曲轴轮毂铸造生产工艺分析.pdf

曲轴轮毂生产技术状况1.1 铸件结构曲轴轮毂单重5.75kg，结构如图1所示，在HWS线上生产，冒口位置只能定在图中大圆位置。铸件不能有缺陷，故冒口的补缩效果要达到铸件内部。根据铸件结构在中间圆柱位置最易出现缩松，并且图1中圆圈位置会由于截面较小从而先凝固，从而导致圆柱位置出现缩松、缩孔。1.2 技术条件1）铸件全尺寸加工，铸件加工后，所有的孔、内部、表面均不能有任何缺陷。该件要加工的孔达15个以上。2）铸件正火处理，硬度 达到HBW170-240.3）加工后局部表面淬火。4）铸件抗拉强度、延 伸 率 均 要 达到QT450-10的要求。1.3 生产工艺分析该件之前由其他铸造厂生产，反馈该件缩松废品达到50%，我厂初期设计将缩松问题作为主要问题，在冒口和浇注系统设计上多方案设计，并采用华铸铸造模拟软件模拟分析设计方案，最终选择最优方案。该件在HWS线上可布32件。曲轴轮毂铸造生产工艺分析张 磊，李长生，周天飞，高峰（东风锻造有限公司铸造二厂，湖北十堰 442050）摘 要：原曲轴轮毂为锻造生产，现准备改用铸造生产。材质要求为QT450-10，铸件 毛坯正火后硬度要求达到HBW170-240.综合分析认为用QT500-7高牌号进行生产可以不用正火处理即可达到硬度要求，通过对材质、铸件结构进行分析，对化学成分进行优化来确保铸件毛坯达到了铸件要求的硬度，及延伸率达到QT450-10的要求。由于铸件结构厚大，铸造易出现缩松、缩孔缺陷，通过对浇注系统和产品结构优化，保证了铸件内部无缩松、缩孔缺陷。关键词：厚壁铸件；铸造；缩松；缩孔；硬度中图分类号：TG242 文献标识码：A 文章编号：1674-6694（2020）02-0011-04AnalysisofCrankshaftHubCastingProcessZHAGNLei，LIChang-sheng，ZHOUTian-fei，GAOFeng（DongfengForgingCo.，Ltd.，SecondFoundry，ShiyanHubei 442050，China）Abstract：Thecrankshafthubusedtobeproducedbyforging，butnowitisreadytobeproducedbycasting.ThehubmaterialisQT450-10，andthehardnessofthecastingblankisrequiredtoreachHBW170-240afternormalizing.TheanalysisshowsthatifthehubcastingisproducedwithQT500-7，thehardnessrequirementscanbeachievedwithoutnormalizing.Inthispaper，thematerial，castingstructureandchemicalcompositionwereanalyzedtoensurethatthecastingblankreachedtherequiredhardnessandelonga原tionofthecastingreachedtherequirementsofQT450-10.Duetothethicknessofcastingstructure，shrinkagecavityandshrinkagecavitydefectsareeasytooccurincasting.Throughtheoptimizationofcastingsystemandproductstructure，shrinkagecavityandshrinkageporositydefectsarenotoccuredincasting.Keywords：castingwiththickwall，casting，porosity，shrinkage，hardness收稿日期：2020-03-27作者简介：张磊（1989-），男，硕士研究生，主要从事铸造工艺设计、产品结构优化与CAE分析。图1 铸件结构与缺陷位置浇口位置铸件易缩位置·铸造工艺· doi：10.16666/j.cnki.issn1004-6178.2020.02.004铸造设备与工艺FOUNDRYEQUIPMENTANDTECHNOLOGY2020年第2期2020年 4月 Apr.2020 翼211窑 窑2020年第2期Apr.2020 翼2 铸造设备与工艺图3 铸件下冷铁位置冷铁图2 铸件浇注系统与冒口设计草图分析该件图纸，铸件易出现缩松缺陷，如果用QT450-10牌号生产，后期需要正火处理才能达到硬度要求。如果采用QT500-7高牌号生产硬度可以达到HBW170-240，但是铸件缩松问题难以解决。经过综合分析，决定采用QT500-7高牌号生产，可以省去正火处理，毛坯硬度可达到图纸要求，生产中重点解决的问题是铸件缩松问题。2 生产工艺设计与生产2.1 生产工艺设计该件最初方案采用了一型32件，在热节位置采用冷铁来改善缩松、缩孔倾向。为提高工艺出品率，设计4件共用一个冒口的方案。采用过滤网和浇注系统变截面控制浇注速度和改善夹渣等缺陷。工艺方案与浇冒口结构如图2所示。a）上型板该方案设计考虑后期生产若出现缩松问题后的预处理方案，将模型设计为可上下模互换，便于后期进行修改。冷铁位置如图3，目的是缩短冒口的补缩距离。关于材质方面，根据工厂经验和铸件结构，暂定按照现有QT500-7生产。通过对成分中Mn进行控制，保证达到要求。具体参数如表1所示。喂丝球化时，喂丝加入量为铁水重量的0.65%，喂丝孕育时，珠光体孕育包芯线喂丝加入量为铁水重量的0.40%.前两次调试，解剖 32件（一整箱）均未发现缩松缩孔缺陷。铸件硬度在HBW190左右，延 伸 率在10%以上。满足客户要求，提交样件，加工验证没有60.56.32R5402(三面)BB22毅B—BA—A110110A—AB—B1颐160.53822(三面)4042C-CBCC5毅90毅5045毅R10 B21颐1b）下型板c）上型板浇冒口部分结构 d）下型板浇冒口部分结构1-型板；2-上模型；3-冒口；4-直浇口座；5-直浇口棒；6-通气塞 1-型板；2-下模型；3-通气塞；4-横浇道；5-冒口底座；6-随型试块12窑 窑2020年第2期 铸造设备与工艺张 磊，李长生，周天飞，高 峰 : 曲 轴轮毂铸造生产工艺分析问题。随后按照该工艺进行小批量生产验证。通过大量抽检发现硬度不符合要求，基本在HBW150~170范围。通过分析决定对材质进行改善以满足硬度要求。2.2 硬度提高方案目前生产所用材质为QT500-7孕育处理工艺，分析硬度低于HBW170的原因可能是珠光体含量偏低，故决定提高孕育丝加入量。将孕育包芯线喂丝加入质量分数从0.4%提高到0.5%.验证后发现铸件硬度达到了HBW170~240，但是在解剖的32件中还发现缩松问题。分析原因是孕育丝含量提高，孕育丝中含有Sb，该元素对硬度提高非常明显，但是合金元素的提高也增加了铸件缩松倾向。故考虑采用不加孕育丝工艺，通过提高Cu的质量分数来提高硬度，调整后的化学成分如表2所示。同时，为了保证铸件无缩松问题，将碳当量也适当提高。调整材质化学成分后试生产发现铸件硬度还是偏下限，但铸件解剖均未发现缩松问题。结果说明提高碳当量可以降低铸件出现缩孔缩松的风险，提高Cu的质量分数对提高铸件硬度效果不明显。为提高硬度，只能通过加入促进珠光体含量的合金元素，其中Mn、Cu和Ni均能增加珠光体含量，生产经验证明Ni的效果较Mn、Cu更明显。结合调试生产，对 材 质的化学成分又进行了调整，调整后的成分见表3，在表2的基础上增加了Ni的质量分数。Mn的质量分数控制在0.35%~0.4%，Cu质量分数为0.35%~0.4%，Ni质量分数为0.3%~0.4%.按照该工艺生产，结 果表明，铸 件硬度达到200以上，但是解剖发现缩松缺陷，比例在30%左右。说明采用提高促珠光体形成的元素的质量分数确实能起到提高铸件硬度的作用。分析产生缩松缺陷的原因认为是由于Ni质量分数的提高增加了铸件的缩松倾向。对合金元素再次进行调整，主要是对Ni、Mn、Cu的质量分数进行了调整。对Mn、Cu含量进行多次不同含量调试，最终摸索出了适合该件生产的材质成分，并且让材质对缩松的影响降到最低，具体见表4.该工艺调试验证后，缩松比例在15%左右，硬度达到HBW210以上。2.3 通过浇注系统及冒口设计解决缩松问题在前期开发中，暂定了用下冷铁来降低缩松倾向，通过分析发现，由于冷铁的加入加快了补缩通道的阻断，反而会使孤立热节提前出现。通过分析决定将部分铸件不下冷铁再进行试验，验证不下冷铁对铸件缩松的影响。通过两次调试，验证不加冷铁的确缩松倾向减小。故将所有铸件冷铁模型去除，采用不下冷铁工艺。在浇注系统上，增加内浇道截面积，由400mm2提高到500mm2，以提高浇口对铁水的补缩（具体修改方案不在此具体说明）。为保证产品能大批量生产，在铸件结构上做了些改变，增大易断流位置补缩通道的面积，进一步提高冒口补缩效果。2.4 局部修改铸件结构改善缩松问题从图1可以看出铸件缩松原因主要是由于中间部分壁太厚而与其相连接的位置亦即圆圈位置的面积较小，在凝固过程中过渡处易提前凝固，导致铸件内部出现缩松。通过对冒口的分析，所设计的冒口尺寸满足该件的补缩要求，并且加大冒口颈尺寸，增大冒口补缩效果，均不能完全消除缩松问题。通过与加工厂协商，考虑该件全尺寸加工，决定在局部修改铸件结构，以增大补缩面积。在原有模型的基础上具体制定了4种修改方案，见图3.通过解剖和加工验证，图3a）方案效果最好，并且没有发现缩松缺陷。为了更好的保证铸件不缩松。根据调试验证，将缩松铸件模型修改，具体见图4.修改后补缩通道加大，冒口可以补缩铸件内部，使得铸件实现从下到上，从内部到冒口处的顺序凝固，可以消除缩松问题。3 生产方案确定通过多批次调试验证后，最终确定了产品材质，结 合铸 件 结 构 修改和工艺改进，可以保证毛坯表1 QT500-7炉前成分（质量分数，%）C Si Mn P3.8~3.951.9~2.00.55±0.05 ≤0.05S Cu Sn≤0.02 0.2~0.3 ≤0.01Ti Ni≤0.04 ≤0.1表2 QT500-7非孕育丝工艺炉前成分（质量分数，%）C Si Mn P3.7~3.91.7~1.90.55±0.03≤0.05S Cu Sn≤0.02≤0.08≤0.01Ti Ni≤0.04 ≤0.1表3 QT500-7非孕育丝工艺+N后材质成分（质量分数，%）C Si Mn3.8~3.591.9~2.00.35~0.40P S Cu≤0.05≤0.020.35~0.40Ti Ni≤0.04≤0.03～0.40表4 适合生产轮毂的材质化学成分（质量分数，%）C Si Mn P3.8~3.92.1~2.30.55±0.05≤0.05S Cu Sn≤0.020.5~0.6≤0.01Ti Ni≤0.04 ≤0.113窑 窑2020年第2期Apr.2020 翼2 铸造设备与工艺·行业信息·机械性能和硬度达到要求，铸件无 任何缺陷。在生产方案确定后，两个批量生产验证，铸件硬度在HBW220左右，基本在中上线，为此对材质再次进行调整，以保证硬度不超过上线。3.1 炉料配比调整调整后的炉料配比见表5.3.2 炉前化学成分调整后的炉前化学成分见表6.3.3 工艺特殊要求1）铁水出炉后，需要在铁水表面加浮硅，加入质量分数为0.25%，牌号为Si75Al2.0-C；2）喂丝球化时，喂丝加入量为铁水重量的0.65%；3）若需使用增碳剂，采用高纯石墨增碳剂。在后期生产中，均按照该工艺进行，在三个月的生产中，根据加工厂反馈，铸件硬 度均 未出现 不满足要求情况，料废基本控制在3%.4 结 语1）通过在QT500-7材质的基础上对合金元素的调整，实现了铸件本体硬度达到HBW170~240，延伸率＞10%，保证了不进行正火处理，毛坯达到硬度和机械性能的要求，省去了正火工序。2）该铸件由于壁较厚所以易出现缩松，而QT500-7材质本身较QT450-10缩松倾向大，实际生产表明通过微调铸件结构、设计合理的材质化学成分、设计合理的浇注系统、冒口，同 时 控制好炉料配比可以生产出满足性能要求的铸件。参考文献：［1］ 王文清.铸造工艺学［M］.北京：机械工业出版社.b）5#-8#上、下模 型，通过抹胶倒圆弧R10a）1#-4#下模型，通过抹胶倒角15伊15c）9#-12#上、下模型，通过抹胶倒圆弧R15d）13#-16#下模型，通过抹胶将圆柱直径由 75改为 60图3 铸件结构修改方案图4 修改后铸件结构炉料生铁 废钢 回炉料配比55±515±530±5增碳剂碳化硅硅铁0.6～0.91.5~1.70～0.1锰铁 铜0.2～0.5 0.1～0.2表5 炉料配比（质量分数，%）表6 炉前化学成分（质量分数，%）C Si Mn P3.8~3.92.1~2.30.4~0.5 ≤0.05S Cu Sn≤0.020.5~0.6 ≤0.01Ti Ni≤0.04 ≤0.1世界铸造大会（WFC）由世界铸造组织（简称WFO）主办，每两年召开一届。原定于2020年10月18日-22日在韩国釜山举办的“第74届世界铸造大会”受新冠疫情影响，将推迟到2022年10月16-20日举办。会议推迟声明：我们代表第74届世界铸造大会组委会，在世界铸造组织（WFO）和韩国铸造学会的大力支持下，遗憾的宣布，由于目前COVID-19的大流行，第74届世界铸造大会（WFC）将推迟至 2022 年 10 月 16-20 日在相同地点，韩国釜山的BEXCO中心举办。这次延期是基于当前困难时期旅行的不确定性、今年或明年旅行的负面感觉(包括注册)，以及考虑到2021年WFO的许多预先确定的日程和活动，谨慎做出的决定。有关组织/解散委员会成员，全体发言人，受邀发言人，注册人员的详细信息，以及与提交论文，期刊，参展商，赞助商和媒体相关的政策等，在详细检查每个项目后，我们将在最早的时间表上发布。对于因第74届WFC的推迟而给您带来的任何不便，我们深表歉意。在此困难时刻，为了您和家人的安全，请接受我们美好的祝愿。非常感谢您。韩国铸造学会会长 Hyun-IKCho第74届WFC大会主席Sang-MokLee博士第74届世界铸造大会将推迟到2022年10月16-20日举办14窑 窑