铸态QT700-3连接器的工艺研发.pdf

圆园23/4现代铸铁基金项目：国家重点研发计划“网络协同制造和智能工厂”重点专项（2020YFB1710100）。收稿日期：2023-02-17修订日期：2023-07-26作者简介：孙成涛（1984），男，汉族，安徽舒城人，毕业于安徽工程大学（原安徽工程科技学院）材料成型及控制工程专业，主要从事铸造工艺设计、凝固模拟分析等方面的研究工作。铸态 QT700-3 连接器的工艺研发孙成涛，秦国斌，叶小龙，汪大新，罗磊（安徽合力股份有限公司合肥铸锻厂，安徽合肥230601）摘要：介绍了连接器铸件的结构及技术要求，运用MAGMA凝固模拟软件对铸件的热节分布、充型过程、缩松等进行模拟分析，并对铸造工艺进行了改进。通过添加铜、锡合金化等措施，使铸件的金相组织和力学性能符合技术要求，实现了批量化生产。最后指出：（1）在曲面分型中，特别是高度落差大的浇注系统，严格控制铁液流量和流速，可避免铁液流速过快造成的冲砂缺陷；（2）通过设计支撑杆支撑冷铁，在支撑杆上做配合定位，可实现冷铁放置后自动定位；（3）通过合理的熔炼工艺，适当添加铜、锡合金进行合金化处理，可实现QT700-3铸态连接器的稳定生产。关键词：球墨铸铁；连接器；缩松；合金化中图分类号：TG255文献标志码：B文章编号：员园园猿原愿猿源缘（圆园23）园4原园园01原05Technology Development of As-cast QT700-3 Nodular Iron ConnectorSUN Cheng-tao，QIN Guo-bin，YE Xiao-long，WANG Da-xin，LUO Lei（Hefei Casting&Forging Factory，Anhui Heli Co.,Ltd.，Hefei230601，China）Abstract：The casting structure and technical requirements of the connector were introduced.By using MAGMA solidificationsimulation software，the hot spots distribution of the casting，mold filling process，shrinkage porosities were simulated andanalyzed，and the casting technology improvement was conducted.Using Cu，Sn-alloying and other measures made the metal-lurgical structure and mechanical properties to meet technical requirements，and realized batch production.Finally pointedout：（1）When using curve parting surface，especially when the height drop of the gating system being large，strictly controllingiron liquid flow volume and flow speed could avoid sand washing defect caused by iron liquid flowing speed being too high.（2）By designing a support rod to support the cold iron and making matching positioning on the support rod，automatic positi-oning could be achieved after the cold iron was placed.（3）By using rational melting process，properly adding Cu and Sn toconduct alloying，the stable production of as-cast QT700-3 nodular iron connector could be realized.Key words：nodular iron；connector；shrinkage porosities；alloying笔者公司生产的连接器铸件材料牌号为QT700-3，外形尺寸 674 mm伊272 mm伊402 mm，单重 46 kg，壁厚不均匀，主要壁厚 20 mm，最大壁厚 65 mm，铸件结构左右对称，如图 1 所示。技术要求：铸件本体指定部位的抗拉强度逸700 MPa，屈服强度逸450 MPa，伸长率逸3%，指定部位硬度 241耀302 HB；铸件 X 射线检测需达到 1 级，尤其是关键热节部位，如图 2 所示。1铸造工艺及模拟分析1.1铸造工艺连接器铸件在 KW 静压线上生产，砂箱内档图1铸件结构Fig.1Casting structure球墨铸铁Nodular Iron1现代铸铁圆园23/4图5铸件的热节分布Fig.5Hot spots distribution of casting尺寸为 1 320 mm伊800 mm。根据铸件结构特征，铸造工艺上采用曲面分型，如图 3 所示。内腔采用 2 个砂芯形成，如图 4 所示，砂芯采用冷芯盒制芯。1.2模拟分析铸件开发前，首先使用 MAGMA 凝固模拟软件分析铸件的热节分布和易产生缩松缺陷的部位，如图 5 和图 6 所示。铸造工艺设计时采用控制压力冒口对铸件进行补缩，通过铸件的结构分析，在铸件的 3 个关键热节部位设置冒口进行补缩，让铸件热节部位先于冒口颈凝固，冒口最后凝固，从而解决铸件关键热节部位的缩松问题1-5。为保证铸件起模，铸件内腔部位和方口部位由砂芯成型，如图 7 所示。采用开放式浇注系统，截面积比为移F直:移F横:移F冒口颈=1:1.5:2.3，横浇道放置 1片尺寸为 100 mm伊100 mm伊22 mm 的泡沫陶瓷过滤片进行挡渣。通过冒口前端浇道截面积的计算，合理分布各冒口的进铁液量，为避免横浇道因落差大、铁液流速过快造成冲砂缺陷，让铸件下部先进铁液，铁液逐步上升至其余 2 个冒口中，铁液的充型过程模拟结果如图 8 所示。2熔炼工艺采用 3 t 中频感应电炉熔炼铁液，炉料配比为 30%A3 钢+40%Q10 生铁+30%回炉料。铁液在 1 520 益高温静置，利于渣上浮和净化铁液。采用盖包球化法进行球化处理，球化剂为 Mg5RE关键热节部位图2关键热节部位Fig.2Key hot spot location上下图3分型面示意图Fig.3Sketch of mold parting surface图4砂芯设置Fig.4Sand core setting#1 芯#2 芯图6缩松模拟结果Fig.6Simulation result of shrinkage porosities球墨铸铁Nodular Iron2圆园23/4现代铸铁镧系球化剂，加入量 1.3%；一次孕育加入 0.5%的 SiBaCa 孕育剂，浇注时使用 0.1%的锆基孕育剂进行瞬时孕育处理6。采用 1.5 t KW 自动浇注机进行浇注，浇注平稳，温降少。3试制结果及质量改进3.1试制结果模具制作完成后，首次试制，试制生产过程顺利。铸件解剖发现在#2 砂芯部位铸件外侧的交界侧壁出现了尺寸约 10 mm伊10 mm 的缩松区域，如图 9 和图 10 所示。该方口部位需要加工，加工时缺陷外露，另外缩松缺陷也超过 X 射线 1级。分析认为：缩松位置为孤立热节，附近的冒口补缩不到。考虑使用冷铁来加快该部位的冷却速度，消除该部位的缩松缺陷7-8。采用在#2 砂芯里预埋冷铁，再次模拟，可以实现顺序凝固，缩松缺陷消除，如图 11、图 12 所示。图7铸造工艺示意图Fig.7Sketch of casting method（a）充型 30%（b）充型 50%（c）充型 80%图8铁液的充型过程模拟结果Fig.8Simulation result of iron liquid filling mold图怨缩松位置Fig.怨Shrinkage porosities location红圈为缺陷部位#1 芯#2 芯图10缩松解剖Fig.10Dissection of shrinkage porosities方口部位解剖缩松图员员放置冷铁后实现顺序凝固Fig.员员Directional solidification realized aftersetting chills球墨铸铁Nodular Iron3现代铸铁圆园23/43.2质量改进3.2.1冷铁改进采用冷芯盒制芯，#1 砂芯为悬臂砂芯，#2 砂芯因铸件上设计的起模斜度，砂芯需要在芯盒中进行直立布置。为解决方口部位的缩松缺陷，需要在#2 砂芯中放置冷铁。为保证冷铁在芯盒中的定位和固定，设计支撑杆进行支撑，并在支撑杆上做配合定位，冷铁放置后自动定位，如图 13所示，制出的#2 砂芯如图 14 所示。3.2.2化学成分改进在铁液中适当的添加铜、锡合金元素，促进珠光体的形成并细化珠光体，提高铸件的强度和硬度，经过 2 轮试制调整，确定了该连接器铸态QT700-3 的化学成分如表 1 所示。4生产验证经过几轮试制、调整，铸件在尺寸、外观和力学性能方面均满足技术要求。铸件 3D 扫描尺寸合格，如图 15 所示，对铸件进行本体解剖和 X 射线检测均合格。铸件的金相组织为：球化率 90%，石墨大小 6 级，基体组织为 95%珠光体+铁素体+石墨，如图 16 所示。力学性能检测结果如表 2 所示。铸件发送客户后，顺利通过了检测、加工以及装配验收。5结论（1）在曲面分型中，特别是高度落差大的浇注系统，通过浇注系统尺寸的合理设计，控制铁液进入型腔的流量和流速，可避免浇注系统因落差大，铁液流速过快造成的冲砂缺陷。（2）为解决冷铁在冷芯盒中的悬空放置，通图员2优化后的缩孔缩松模拟结果Fig.员2Shrinkage cavity and porosities simulationresult after optimization图员3冷芯盒中冷铁放置Fig.员3Setting chills into core box图14#2砂芯Fig.14#2 sand core元素含量C3.653.75Si2.12.3Mn0.30.5P臆0.06S臆0.015Mg0.030.06RE0.010.03Cu0.600.65Sn0.020.03表1化学成分Tab.1Chemical compositionswB/%wB/%图153D扫描尺寸Fig.153D scanning dimensions（下转第 8 页）球墨铸铁Nodular Iron4现代铸铁圆园23/4过设计支撑杆支撑冷铁，并在支撑杆上做配合定位，可实现冷铁放置后自动定位。（3）通过合理的熔炼工艺，适当添加铜、锡合金进行合金化处理，可实现 QT700-3 铸态连接器的稳定生产。参考文献1周亘.球铁件应该如何补缩J.现代铸铁，2005（3）：10-15.2乔新坤，周卫兵，江超.3M78 缸体的铸造工艺模拟优化J.现代铸铁，2023（2）：40-45.3龚华林.新能源汽车差速器壳体的铸造工艺开发和改善J.现代铸铁，2023（1）：38-43.4王涛，扈守萍，贾连磊，等.带水套夹层排气管的铸造工艺J.现代铸铁，2023（1）：47-50.5陈洪涛，孙军，戚梦林.L 轴承箱型芯的铸造工艺设计J.现代铸铁，2023（1）：30-34.6程武超，赵新武，党波涛，等.球化合金和孕育方法对 GhMoRct（QTRSi4Mo1）球墨铸铁组织及性能的影响J.铸造，2010（2）：149-152.7周亘.球墨铸铁冒口补缩失败原因分析球墨铸铁缩孔、缩松问题讨论（二）J.现代铸铁，2004（4）：7-14.8马敬仲，曾艺成.厚大断面球墨铸铁件生产中若干问题的探讨（1）J.现代铸铁，2020（1）：1-5.（编辑：吕姗姗，E-mail：xdzt_）表2力学性能Tab.2Mechanical properties（a）石墨形态（b）基体组织图16金相组织Fig.16Metallurgical structure10园 滋m10园 滋m编号12抗拉强度/MPa754733屈服强度/MPa461467伸长率/%55.5硬度/HB252250（上接第 4 页）（3 h）+460 益（4 h）热处理工艺，力学性能达到了QT900-2 的技术要求，布氏硬度达到了 311 HB以上，并且硬度偏差只有 17 HB，均匀性非常好。通过 5 次再现性试验，抗拉强度可以稳定在 900MPa 以上，布氏硬度稳定在 310340 HB。但是在940 益正火，回火温度从 560 益降低到 460 益，伸长率从 1.68%降低到 1.16%，降低了 31%，降低幅度很大，这和金相照片中显示的出现少量的碳化物有很好的对应关系。3结论（1）采用正火处理可以细化基体组织中的珠光体，有效改善基体组织的均匀性。（2）采用正火温度 940 益、保温 3 h、回火温度 460 益、保温 4 h 的热处理工艺，70 mm 厚的附铸试块性能达到了 QT900-2 的技术要求，布氏硬度达到了 310 HB，并且硬度偏差小于 20 HB。（3）正火工艺采用 940 益的正火温度时，回火温度 460 益时容易出现碳化物，对伸长率造成不良影响。参考文献1刘天平，李泽同，王爱丽，等.球墨铸铁轮毂典型生产工艺的对比J.现代铸铁，2023（3）：48-51.2李鹏明，孔祥玲，王光玉，等.球墨铸铁真空泵腔体铸件的生产工艺J.现代铸铁，2023（2）：1-5.3曹德水，裴泽辉，潘红，等.硅固溶强化球墨铸铁的生产工艺及方案一方案二方案三方案四787.3845.6878.3932.6660.6688.6697.4728.62.432.231.681.16263275271288292295311328热处理工艺抗拉强度/MPa屈服强度/MPa伸长率/%布氏硬度/HB表5不同热处理工艺的力学性能Tab.5Mechanical properties of different heattreating processes球墨铸铁Nodular Iron8