覆砂铁型工艺试制轻量化球墨铸铁飞轮壳铸件.pdf

介绍了轻量化薄壁球墨铸铁飞轮壳铸件的结构及技术要求，详细阐述了该铸件的覆砂铁型生产工艺，对试制过程中出现的裂纹和冷隔缺陷进行了分析，通过对工艺适当优化，成功生产出无裂纹、冷隔和其他铸造缺陷的高强度薄壁复杂球墨铸铁飞轮壳件，并实现了批量生产。最后指出：（1）覆砂铁型工艺生产薄壁件必须加强排气，增加浇注系统面积实现快速浇注；（2）覆砂铁型工艺生产薄壁件需要加大覆砂层厚度，减少铁型厚度以减少铸件收缩阻力，防止铸件产生裂纹。关键词：球墨铸铁；覆砂铁型工艺；轻量化中图分类号：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09原04Using Resin-coated Iron Mold Casting Process to Trial-produce Lightweight Nodular IronFlywheel Housing Casting郧哉韵 Xiao-jiang，LIANG Chun-li（Guangxi Yuchai Machinery Parts Manufacturing Co.,Ltd.，Yulin537005，China）Abstract：The structure and technical requirements of lightweight thin-walled nodular iron flywheel housing casting wereintroduced，the resin-coated iron mold production process of the casting was described in detail.The cracking and cold shutdefects occurring in trial production were analyzed.Through properly method optimization，the high-strength thin-walledcomplex nodular iron flywheel housing without crack，cold shut and other casting defects had been successfully produced andachieved batch production.Finally pointed out：（1）When using resin sand-coated iron mold to produce thin-wall castings，itwas necessary to strengthen the gas venting，increase the gating system section area to achieve rapid pouring.（2）To producethin-wall castings，it was necessary increase sand coating layer thickness，reduce thickness of iron mold to reduce contractionresistance to the casting and thereby prevent casting cracking.Key words：nodular iron；sand-coated iron mold process；light weight笔者公司多年来一直采用覆砂铁型工艺研发各种铸件，从最初的曲轴拓展到 4 缸气缸体、6缸气缸体、船用和车用缸盖、水冷排气管及系列底盘件铸件。为了适应轻量化发展，充分发挥覆砂铁型工艺优势，进一步拓宽覆砂铁型工艺的应用范围，提高经济效益，从 2021 年开始开发了一种带齿轮室的轻量化薄壁飞轮壳覆砂铁型生产工艺。铸件的材料牌号 QT900-6，外形尺寸 640mm伊640 mm伊175 mm，最大壁厚 11.2 mm，最小壁厚 3 mm，侧面（飞轮室）和底面的平均壁厚 3.3mm，铸件质量 39 kg，铸件结构如图 1 所示，要求硬度达到 260320 HB。经过 CAE 模拟计算分球墨铸铁Nodular Iron9现代铸铁圆园23/4上下（a）分型面直浇道内浇道（b）铸造工艺图圆铸造工艺示意图Fig.圆Sketch of casting method图3下芯工艺Fig.3Core setting process析，局部最低安全系数 1.3，达到不小于 1.2 的要求，为此进入下一步台架试验。1试制工艺采用一箱一件造型，覆砂厚度 6耀8 mm，在飞轮壳和齿轮室结合面分型。铸件结构复杂，需要8 块砂芯。工艺设计中考虑尽量采用最小的铁型，以减轻铸型质量，同时节省型砂1-4。在飞轮壳中间油封面圆孔 4 个内浇道引入铁液，直浇道直接与内浇道相连，滤网放在直浇道底部，没有横浇道，出品率高。采用封闭式浇注系统，直浇道截面积为 2 828 mm2，内浇道截面积为 2 064 mm2，浇道比为 撞F直:撞F内=1.4:1，铸造工艺示意图如图2 所示。覆砂铁型工艺生产的铸件具有组织致密的特点，砂箱相当于大冷铁，因此，覆砂铁型工艺一般不使用冷铁，通过调整覆砂层厚度和铁型厚度来调节局部冷却问题。飞轮壳共有 8 个砂芯，在装芯过程中需要按顺序进行组芯，否则无法装上。装芯顺序为#1、#4、#3、#2、#6、#5、#7、#8，如图 3 所示。浇注试验的工艺出品率为 82.3%。采用 3 t 中频感应电炉熔炼铁液，采用本溪Q10 生铁、五菱废钢和自产球墨铸铁回炉料，配料比例 1:6:3，增碳剂的加入量 2.3%，熔化后升温到 1 5001 530 益后，保温 1015 min。球化剂的加入量 1.1%，一次孕育采用 BS-1 钙钡孕育剂，加入量 0.35%，出铁（球化）温度 1 4801 510 益。化学成分控制为：w（C）3.7%耀3.9%，w（Si）1.8%耀图1飞轮壳铸件结构示意图Fig.1Sketch of flywheel housing casting structure（a）8 个砂芯（b）下箱（c）上箱#1#2#3#4#5#6#7#8#1#3#2#5#8#7#8#4球墨铸铁Nodular Iron10圆园23/4现代铸铁2.1%，w（Cu）0.2%耀0.4%，w（Mn）0.2%耀0.4%，w（S）0.02%、w（P）0.08%，浇注温度 1 4001 420益，浇注时间 68 s。开箱时间 12 min。2裂纹和冷隔缺陷分析2.1裂纹试制投入 3 套砂箱，每浇注一轮出 3 件铸件。在 15 件试制件中有 4 件产生裂纹，比例高达27%。其中前两轮浇注后按 12 min 开始开箱工艺执行，浇注 6 件有 3 件开裂；调整开箱时间为10 min 内开箱完毕，生产 3 轮 9 件铸件，有 1 件铸件开裂，该铸件是第 3 轮最后 1 箱铁液浇注的铸件，设备故障导致 15 min 无法开箱，在砂箱内部就听到了清脆的开裂声音。裂纹出现位置如图4 所示。由上述试制结果可见，只要控制在 10 min内开箱是不会产生裂纹的，但这个操作无法在后续批量生产中控制，而且控制范围太窄，存在很大隐患，必须要从工艺上改善。4 件裂纹特点都是在四周闭环（飞轮室和齿轮室）的铸件面上，闭环中间是整块砂箱带 68mm 的覆砂层，刚性很大，铸件冷却收缩后没有退让空间导致开裂，因此，解决方法有两种：一是提前开箱，在铸件还没有完全凝固收缩时就开箱；二是提高型腔退让性，防止开裂。但在试制期间，后面 3 轮采用了提前开箱方式，消除了裂纹，但其中一箱因为设备故障，耽误了时间，在砂箱内部就听到了开裂的声音。由此可见，该方法无法适应大批量生产，为此需要在增加型腔退让性方面进行改进和验证。计划分二步：第一步，将覆砂层增加 1 倍，达到 1012 mm；如果效果还不理想，再考虑第二步，减薄铁型砂箱厚度和大小。2.2冷隔15 件试制件中有 8 件冷隔铸件，比例高达54%，严重时出现一个大孔，如图 5 所示，冷隔在凝固模拟中出现的位置如图 6 所示。开箱后发现铸件冷隔位置有明显的亮斑，近似圆形，抛丸后没有痕迹。前期试制期间分析为气隔，在排气方面和浇注温度方面采取了诸多措施，浇注温度甚至提高到 1 480 益，都没有彻底解决。通过位置和形态分析发现，冷隔没有出现在最应该出现的内浇道远端，正对内浇道位置也没有冷隔，而是在两个内浇道之间充型过程中两股铁液交汇处。文献5指出：提高浇注温度和浇注速度，降低铁液前沿冷却速度，型腔表层一定的气膜又能降低金属液充型的摩擦阻力。因此，适当地排气、引气，既降低浇注时的负压，又减少摩擦力，使金属液填充更为顺畅。铁液前端加上覆膜砂发气量大，容易形成气膜，冷却速度越慢，浇注时间越长，两股铁液交汇时间越长，气膜厚度越大，两股（a）下箱飞轮壳止口面（b）上箱齿轮室安装面图4飞轮壳铸件裂纹位置Fig.4Cracking place of flywheel housing casting图5飞轮壳冷隔形态Fig.5Cold shut morphology of flywheel housing（下转第 15 页）球墨铸铁Nodular Iron11圆园23/4现代铸铁（b）（a）图6冷隔在凝固模拟中出现的位置Fig.6Cold shut occurring place in solidification simulation铁液越不容易熔合，就越容易形成冷隔。为此，需要尽可能减小两股铁液的间距，浇注速度尽可能加快，再辅助增加排气措施，可以防止薄壁件冷隔问题。2.3改进措施（1）将覆砂层厚度增加到 1012 mm；（2）加快浇注速度，增加内浇道截面积，4 个内浇道的截面积增加 13%；（3）增加盖箱面气孔针，分型面垫 0.3 mm 垫片，辅助排气；（4）浇注时间由 79 s 减少为 46 s。3效果验证先通过人工修刮内浇道，内浇道宽度单边修刮 3 mm 砂层，单个内浇道宽度由 46 mm 增加到52 mm，减少了内浇道间距，加快两股铁液交汇速度。验证了两轮 6 件铸件，没有发现冷隔和裂纹，浇注时间 5 s。确认后改模连续生产 50 件铸件，冷隔和裂纹均为 0，同时试制过程人为延长开箱时间 20 min、30 min 和 40 min，均未发现裂纹，其他缺陷也未发现，合格率 100%，同时材料质量 100%达到要求，大批量生产不存任何问题，效果比较理想。4结论（1）覆砂铁型工艺生产薄壁件必须加强排气，增加浇注系统面积实现快速浇注；（2）覆砂铁型工艺生产薄壁件需要加大覆砂层厚度，减少铁型厚度以减少铸件收缩阻力，防止铸件产生裂纹。参考文献1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）：40-45.2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）：38-43.3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）：47-50.4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）：30-34.5何芝梅，沈永华，潘东杰.覆砂铁型铸造工艺在灰铁薄壁件上的应用J.热加工工艺，2001（4）：70-71.（编辑：吕姗姗，E-mail：xdzt_）（上接第 11 页）分有利。（2）强化管理，防止高氮废钢无控制的混入炉内，如：高锰钢、耐热高铬铁素体钢及奥氏体钢等。（3）强化和完善检测手段，使用光谱分析仪及其他相关检测设备，将铁液中的氮控制在 60100 ppm 范围内，使铸件既不产生氮气孔，又使氮起合金化作用，进一步提高铸件的力学性能。参考文献1吴德海，钱立，胡家骢.灰铸铁球墨铸铁及其熔炼M.北京：中国水利出版社，2006.2陈国桢，肖柯则，姜不居.铸铁缺陷和对策手册M.北京：机械工业出版社，1990.3张伯明.铸造手册 铸铁（第 3 版）M.北京：机械工业出版社，2010.（编辑：吕姗姗，E-mail：xdzt_）灰铸铁Gray Iron15