定量加入技术、特殊孕育技术，严控球化处理、铁液浇注等关键技术，大批量生产出组织、性能均超过康明斯技术标准的薄壁铸态全铁素体球铁铸件。关键词薄壁 铸态 全铁素体 球铁 关键生产技术前言 科技进步、市场竞争、用户需求、环保要求等因素，导致当今车用柴油发动机的发展方向是：轻量化、大功率、低油耗、高性能、强可靠性、环保型。那么，作为其重要组成的球铁铸件，
2、必须具有高质量、高性能、低成本的特点，才能满足车用柴油发动机日益提高的苛刻要求。薄壁化、铸态化恰是球铁件适应其发展要求的一种有效途径。因此，研究薄壁铸态球铁铸件的生产技术，成为铸造工作者的重要课题。本文以EQ2100E6D军车柴油发动机排气歧管(零件编号A3917761，以下简称排气歧管)为例，根据生产实践，浅谈薄壁铸态全铁素体球铁铸件的关键生产技术。1原设计技术条件及铸件特点1.1原设计技术条件 排气歧管的化学成分见表1。材质牌号为QT42015；力学性能为：b420MPa0.2276MPa，15，硬度141HB一187HB。退火后，铸件基体为铁素体95，粒状珠光体5，一次碳化物为零。石墨形
3、态1级3级，石墨大小5级7级。铸件尺寸精度要求达到CT6一CT8级，铸件表面粗糙度要求达到Ra25m。1.2铸件特点 排气歧管设计上是每三缸一个气道，两个气道在一件排气歧管上铸出，铸件如图1所示，轮廓尺寸647.8120176.5mm，绝大部分壁厚40.75mm，铸件质量10.4kg。因此，其特点是：细长管状体、结构复杂、薄壁，属于高强度、高韧性、高精度的高难度类球铁铸件。2 工况要求、铸态件技术标准2.1工况要求 排气歧管使用环境恶劣：它被螺栓固定在汽缸盖上，承受自身质量、涡轮增压器质量及汽车运动产生的振动力；工作在650-750高温下；长时间经受750以上高温、高压废气的加热、冲击，并在常
4、温到高温与高温到常温的激热激冷交变温度下长期使用。这样，在承受静载荷较大、冲击力较小状态下，铸件要耐高温、抗热疲劳、抗氧化，以防止发生变形、开裂引起的失效。因此，要求其具有优良的耐热疲劳性、高温强度、高温尺寸稳定性。2.2铸态件技术标准 考虑到EQ2100E6D柴油发动机要求达到70万公里元大修的水平和工况要求，排气歧管铸态件技术标准为：材质为QT450一18；力学性能是：b 460MPa；18；硬度141HB187HB；金相组织是：基体 98的全铁素体，粒状珠光体2，一次碳化物为零；石墨形态1级一2级，石墨大小6级7级。3生产方法3.1工艺方案 薄壁球铁铸件生产中，常遇到的难题是，由于冷却速
5、度过快，极易形成晶间碳化物。经多方分析和小量试验，最终采用冷速较慢的自硬呋喃树脂砂铸型、酚醛树脂覆膜砂壳芯的工艺方案。为保证铸件内腔尺寸精度，每个气道设计为一个整体砂芯，则有1#、2#砂芯。3.2尺寸控制 3.2.1模具尺寸 芯盒表面工作精度为CTl一CT3级，粗糙度Ra1.61m； 模型工作表面精度为：凸体CTl一CT2级；凹体CTl一CT2级，粗糙度Ra1.61m3.2.2形状尺寸 为使砂芯在浇注时不发生水平和垂直移动，方法是： 设置3群砂芯。即：现生产中，当1#、2#砂芯下人铸型后，使用3#芯将芯头压紧，使之不发生水平移动。 合箱前，在1#、2I砂芯顶部放置镀锌芯撑，防止砂芯在垂直方向移
6、动。3.3浇冒系统 采用封闭式浇注系统，F内：F横：F直=1：1.27：1.5(其中，F内=10.56cm2，F横=13.44 cm2,F直=15.89 cm2)。对螺栓搭子处热节和增压器口热节，分别设置小暗冒口4个(DRHR=4560mm)、暗边冒口2个(DRHR=6070mm)。其它热节，利用均衡凝固技术处理。3.4造型方法 自硬呋喃树脂砂采用含泥量耋0.2、粒度0.150.30mm的天然石英擦洗砂、低氮呋喃树脂、磷酸等原材料。设备使用碗形混砂机，配砂工艺：天然石英擦洗砂+固化剂一混砂t1低氮呋喃树脂一混砂t2出砂。铸型尺寸为730550100100mm，每型2件，使用振实台和手工相结合的
7、造型方法。3.5制芯方法 使用抗脱壳性能好的普通成品覆膜砂。使用K87制芯机，1撑砂芯每盒2件，2#、3渺芯每盒各1件。对出芯困难的砂芯弯管处，采用活块；对砂流不畅部位，采用开排气槽等方法，以便得到致密、结壳良好的砂芯。4 关键生产技术4.1 选用特定炉料 电炉熔炼，炉料是有害元素的主要来源，如铁液中促进珠光体元素、强形成碳化物元素、强促进碳化物形成元素等超过临界值，加之球墨数量少等，均会造成铸铁中珠光体量超标，并出现一次碳化物。因而，须选用特定质量的炉料，从根本上减少有害元素的影响。4.1.1生铁 彻底取消高Mn、高P、高S及高有害微量元素的某钢厂生铁，全部改用低Mn、低P、低s及低有害微量
8、元素的某厂生铁，其化学成分为()：4.34.5C；0.951.1Si；0.15Mn；0.040P；0.02S；0.0095Cr；0.018Cu；0.0075Ni；0.0005Sb；0.0013As；0.0005Sn；0.0005B；0.04Ti；0.0005Pb; 0.001Te。4.1.2废钢 外购废钢中易混入合金、镀铬等废钢，如使用，后果不堪设想。故专门选定具有鲜明特点、易于分清混入镀铅钢板的公司内某厂小块散状废钢作为专用废钢。其化学成分为()：0.370.5C；0.210.37Si；0.25-0.45Mn；0.035P；0.035S；0.2Cr；0.2Cu；0.2Ni。4.1.3回炉料
9、外购回炉料牌号混杂，公司内其它回炉料中含有锡、铜、铬。因此，限制只使用排气歧管产生的回炉料，对其实行封闭管理，做到专料专用。 4.1.4硅铁 以前曾使用当地FeSi75硅铁，它的不足是： 含Ti量在0.95左右； 有害作用显著的元素Pb，有时含量高达0.1。故将专门采用低Ti、Pb、Cr、Cu、Ni、Sn碳素废钢生产的FeSi75Al1.5低铝硅铁作为选用对象。4.2使用专用球化剂、孕育剂4.2.1专用球化剂 某地产的：FeSiMg8RE5稀土镁硅铁合金作为球化剂，不足是： 不具有专用性； 稀土元素含量高达5左右，波动范围宽(1)； 有害元素Ti含量在0.95以上； 稳定促进珠光体元素Mn含量
10、高达4以上； 稀土元素中，Ce占比例高达52，而La所占比例相对较低； 延长球化效果的作用不强； 显著增加球墨数量的元素不足。针对这些，探讨了Mg、Ce、La、Ca、Ba、Bi、Al等元素在球铁中的多重作用，在某地产稀土镁硅铁合金的基础上，采取了扬长避短的思路，研究开发出一种新型高长效复合专用球化剂，作为排气歧管的专用球化剂，彻底取代了某地产稀土镁硅铁合金。4.2.2专用孕育剂 FeSi75硅铁作为功能单一的石墨化孕育剂，存在缺陷是： 不含延长孕育效果的元素； 不含显著增加球墨数量的元素； 也不含有补充球化的元素。对此，措施之一是将专门采用低Ti、Pb、Cr、Cu、Ni、Sn碳素废钢生产的Fe
11、Si75Al1.5低铝硅铁作为一次孕育剂的选用对象。之二是开发出一种多功能高效随流(浇注)孕育剂，作为专用孕育剂。4.3优化设计铁液化学成分 众所周知，在砂型种类、浇注等工艺一定时，铁液的化学成分决定铸铁的金相组织和机械性能。因此。须优化设计铁液化学成分。4.3.1碳当量 含硅量较高时，较高碳当量的铁液具有形成高铁素体含量的倾向，特别是高碳当量的铁液可减少铸件薄壁处的共晶碳化物，还可提高球墨数量。我们的实践证明，排气歧管碳当量5.2时出现石墨漂浮，碳当量5.0时出现开花状石墨。因而在不出现石墨漂浮和开花状石墨的前提下，最佳碳当量为4.6-4.9。4.3.2化学成分 碳含碳量增加，石墨球的容积、
12、球墨数量、铁素体数量都在增加。高碳时，共晶碳化物很难形成。但t23.5、碳当量4.3，出现石墨漂浮的危险性较大。根据经验，碳量为：3.64.0。 硅随硅增加，不易出现共晶碳化物，促进形成铸态铁素体，减少珠光体。但高硅可导致在室温拉伸载荷下发生脆性断裂。因此，在不发生石墨漂浮、开花状石墨和室温脆性断裂前提下，选择硅量为：2.8一3.3。 锰当含锰量增加，铸态更易出现共晶碳化物；锰促进形成珠光体，并使珠光体含量增加；锰强烈地促进一次和二次渗碳体的稳定性。因此，Mn0.2，甚至Mn0.15。 磷磷属有害元素，它促进在共晶团边界形成磷化铁碳化铁。而在铸态球铁中磷超过0.05时延伸率大幅度下降。因而P0
13、.03，在镁量不变时，会促使石墨球形恶化。但当铁液中硫0.005时，通常会出现石墨球化率降低和碳化物增多的现象。因而原铁液中的含硫量效果最佳的范围是：0.0080.02。故选择S0.02。 镁是强球化元素，可使石墨在结晶时球化，还具有脱硫脱氧去气的作用。铁液中Mg残过低，球化不良；过高，促使在球墨间形成游离渗碳体。根据经验，Mg残为：0.03-0.05。 稀土主要作用是：细化石墨、强化基体、抵消反球化元素的作用。但稀土残留量过大，使石墨球形恶化，白口倾向增大。根据多年生产经验，残留稀土量为：0.025一0.045。 44采用定量加入技术 经过多次生产试验，最佳的铁液化学成分波动范围为()：3.
14、64.0C；2.83.3Si终；0.2Mn；0.045P；0.02S；0.02Cr；0.02Cu；0.030.05Mg；0.0250.045Re。此范围很窄，从配料到浇注流孕育，每道工序采用定量加入技术，严格控制。即： 每种炉料均有准确的检验数据，按配比进行详细计算，反复核算，准确称量后加入炉内。每炉加入炉料500kg。 每炉炉料全部熔化为铁液搅拌均匀后，取样首检C、Si、Mn、P、S、Cr、Cu、Ni。 根据首检结果，经计算后准确补加生铁、废钢、回炉料、硅铁中的一种或几种。 补加炉料完毕，待铁液搅拌均匀后，取样复检C、Si、Mn、P、S、Cr、Cu、Ni，如果仍不合格，进行二次补加炉料，直至
15、调整到工艺范围。4.5球化技术 (1)使用容量500kg球化包，采用凹坑冲入法。 (2)专用球化剂用量为1.2-1.3，为确保球化良好，固定加入量为1.3，每包铁液所需球化剂量按每炉炉料总质量计算，准确称量元误后：倒入球化包凹坑，扒平；加盖QT42015铸铁板；覆盖FeSi75A11.5硅铁孕育剂。 (3)球化温度过高，球化剂烧损严重，吸收率低，易出现球化不良；而过低，球化剂不能充分熔解、吸收，同样会出现球化不良现象。经多次试验，最佳球化温度为14901510。 (4)进行球化时，首次出炉铁液总量的45左右，球化反应完毕，立即补加剩余铁液，铁液总量由电子秤显示，按工艺定量加入包内。 (5)铁液
16、出炉完毕，快速扒渣后，立即在铁液表面撒入规定用量的膨胀珍珠岩粉。4.6 特殊孕育技术 进行有效孕育能够消除Mg、Ce等促进碳化物作用，可以减少白口倾向，增加球墨数量、促进形成更圆整的球墨。故采用特殊孕育工艺。4.6.1一次(球化包)孕育 在加入球化剂的同时加入FeSi75A11.5硅铁作为一次孕育剂，可使铁液得到充分均匀的孕育。但硅铁块度过小，溶解快，孕育不充分；过大，会出现未完全熔解，易造成夹渣。经试验，合适块度为818mm，加人量为0.40.5，并按人库检验报告和终硅量经严格计算、准确称取后加入。4.6.2随浇注流孕育 硅铁在刚熔解于铁液时，孕育效果几乎立刻达到最大值，如随后铁液静止5分钟
17、，孕育效果会衰退50以上。而随浇注流孕育能够消除包内孕育的衰退，并能更有效地防止薄壁区碳化物的形成。排气歧管采用的专用孕育剂，比硅铁多含显著增加球墨数、强烈形核、强补充球化、延长孕育效果的元素，故在浇注过程中，采用漏斗法使专用孕育剂均匀、定量随铁液浇注流加入，加入量为0.10.13，并实行每班专人负责孕育。4.7浇注技术 (1)铸件绝大壁厚4mm左右，个别壁厚3mm，浇注温度过低，易出现浇不足、冷隔等缺陷；而浇注温度过高，珠光体、渗碳体量增加。经试验，最佳浇注温度为1360一1420； (2)浇注前，迅速扒净铁液表面浮渣；浇注时使铁液始终充满浇口杯，保持连续、快速、平稳地浇注，并实行每班专人浇
18、注。 (3)每箱浇注时间8s一10s，每包铁液浇注时间控制在6min以内；坚持做到铁液温度超工艺范围的不浇注，1360铁液进行回炉。5 大量生产结果 (1)通过采用上述关键生产技术，最终实现了大批量铸态工艺生产。任意选取不同月份共5炉次排气歧管力学性能检验结果详见表2。从表2可知，排气歧管的实际力学性能高于铸态件技术标准。 (2)铸态排气歧管金相组织如图2所示，其铁素体基体99，珠光体1，渗碳体为零；其石墨形态为2级，石墨大小为6级。任意抽查不同月份共5炉次铸态件的金相组织状况，抽查结果详见表3。从图2、表3可知，所有金相组织均达到铸态件技术标准。 (3)进口康明斯6BT排气歧管的金相组织如图
19、3所示，其铁素体98，珠光体2，渗碳体为零。将国产铸态排气歧管组织、性能与进口康明斯6BT排气歧管及康明斯技术标准进行对比(见表4)。可见：我公司的铸态排气歧管的组织、性能完全达到康明斯公司的技术标准，金相组织优于进口的康明斯6BT排气歧管。 (4)将上述关键生产技术推广应用到我公司的康明斯6BT、4BT排气歧管等铸件上，教果是：铸态铁素体基体为99以上，渗碳体为零；球化级别为1级一2级，石墨大小为6级7级；铸件机械性能达到QT42015以上。另外，将此推广应用到我公司的EQl092F后轮毂(QT420一10)、EQll41G (QTS005)等9种球铁件上，其金相组织、机械性能均达到技术要求
20、。而且，连续统计6个月，皮下气孔从11.84降为0.4，3个月后接近于零；球化衰退从4.23降为0.4，3个月后接近于零。6 结论 (1)综上所述，通过选用特定炉料，使用专用球化剂、孕育剂，优化设计铁液化学成分，采用定量加入技术、特殊孕育技术，严控球化处理、铁液浇注等关键生产技术，大批量生产出薄壁铸态全铁素体球铁铸件。 (2)新型高长效复合专用球化剂(由江苏宜兴市稀土材料厂生产)，具有促进铁素体增加、抑制白口倾向、提高球化率、增加球墨个数等效果显著的特点，并具有高效的优点。 (3)本工艺也适用于电炉熔炼、高温低硫铁水生产的QT40018、QT42010、QT42015、QT450一10等牌号薄壁铸态铁素体球铁件，建议有关厂家采用。