admin 百科大全 2023-03-19 23:18:03

QT950曲轴的工艺改进

编辑导语：针对铁型覆砂曲轴下箱冷隔缺陷进行了分析，认为铁液浇注温度低、浇注速度慢、浇注时断流、浇注系统设计不合理等是形成冷隔缺陷的原因。通过设计“U”型浇注包包嘴，包衬改用保温材料，改进浇口杯与浇口窝形状，减少球化剂、孕育剂的加入量，提高浇注温度等措施减少缺陷。改进后，铸件冷隔废品率由0.27降低到0.1%以下。

随着铁模覆砂铸造技术的发展以及装备制造业对铸件质量要求的不断提高，铁模覆砂工艺在球墨铸铁的生产中应用越来越广泛，特别是曲轴。铁模覆砂工艺是在与铸件对应铁型型腔内覆上一层覆膜砂薄壳而形成铸型的铸造工艺，它兼顾了金属型和壳型铸造的优点。金属型具有足够大的刚性，覆砂层薄且强度高，可以抵御石墨析出带来的膨胀，使铸件更致密，实现无冒口铸造；快速冷却使铸件石墨球更加圆整、细小、分布更均匀，该工艺生产的曲轴尺寸精度高、造型材料少，废品率低。

曲轴的外观品质和内在成分要求都比较高，笔者公司在曲轴实际生产中，遇到了下箱冷隔缺陷，严重影响铸件质量。先就下箱冷隔提出一些分析及解决措施，给同行分享一些生产中的实战经验。

1 曲轴冷隔缺陷

冷隔的严重程度分为三种，最轻微的冷隔仅在表面上形成凹坑或皱纹，其次是光滑圆边的未贯穿缝隙，最严重是形成贯穿缝隙，如图1所示。

图1 冷隔的分类

四缸机曲轴总长为652 mm，，基本尺寸如图2所示。单件重量37.5 kg，牌号为QT950-4，采用2 t中频电炉熔炼，原料配比（质量分数）为：废钢75%～85%，回炉料15%～25%；碳化硅0.6%～1%。铁液化学成分要求见表1，表2。

图2 曲轴的基本尺寸

表1 原铁液化学成分（质量分数，%）

表2 终铁液化学成份（质量分数，%）

曲轴采用铁型覆砂工艺生产，一模两件，直浇道与横浇道一体铸成，内浇口开设在第二、第三扇板上，浇道设计如图3所示。

（a）上模

（b）下模

图3 浇道设计图

冷隔缺陷出现在远离浇口的大头、小头、第一扇板、第四扇板的下箱表面上，在扇板上呈“月牙”状的光亮带，熔合区域为凹坑皱纹或未贯穿缝隙，如图4曲轴冷隔缺陷图所示。每包铁水浇注七箱曲轴，箱数越靠后冷隔痕迹越大。

图4 曲轴冷隔缺陷

2 原因分析

产生冷隔主要是因为铁液浇注温度低、浇注速度慢、浇注时断流、浇注系统设计不合理等原因，造成铁液流动性差，充型速度太慢而形成冷隔缺陷。

区别于传统的铸件顶部冷隔，铁型覆砂铸造曲轴的冷隔出现在下箱，分析认为主要是有一部分铁液先进入铸型，后续铁液不连贯，导致两部分铁液未完全熔合到一起，不仅是浇注温度、浇注速度的影响，还有浇包保温效果、曲轴浇注工艺等的影响。

从浇包结构、包衬料方面考虑，现有浇注速度慢，浇注不稳定，浇包保温性能不好，温度损失过快而导致冷隔；

从浇注系统的设计方面考虑，直浇道静压头小，各浇道截面积设计不合理，使得充型速度慢导致冷隔；

从浇注工艺参数方面考虑，浇注温度区间设计不合理，出铁量和浇注箱数不匹配温降曲线。

3 解决措施

3.1 浇包和包衬材料的改进

（1）优化浇包嘴结构，浇注过程中，在对准浇口杯时，浇注液流弧线晃动会导致泼洒飞溅，使先入型腔铁液与后入型腔铁液不连贯，导致下箱冷隔。将浇包嘴修筑成“U”型，“U”型浇嘴的铁液倾倒弧度固定，不会随浇注箱数和铁液量的减少而改变，类似于“茶壶嘴”倒水。此措施极大地减少了对准浇口杯的带来时间损耗，浇注稳定，单包浇注时长减少了30~40 s，“U”型浇嘴外貌如图5所示。

图5 “U”型浇嘴

（2）增加浇包高径比，使浇包内腔为瘦高柱状，减少铁液与空气的接触面积，减少降温，同时高径比大的浇包有利于球化反应。

（3）从筑包材料和筑包方法两方面提高浇包的保温性能，自制保温包的包衬料如下，包壁→陶瓷纤维纸→纳米板→耐火砖→浇包料，每层之间使用耐火泥粘接或勾缝，使用此包衬料的保温包与普通包的温降对比见表3。选择出铁前温度相近的浇包作为测量对象，浇注时测量首浇温度与末浇温度，计算单箱浇注温损。

表3 普通包与保温包的单箱温损

保温包与普通浇包单箱温损相差约2.2 ℃，保温材料的使用提高了浇包的保温性能，每包铁液至少节约15 ℃。

3.2 浇注系统的改进

（1）改进浇口杯

传统漏斗形浇口杯，易造成水平漩涡，加大了卷气的风险，使得铁水氧化流动性差，同时旋涡使铁液分股充型，先入型铁液与后入型的铁液导致曲轴形成下箱冷隔。为此调整优化使用的热芯盒覆膜砂浇口杯。

①优化浇口杯内壁形成“倒钟”型，防止铁液形成水平旋涡，铁水成股流入直浇道；浇口杯是直浇道顶部的扩大部分，增加浇口杯高度，可以提高铁液静压力，增加充型速度。

②增加浇口杯壳层厚度，增加浇口杯保温能力，使得浇口杯最后凝固，持续补缩能力增强，平衡铸型内的温度差，从而减少冷隔的产生，浇口杯优化对比如图6所示。

图6 改进前后的浇口杯

（2）改进浇口窝

铁液对直浇道底部有强烈的冲击作用，并产生涡流和紊流区，设置直浇道浇口窝可改善铁液的流动状况，浇口窝有缓冲作用；缩短直浇道一横浇道拐弯处的高度紊流区；改善内浇道的流量分布；减小直浇道一横浇道拐弯处的局部阻力系数和压头损失；注入型内的最初铁液中，常带有一定量的气体，在直浇道窝内可以浮出去。为此，将原直径为50 mm的半球浇口窝加大成直径为60 mm的，铁液在浇口窝内积蓄并成股流入横浇道。

（3）改进浇道

浇注系统各组元截面比例为ΣS直∶ΣS横∶ΣS内=3: 2.8: 1，为避免直浇道截面积过大而不能形成“充满式流态”，从而导致曲轴下箱冷隔，且铁模覆砂工艺的铸件极易形成微小夹渣，在无冒口情况下，浇注系统要考虑对铁液的净化，因此曲轴浇注系统设计成半封闭式，过滤网安放于横浇道内，将直浇道缩小，此时浇注系统各组元截面比例为ΣS直∶ΣS横∶ΣS内=2: 2.8: 1。曲轴浇道改进前如图7所示，改进后如图8所示。