一种薄壁铸件的生产工艺.pdf

圆园24/2现代铸铁收稿日期：2023-11-14修订日期：2024-03-26作者简介：田辉（1985.4），河北保定人，毕业于江苏大学材料加工工程专业，主要从事铸铁和铸钢工艺研究工作。一种薄壁铸件的生产工艺田辉，莫俊超，王今胜，王凯，赵文俊（常州中车汽车零部件有限公司，江苏常州213000）摘要：介绍了薄壁控制臂铸件的结构及技术要求，详细阐述了该铸件的原铸造工艺及存在的铸件冷隔及砂芯断裂等问题。结合 MAGMA 数值模拟软件对控制臂的铸造工艺进行模拟分析，确定了最终的铸造工艺。通过控制浇注温度、浇注时间，改进浇注系统等工艺改进措施，消除了铸件的冷隔缺陷。通过提高树脂含量，增加烘干工序等，提高了冷芯强度，消除了砂芯断裂问题。采用废钢增碳工艺，调整硅含量，提高了铸件的低温冲击性能。关键词：球墨铸铁；薄壁铸件；冷隔；低温冲击性能中图分类号：TG255文献标志码：粤文章编号：员园园猿原愿猿源缘（圆园24）园2原园园11原06Production Technology of a Thin Wall CastingTIAN Hui，MO Jun-chao，WANG Jin-sheng，WANG Kai，ZHAO Wen-jun（Changzhou CRRC Auto Parts Co.,Ltd.，Changzhou213000，China）Abstract：A introduction was made to structure and technical requirements of a thin wall control arm，a detail description wasmade to the original casting production technology and the casting defects including cold shut and sand core breaking.Combined with using MAGMA numeral simulation software to simulate the casting technology of the control arm，the finalcasting technology was determined.Through technology improving measures including controlling pouring temperature，pouringtime，improving gating system.The cold shut defect of the casting was eliminated.By increasing resin content，adding dryingprocess，to elevate the strength of cold box sand core，the sand core fracturing problem was eliminated.By using steel straprecaburizing process，adjusting Si content，the low temperature impact property was increased.Key words：nodular iron；thin wall casting；cold shut；low temperature impact property控制臂作为汽车底盘悬架的重要组成部分，具有导向、承载等重要功能。整车对控制臂在刚度、强度、疲劳、NVH 方面均有非常严格的要求1原2。控制臂形状复杂，尺寸要求精度高，内部呈空腔，是典型的薄壁铸件，铸件外形尺寸 450 mm伊200mm伊300 mm，单重约 11 kg，主要壁厚约 10 mm，最小壁厚 4.5 mm，如图 1 所示，具有很大的成型难度。由于在充型过程中薄壁部位铁液温度降低较快，很容易在薄壁的位置形成铸造冷隔缺陷，因此，对浇注温度和浇注速度有严格要求。由于此零件可能会应用在温度较低的区域，所以对低温冲击韧性也提出了严格要求，铸件整体在-40益下要承受逸1 400 J 的冲击功。考虑到经济性，铸件的砂芯采用三乙胺冷芯盒法来生产。砂芯是靠 3 个芯头来定位的，如图 2 所示。图 1控制臂三维模型Fig.13D model of control armNodular Iron11现代铸铁 圆园24/21工艺分析1.1工艺要求分析控制臂铸件的材料牌号为 QT400-15，其金相组织和力学性能要求如表 1 所示。由表 1 可见，铸件对球化率和基体组织要求较高，但球化效果和铁素体体积分数的要求也是能够使铸件达到低温冲击、强度、韧性的必要条件。结合铸件自身结构特点和铸造生产线的特点，控制臂铸件安排在 KW 线上进行调试生产。1.2原铸造工艺设计考虑到铸件尺寸和 KW 线的型板尺寸，采用一型 4 件造型。为保证浇注系统的避渣效果和铁液的充型过程平稳，采用半开放式浇注系统。各组元的截面积比为 撞F直:撞F横:撞F内=1:0.87:3.58，直浇道直径为 45 mm。根据铸件本体结构和其热节分布，单个铸件设计 2 个55 mm 的热冒口和一个30 mm 的冷冒口，如图 3 所示。铸件属于薄壁铸件，开始浇注温度控制在 1 440 益左右，充型速度约 69 kg/s。1.3数值模拟分析1.3.1充型过程模拟分析此工艺方案为一型 4 件，结构具有对称性，为了节省计算时间，故采用模型的 1/2 进行模拟分析，如图 4 所示，在充型过程中铁液整体流动平稳，型腔内充型速度均小于 0.5 m/s，无明显紊流现象。但是由于铸件的肩部壁厚较薄，仅为 4.5mm，所以铁液在铸件的肩部冷却较快，在此部位出现冷隔的倾向较大。1.3.2凝固过程模拟分析控制臂铸件热节分布相对分散，从凝固过程图 圆砂芯三维模型Fig.圆3D model of sand core项目要求值球化等级/级6球化率/%90铁素体体积分数/%90抗拉强度/MPa400屈服强度/MPa270伸长率/%15-40 冲击功/J1 400表 1铸件的金相组织和力学性能要求Tab.1Metallurgical structure and mechanical properties requirements of casting图 3浇注系统工艺方案Fig.3Technology scheme of gating system图 4充型过程模拟结果Fig.4Simulating result of mold filling process（a）开始充型（b）充型 75%（c）充型 100%球墨铸铁Nodular Iron12圆园24/2现代铸铁炉前目标C3.803.903.603.80Si1.601.702.602.80Mn0.10.30.10.3P0.050.05S0.020.02Mg-0.0250.050Cu0.200.20Cr0.050.05表 2原化学成分Tab.2Former chemical compositionswB/%wB/%分析来看，铸件能够实现顺序凝固（如图 5 所示），冒口对铸件能够实现有效补缩，保证了铸件内部无缩孔缺陷产生。2试验验证2.1工艺生产调试按照上述工艺在 KW 生产线上进行试验验证，浇注机为瑞士 FOX25 浇注机。浇注过程参数如表 2 所示。第一次试制浇注 5 箱，开始浇注温度为 1 436 益，单型浇注时间为 1719 s。在浇注过程中浇注时间较模拟的时间相比略长，导致部分在铸件肩部产生了冷隔缺陷，还有一部分零件在铸件肩部产生了铸痕，分析表明冷铁液和温度较高的铁液在肩部汇聚，所以形成冷隔或铸痕。冷隔部位和模拟中最容易出现冷隔的位置完全吻合，如图 6 所示。调试过程中还发现芯头断裂的现象，如图 7 所示。芯头断裂会直接导致砂芯本体上浮，导致铸件报废。2.2浇注系统工艺改进控制臂铸件属于典型薄壁铸件，对充型时间要求较高，为提高浇注时间，稳定浇注过程，故将半封闭式浇注系统改成开放式浇注系统。开放式浇注系统阻流截面在直浇道上，充型平稳，对型腔冲刷力小，但挡渣能力稍差3。改进后的横浇道如图 8 所示，更改后各截面的比例为 撞F直:撞F横:撞F内=1:1.31:3.58。2.3制芯工艺改进砂芯的芯头断裂主要原因是砂芯受到充型铁液的强大浮力作用，芯头受到垂直方向的剪切力，砂芯的剪切强度偏低导致断裂。将含量为 1.3%、1.6%、1.8%的树脂（组分玉:（a）凝固率 15%（b）凝固率 75%（c）凝固率 95%图 5铸件凝固过程分析Fig.5Analysis of casting solidification process图 6冷隔缺陷Fig.6Cold shut defect图 7芯头断裂部位Fig.7Location of sand core print fracturing芯头断裂部位Nodular Iron13现代铸铁 圆园24/2图 愿更改后的横浇道Fig.愿Improved runner bar图 9树脂含量、存放时间和砂芯强度关系Fig.9Relationship between sand core strength andresin content，resting period组分域=1:1）分别制成“8”字试块进行 24 h 内的强度试验，试验结果如图 9 所示。结果显示，随着树脂含量和存放时间的增加，砂芯的强度逐步提高，但树脂含量为 1.6%和 1.8%在前 20 h 内的抗拉强度差距不是很大，24 h 以后树脂含量为1.8%的砂芯强度有所提高。首次制芯工艺的树脂含量为 1.3%，改进后的工艺树脂含量提高至1.6%。除此之外，冷芯对环境的湿度很敏感。高湿度的环境下存放砂芯的抗拉强度明显低于低湿度环境下存放砂芯的抗拉强度，且随着存放时间的延长，高湿度环境下的砂芯强度明显下降，这种砂芯强度的丧失是不可逆的。烘烤对树脂固化起到很大作用，烘烤缩短了砂芯达到最大强度的时间，削弱了高湿环境水分对砂芯的侵害作用4。所以为了降低湿度对砂芯的强度影响，砂芯生产完毕后，放在烘干箱内 150 益的温度下烘干 20min。2.4工艺改进后试验验证对浇注系统和制芯工艺进行更改后进一步调试生产，此次试制浇注 5 箱，开始浇注温度1 437 益，单型浇注时间为 1114 s。砂芯采用树脂含量为 1.6%的冷芯，此批零件也没有出现砂芯断裂现象。铸件表面的冷隔和铸痕被消除，铸件实物如图10 所示。3低温冲击性能试验3.1原熔炼浇注工艺原熔炼工艺采用传统的三明治法进行球化处理，选用低镁球化剂（镁含量约 5.5%），加入量为 1.4%，球化处理温度控制在（1 520依5）益。采用SiBa 孕育剂，一次孕育为包底孕育，孕育剂的加入量为 0.2%；二次孕育为冲入孕育，孕育剂的加入量为 0.5%；三次孕育为随流孕育，孕育剂的加入量为 0.1%。化学成分如表 2 所示，金相组织如图 11 所示。由图 11 可见，基体的球化率和组织均已经达到了客户要求，石墨大部分形状圆整，晶粒尺寸略微粗大。对于球墨铸铁来说，石墨的形状和基体晶粒的大小对低温冲击影响很大。由表 2 可见，硅含量偏高，硅是强烈促进石墨化元素，有利于提高铁素体体积分数，但硅含量增加，冲击韧性明显下降，硅含量每提高 0.1%，脆性转变温度就提高 5.56 益5。3.2改进后的熔炼工艺由于碳、硅的熔点比铁液的温度高，主要是靠扩散溶解的方式进入铁液，铁液中C的微晶先共析或共晶石墨成为很好的外来形核基底，有利于细化晶粒6。因此，熔炼工艺改为废钢增碳工艺，即使用废钢和回炉料作为主要原料，采用石墨增碳，硅铁增硅的方式熔炼铁液，其炉料配比为 60%回炉料+35%废钢+1.8%增碳剂。在熔炼树脂含量1.8%1.6%1.3%241712001234时间/h图 10控制臂铸件Fig.10Casting of control arm球墨铸铁Nodular Iron14圆园24/2现代铸铁表 3改进后的化学成分Tab.3Improved chemical compositions过程中，增碳剂逐步加入。降低炉前硅含量，将孕育剂的加入量由 0.8%提升至 1%来保证炉后硅含量。工艺改进后的化学成分如表 3 所示。改进后的金相组织如图 12 所示，基体是铁素体基体，晶粒细小，石墨形态也非常圆整，球化率达到90%，石墨等级 6 级。经过第二次试验验证，在-40 益的条件下能够承受 2 200 J 的低温冲击，达到客户要求。4结论（1）针对调试过程中产生的冷隔缺陷，通过后期的浇注系统改进，由半开放式浇注系统改为开放式浇注系统，提高了浇注时间，降低了铁液充型过程中的温降速度，稳定了浇注工艺，成功解决了控制臂的冷隔问题。（2）通过改进制芯工艺，调整冷芯树脂加入量，提高了砂芯强度。生产完毕后及时放在烘干箱内进行烘干处理，最大限度地降低湿度对冷芯的影响，从而解决了芯头断裂的问题。（3）通过调整硅含量，改变球化处理和孕育处理方式，提高了球化效果，增加了基体中铁素体的体积分数。采用废钢增碳工艺，细化了晶粒，从而提高了铸件的低温冲击性能。参考文献1张小虞.汽车工程手册（设计篇）M.北京：人民交通出版社，2001.2刘惟信.汽车设计M.北京：清华大学出版社，2001.3中国机械工程学会铸造分会.铸造手册 铸造工艺M.北京：机械工业出版社，2003.4喻光远，蔡启舟，朱小龙，等.水分对三乙胺法冷芯盒砂芯强度及断裂的影响J.现代铸铁，2011（4）：62-66.5张伯明，陆文华，李卫.铸造手册 铸铁M.北京：机械工业出版社，2002.图 11原工艺生产铸件的金相组织Fig.11Metallurgical structure of casting producedwith original technology（a）石墨形态（b）基体组织10园 滋m10园 滋m炉前目标C3.853.903.603.80Si1.251.352.502.60Mn0.200.20P0.050.05S0.020.02Mg-0.0250.050Cu0.200.20Cr0.050.05wB/%wB/%（a）石墨形态（b）基体组织图 12改进后的金相组织Fig.12Improved metallurgical structure10园 滋m10园 滋mNodular Iron15现代铸铁 圆园24/26李娄明，朱正锋，张剑云，等.废钢增碳在合成铸铁中的应用探讨J.铁道机车车辆工人，2012（4）：1-3.（编辑：吕姗姗，E-mail：xdzt_）收稿日期：2023-11-06修订日期：2024-03-08作者简介：高世爽（1965.7），男，安徽宿州人，毕业于合肥工业大学，主要从事铸铁、铸钢材质研发及应用等方面的研究工作。固溶强化铁素体 QT500-14 在转向器壳体中的应用高世爽（河南广瑞汽车部件股份有限公司，河南新乡453600）摘要：介绍了 Si 固溶强化铁素体球墨铸铁 QT500-14 的化学成分设计、合理的熔炼工艺以及铁液处理工艺，对单铸 Y 型试块和转向器壳体铸件本体取样分析发现，利用 Si 固溶强化的铁素体基体可以保证 QT500-14 汽车转向器壳体的基体组织和球化级别符合要求，从而满足力学性能及硬度等指标的要求。不同 w（Si）量对材料组织和性能影响的研究数据显示：随着 w（Si）量的增加，石墨有细化趋势，球径逐渐减小，固溶强化效果愈加明显，抗拉强度逐渐增强、韧性呈小幅下降趋势；Si 在共晶转变时，有利于石墨的析出，降低石墨的尺寸，提高石墨的圆整度，减少对基体的割裂作用。关键词：球墨铸铁；固溶强化；转向器壳体中图分类号：TG255文献标志码：月文章编号：员园园猿原愿猿源缘（圆园24）园2原园园16原06Application of Solid Solution Reinforced Ferrites QT500-14 in Steering HousingGAO Shi-shuang（Henan Guangrui Automotive Parts Co.,Ltd.，Xinxiang453600，China）Abstract：The chemical compositions design，rational melting process，and iron liquid treatment process of QT500-14 nodulariron were introduced.It was founded by sampling from body of separately poured test block，using Si solid solution strength-ening could ensure the matrix structure and nodularizing grade meeting requirements of QT500-14 nodular iron steeringhousing and thereby meeting mechanical properties and hardness requirement.The study data of different Si contents influen-cing materials properties showed：with Si content increase，the graphite had a tendency to refine，the nodule diameter graduallyreduced，the solid strengthening effect became more obvious，the tensile strength gradually increased，toughness showed aslight decline trend.In eutectic transformation the Si was favoring graphite separating，reducing graphite size，increasinggraphite roundness，reducing the cutting effect of the matrix.Key words：nodular iron；solid solution strengthening；steering housing根据转向器产品缸径的不同，客户对转向器壳体的材料要求也越来越高，小缸径铸件（缸径70 mm、80 mm、90 mm）以 QT450-10 为主；大缸径铸件（缸径 100 mm、110 mm、120 mm、130 mm）以 QT500-7 为主，个别客户选择 QT550-6 及升级牌号 QT600-7。为了提高 QT500-7 汽车转向器壳体在生产过程中的稳定性，减小铸件本体不同部位的性能波动，特别是保持稳定的力学性能并缩小铸件本体的硬度波动范围，改善机械加工性能，进一步球墨铸铁Nodular Iron16