曲軸輪轂鑄造生產(chǎn)工藝分析

（東風(fēng)鍛造有限公司鑄造二廠，湖北 十堰 442050）

1 曲軸輪轂生產(chǎn)技術(shù)狀況

1.1 鑄件結(jié)構(gòu)

曲軸輪轂單重5.75 kg，結(jié)構(gòu)如圖1 所示，在HWS 線上生產(chǎn)，冒口位置只能定在圖中大圓位置。鑄件不能有缺陷，故冒口的補(bǔ)縮效果要達(dá)到鑄件內(nèi)部。根據(jù)鑄件結(jié)構(gòu)在中間圓柱位置最易出現(xiàn)縮松，并且圖1 中圓圈位置會(huì)由于截面較小從而先凝固，從而導(dǎo)致圓柱位置出現(xiàn)縮松、縮孔。

1.2 技術(shù)條件

1）鑄件全尺寸加工，鑄件加工后，所有的孔、內(nèi)部、表面均不能有任何缺陷。該件要加工的孔達(dá)15個(gè)以上。

2）鑄件正火處理，硬度達(dá)到HBW170-240.

3）加工后局部表面淬火。

圖1 鑄件結(jié)構(gòu)與缺陷位置

4）鑄件抗拉強(qiáng)度、延伸率均要達(dá)到QT450-10的要求。

1.3 生產(chǎn)工藝分析

該件之前由其他鑄造廠生產(chǎn)，反饋該件縮松廢品達(dá)到50%，我廠初期設(shè)計(jì)將縮松問題作為主要問題，在冒口和澆注系統(tǒng)設(shè)計(jì)上多方案設(shè)計(jì)，并采用華鑄鑄造模擬軟件模擬分析設(shè)計(jì)方案，最終選擇最優(yōu)方案。該件在HWS 線上可布32 件。

分析該件圖紙，鑄件易出現(xiàn)縮松缺陷，如果用QT450-10 牌號(hào)生產(chǎn)，后期需要正火處理才能達(dá)到硬度要求。如果采用QT500-7 高牌號(hào)生產(chǎn)硬度可以達(dá)到HBW170-240，但是鑄件縮松問題難以解決。經(jīng)過綜合分析，決定采用QT500-7 高牌號(hào)生產(chǎn)，可以省去正火處理，毛坯硬度可達(dá)到圖紙要求，生產(chǎn)中重點(diǎn)解決的問題是鑄件縮松問題。

2 生產(chǎn)工藝設(shè)計(jì)與生產(chǎn)

2.1 生產(chǎn)工藝設(shè)計(jì)

該件最初方案采用了一型32 件，在熱節(jié)位置采用冷鐵來改善縮松、縮孔傾向。為提高工藝出品率，設(shè)計(jì)4 件共用一個(gè)冒口的方案。采用過濾網(wǎng)和澆注系統(tǒng)變截面控制澆注速度和改善夾渣等缺陷。工藝方案與澆冒口結(jié)構(gòu)如圖2 所示。

圖2 鑄件澆注系統(tǒng)與冒口設(shè)計(jì)草圖

該方案設(shè)計(jì)考慮后期生產(chǎn)若出現(xiàn)縮松問題后的預(yù)處理方案，將模型設(shè)計(jì)為可上下?；Q，便于后期進(jìn)行修改。冷鐵位置如圖3，目的是縮短冒口的補(bǔ)縮距離。

關(guān)于材質(zhì)方面，根據(jù)工廠經(jīng)驗(yàn)和鑄件結(jié)構(gòu)，暫定按照現(xiàn)有QT500-7 生產(chǎn)。通過對(duì)成分中Mn 進(jìn)行控制，保證達(dá)到要求。具體參數(shù)如表1 所示。

喂絲球化時(shí)，喂絲加入量為鐵水重量的0.65%，喂絲孕育時(shí)，珠光體孕育包芯線喂絲加入量為鐵水重量的0.40%.

圖3 鑄件下冷鐵位置

前兩次調(diào)試，解剖32 件（一整箱）均未發(fā)現(xiàn)縮松縮孔缺陷。鑄件硬度在HBW190 左右，延伸率在10%以上。滿足客戶要求，提交樣件，加工驗(yàn)證沒有問題。隨后按照該工藝進(jìn)行小批量生產(chǎn)驗(yàn)證。通過大量抽檢發(fā)現(xiàn)硬度不符合要求，基本在HBW150～170 范圍。通過分析決定對(duì)材質(zhì)進(jìn)行改善以滿足硬度要求。

表1 QT500-7 爐前成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%）

2.2 硬度提高方案

目前生產(chǎn)所用材質(zhì)為QT500-7 孕育處理工藝，分析硬度低于HBW170 的原因可能是珠光體含量偏低，故決定提高孕育絲加入量。將孕育包芯線喂絲加入質(zhì)量分?jǐn)?shù)從0.4%提高到0.5%.驗(yàn)證后發(fā)現(xiàn)鑄件硬度達(dá)到了HBW170～240，但是在解剖的32 件中還發(fā)現(xiàn)縮松問題。分析原因是孕育絲含量提高，孕育絲中含有Sb，該元素對(duì)硬度提高非常明顯，但是合金元素的提高也增加了鑄件縮松傾向。故考慮采用不加孕育絲工藝，通過提高Cu 的質(zhì)量分?jǐn)?shù)來提高硬度，調(diào)整后的化學(xué)成分如表2 所示。同時(shí)，為了保證鑄件無縮松問題，將碳當(dāng)量也適當(dāng)提高。

表2 QT500-7 非孕育絲工藝爐前成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%）

調(diào)整材質(zhì)化學(xué)成分后試生產(chǎn)發(fā)現(xiàn)鑄件硬度還是偏下限，但鑄件解剖均未發(fā)現(xiàn)縮松問題。結(jié)果說明提高碳當(dāng)量可以降低鑄件出現(xiàn)縮孔縮松的風(fēng)險(xiǎn)，提高Cu 的質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)提高鑄件硬度效果不明顯。

為提高硬度，只能通過加入促進(jìn)珠光體含量的合金元素，其中Mn、Cu 和Ni 均能增加珠光體含量，生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)證明Ni 的效果較Mn、Cu 更明顯。結(jié)合調(diào)試生產(chǎn)，對(duì)材質(zhì)的化學(xué)成分又進(jìn)行了調(diào)整，調(diào)整后的成分見表3，在表2 的基礎(chǔ)上增加了Ni 的質(zhì)量分?jǐn)?shù)。Mn 的質(zhì)量分?jǐn)?shù)控制在0.35%～0.4%，Cu 質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.35%～0.4%，Ni 質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.3%～0.4%.

表3 QT500-7 非孕育絲工藝+N 后材質(zhì)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%）

按照該工藝生產(chǎn)，結(jié)果表明，鑄件硬度達(dá)到200以上，但是解剖發(fā)現(xiàn)縮松缺陷，比例在30%左右。說明采用提高促珠光體形成的元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)確實(shí)能起到提高鑄件硬度的作用。分析產(chǎn)生縮松缺陷的原因認(rèn)為是由于Ni 質(zhì)量分?jǐn)?shù)的提高增加了鑄件的縮松傾向。

對(duì)合金元素再次進(jìn)行調(diào)整，主要是對(duì)Ni、Mn、Cu 的質(zhì)量分?jǐn)?shù)進(jìn)行了調(diào)整。對(duì)Mn、Cu 含量進(jìn)行多次不同含量調(diào)試，最終摸索出了適合該件生產(chǎn)的材質(zhì)成分，并且讓材質(zhì)對(duì)縮松的影響降到最低，具體見表4.

表4 適合生產(chǎn)輪轂的材質(zhì)化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%）

該工藝調(diào)試驗(yàn)證后，縮松比例在15%左右，硬度達(dá)到HBW210 以上。

2.3 通過澆注系統(tǒng)及冒口設(shè)計(jì)解決縮松問題

在前期開發(fā)中，暫定了用下冷鐵來降低縮松傾向，通過分析發(fā)現(xiàn)，由于冷鐵的加入加快了補(bǔ)縮通道的阻斷，反而會(huì)使孤立熱節(jié)提前出現(xiàn)。通過分析決定將部分鑄件不下冷鐵再進(jìn)行試驗(yàn)，驗(yàn)證不下冷鐵對(duì)鑄件縮松的影響。通過兩次調(diào)試，驗(yàn)證不加冷鐵的確縮松傾向減小。故將所有鑄件冷鐵模型去除，采用不下冷鐵工藝。

在澆注系統(tǒng)上，增加內(nèi)澆道截面積，由400 mm2提高到500 mm2，以提高澆口對(duì)鐵水的補(bǔ)縮（具體修改方案不在此具體說明）。

為保證產(chǎn)品能大批量生產(chǎn)，在鑄件結(jié)構(gòu)上做了些改變，增大易斷流位置補(bǔ)縮通道的面積，進(jìn)一步提高冒口補(bǔ)縮效果。

2.4 局部修改鑄件結(jié)構(gòu)改善縮松問題

從圖1 可以看出鑄件縮松原因主要是由于中間部分壁太厚而與其相連接的位置亦即圓圈位置的面積較小，在凝固過程中過渡處易提前凝固，導(dǎo)致鑄件內(nèi)部出現(xiàn)縮松。通過對(duì)冒口的分析，所設(shè)計(jì)的冒口尺寸滿足該件的補(bǔ)縮要求，并且加大冒口頸尺寸，增大冒口補(bǔ)縮效果，均不能完全消除縮松問題。

通過與加工廠協(xié)商，考慮該件全尺寸加工，決定在局部修改鑄件結(jié)構(gòu)，以增大補(bǔ)縮面積。在原有模型的基礎(chǔ)上具體制定了4 種修改方案，見圖3.

通過解剖和加工驗(yàn)證，圖3a）方案效果最好，并且沒有發(fā)現(xiàn)縮松缺陷。為了更好的保證鑄件不縮松。根據(jù)調(diào)試驗(yàn)證，將縮松鑄件模型修改，具體見圖4.修改后補(bǔ)縮通道加大，冒口可以補(bǔ)縮鑄件內(nèi)部，使得鑄件實(shí)現(xiàn)從下到上，從內(nèi)部到冒口處的順序凝固，可以消除縮松問題。

3 生產(chǎn)方案確定

通過多批次調(diào)試驗(yàn)證后，最終確定了產(chǎn)品材質(zhì)，結(jié)合鑄件結(jié)構(gòu)修改和工藝改進(jìn)，可以保證毛坯機(jī)械性能和硬度達(dá)到要求，鑄件無任何缺陷。

圖3 鑄件結(jié)構(gòu)修改方案

圖4 修改后鑄件結(jié)構(gòu)

在生產(chǎn)方案確定后，兩個(gè)批量生產(chǎn)驗(yàn)證，鑄件硬度在HBW220 左右，基本在中上線，為此對(duì)材質(zhì)再次進(jìn)行調(diào)整，以保證硬度不超過上線。

3.1 爐料配比調(diào)整

調(diào)整后的爐料配比見表5.

表5 爐料配比（質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%）

3.2 爐前化學(xué)成分

調(diào)整后的爐前化學(xué)成分見表6.

表6 爐前化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%）

3.3 工藝特殊要求

1）鐵水出爐后，需要在鐵水表面加浮硅，加入質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.25%，牌號(hào)為Si75Al2.0-C；

2）喂絲球化時(shí)，喂絲加入量為鐵水重量的0.65%；

3）若需使用增碳劑，采用高純石墨增碳劑。

在后期生產(chǎn)中，均按照該工藝進(jìn)行，在三個(gè)月的生產(chǎn)中，根據(jù)加工廠反饋，鑄件硬度均未出現(xiàn)不滿足要求情況，料廢基本控制在3%.

4 結(jié)語

1）通過在QT500-7 材質(zhì)的基礎(chǔ)上對(duì)合金元素的調(diào)整，實(shí)現(xiàn)了鑄件本體硬度達(dá)到HBW170～240，延伸率＞10%，保證了不進(jìn)行正火處理，毛坯達(dá)到硬度和機(jī)械性能的要求，省去了正火工序。

2） 該鑄件由于壁較厚所以易出現(xiàn)縮松，而QT500-7 材質(zhì)本身較QT450-10 縮松傾向大，實(shí)際生產(chǎn)表明通過微調(diào)鑄件結(jié)構(gòu)、設(shè)計(jì)合理的材質(zhì)化學(xué)成分、設(shè)計(jì)合理的澆注系統(tǒng)、冒口，同時(shí)控制好爐料配比可以生產(chǎn)出滿足性能要求的鑄件。