球墨铸铁典型铸件工艺设计实例
3.1 球墨铸铁曲轴（湿砂型铸造、金属型复砂铸造）
曲轴是发动机中重要机件之一，发动机全部功率都是通过曲轴输出。曲轴的主要载荷是承受扭转疲劳、弯曲疲劳和连杆传递来的小能量多次冲击；曲轴轴径与轴瓦的配合，在较高的比压下高速运转，正常情况下为有机油润滑的滑动摩擦磨损。依据国内外曲轴失效的统计数据，其主要失效方式是交变应力下的疲劳破坏(80％为弯曲疲劳断裂)和轴径的早期磨损烧伤。根据曲轴服役的工况和主要失效方式，要求曲轴材料不但要有较高的强度、韧性，而且要有一定的硬度。
球墨铸铁曲轴与传统的锻钢曲轴比较，有制造简便、成本低廉、又有吸震耐磨、对表面刻痕不敏感等锻钢材料所不具备的优良特性、球铁与巴氏合金、铅青铜、钢背铝合金的轴瓦均有良好的匹配性。石墨具有润滑作用和储存润滑油作用，其耐磨性比钢好；球墨铸铁在承受小能量多次冲击载荷条件下，其抗冲击性能也优于钢；球墨铸铁曲轴通过合金化、合理球化、孕育处理等，其在扭转、弯曲疲劳应力状态下的疲劳强度，可达到甚至超过锻钢曲轴。
3.1.1． 铸态球墨铸铁曲轴
1. 生产性质 大量生产。
2. 材质 研究和实践证明：球墨铸铁是中小型发动机曲轴的理想材料。
现在，铸态QT600-3、QT700-3牌号球墨铸铁已广泛应用于汽车曲轴；QT800-2、QT900-5牌号热处理球墨铸铁也成功地用于汽车曲轴的生产。铸态球墨铸铁曲轴与热处理工艺比较，不仅可节约能源、降低成本、缩短生产周期；而且省去了因热处理而产生的曲轴变形所带来的清理和热校直工序。在满足设计要求的前提下，工厂首先选择了铸态球墨铸铁曲轴这一操作简便，成本低廉的生产方式。
(1) 化学成分及合金元素的选择 为了保证球墨铸铁曲轴具有良好的性能:
1) 碳当量与C和Si 碳当量控制在4.3％～4.5％之间，可以得到健全的铸件，并具有较好的铸造性能。碳当量过低易产生白口，过高则会产生石墨飘浮。图3.1-1是4110型柴油机球铁曲轴的生产统计结果。碳当量超过4.5％～4.6％，曲轴断面出现石墨漂浮，并且随着碳当量的增加，石墨漂浮层的厚度几乎直线加厚。应该指出，碳当量不是产生石墨漂浮的惟一因素，曲轴尺寸的大小也是一个重要条件。曲轴断面尺寸越小，碳当量可能选高一些，也不会出现石墨漂浮，相反，厚大断面曲轴的碳当量应该低一些。
图3.1-1 石墨漂浮层厚度与碳当量的关系
w(C)应控制在3.6％～3.9％。C含量低，石墨不易球化，易出现白口；C含量过高易产生石墨漂浮。
一般w(Si)控制在1.8％～2.2％为宜。Si来自金属炉料、球化剂和孕育剂。Si是石墨化元素，影响球墨铸铁的铸造性能和力学性能，通过以下3种途径表现出来：改变石墨大小、分布、圆整度；分解渗碳体，促进生成铁素体；溶解在α-Fe中，强化金属基体。
2) Mn和P Mn和P都是严重偏析元素。Mn易导致晶界碳化物的形成，铸态球墨铸铁曲轴不采用高Mn来稳定珠光体为好；P易在晶界处形成磷共晶，会造成球铁塑、韧性下降，同时显著降低疲劳强度。所以Mn和P的含量都应控制。一般w(Mn)≤O.3％，w(P)≤O.06％为宜。
3) S S是反球化元素，属于有害杂质。生产中根据原铁水含S量的高低决定球化剂的加入量，原铁水S量越高，加入量越多。但是，S含量高，即使球化，曲轴内部易出现夹渣，球化衰退很快，不容易浇注出健全的铸件。所以，希望原铁液的含S量越低越好，一般w(S)≤O.03％，有脱S条件的w(S)≤O.02％最好。
4) 合金元素 添加稳定珠光体合金元素是生产铸态球墨铸铁曲轴行之有效的方法。添加的元素主要有Cu、Sn、Ni、Sb、Cr、Mo、W、V等。然而后4种元素虽能增加基体组织的珠光体含量，提高球铁的强度和耐磨性，但它们都是碳化物形成元素，容易使材料变脆，降低材料的疲劳强度。Cu、Sn、Ni、Sb等合金元素共同特点是能促进形成珠光体并细化组织，提高球铁的强度、硬度和耐磨性。但它们各自稳定珠光体的能力不同。它们稳定珠光体的能力可以近似地用下式表示：
Ni：Cu：Sn：Sb=1：3：30：90
稳定珠光体的能力Cu是Ni的3倍，Sn是Cu的lO倍，Sb是Sn的3倍。Cu能够明显地降低球铁断面敏感性，减少Mn的偏析程度，可使曲轴厚壁处也能达到高的珠光体含量，并可以提高球墨铁的疲劳强度。Ni能强烈地细化珠光体，提高球铁的塑、韧性。Mo能显著的稳定球铁奥氏体，促进生成针状组织，增强球墨铸铁的淬透性。Sb对球化有强烈的干扰作用，加入过量时，不但使石墨畸变，而且与Mg反应生成富锑的脆性相，偏析在晶界，使铸件严重脆化，特别是大大降低了冲击韧性。Sn加入量大于0.06％时，铸件产生脆性。以上各元素均能不同程度的稳定珠光体，但Cu和Sn的组合合金化，不仅符合高质量、低成本要求，而且还可以加在球化包内，满足一种原铁水生产多种牌号球铁的需要。
(2) 金相组织 球墨铸铁曲轴的疲劳强度与石墨和基体的形态、组成、尺寸大小、分布特征以及非金属夹杂物的类别、形状、大小、数量及分布均匀性有密切关系。
1) 石墨 形态不仅影响球墨铸铁的静载荷性能，而且更显著地影响动载荷性能。稀土镁球铁中，球状和团状石墨(球化级别1～3级)的动态性能相差较少，当出现团片状石墨时，性能明显下降，尤其是组织中有厚片状石墨聚集分布时(球化级别6级)，疲劳强度约下降20％，而小能量多次冲击韧性下降约5倍。镁球铁中，球化率65％的球铁比球化率93％的球铁抗拉强度σb下降8.2％，而疲劳强度σ-1下降26％。当石墨的体积一定时，石墨的平均球径越大，单位面积视场中球墨个数越少，疲劳强度越低。石墨成行排列，促进疲劳断裂，降低疲劳强度。实践证明：石墨球越细小，圆整、均布，球铁的疲劳强度就越高。
图3.1-2 w(珠光体)对HBS、σ、αk、δ的影响
2) 基体组织 随着珠光体量的增加，强度、硬度增加，塑性、韧性下降。图3.1-2是w(珠光体)与硬度(HBS)、拉抗强度(σb)、冲击韧性(αk)、延伸率(δ)的关系图。如图所示，当珠光体大于80％时，抗拉强度和布氏硬度值上升比率增加；珠光体大于50％时，延伸率下降梯度减缓，冲击韧性值变化比率变化较小。
图3.1-3是w(珠光体)与疲劳强度(σ-1)的关系图。如图所示，基体组织中珠光体由O％增加到100％，疲劳强度从230 MPa增加到320 MPa；珠光体由20％增加到80％时，疲劳强度变化不大；当珠光体超过80％进一步增加时，疲劳强度明显增加。基体组织中珠光体的层片间距越小，疲劳强度越高。如图3.1-4(a)珠光体层片间距大的球铁疲劳强度小于图3.1-4(b)珠光体层片间距小的球铁疲劳强度。
图3.1-3 w(珠光体)与疲劳强度的关系
铁素体的作用:当珠光体量一定，抗拉强度相近的条件下，牛眼状铁素体屈服强度最高，延伸率最低。
综上所述，球墨铸铁中较高的珠光体含量是获得高强度，特别是提高疲劳强度的有效途径。随着珠光体含量的提高，要依赖基体组织的强化和细化来阻止疲劳裂纹的扩展。
图3.1-4 珠光体基体的二次电子像
(a)大层片间距×3000；(b)小层片间距×3000
3) 夹杂物 研究表明，非金属夹杂物的数量、尺寸大小、形状及其分布比石墨更加显著地影响球铁的疲劳强度。夹杂物越少，形状粒化，颗粒越小，其疲劳强度越高。所以，生产球墨铸铁曲轴，采用金属净化是必不可少的工艺措施。通常采用在浇注系统中安放过滤网，净化铁液，图3.1-5是球铁曲轴立浇立冷的工艺方案，在浇注系统中放置了过滤网，起到了良好的净化铁液作用。
(3)力学性能
图3.1-6是抗拉强度(σb)与疲劳强度(σ-1)的关系图。如图所示，随着抗拉强度的提高，最初试棒的疲劳强度亦成正比例的提高；当抗拉强度上升到750 MPa时，疲劳强度不复增加，呈一水平线。所以，中小球铁曲轴的抗拉强度控制在600～800 MPa为宜，没有必要追求过高的抗拉强度值，以提高疲劳强度比(σ-1／σb)，充分发挥材料的强度潜力。
图3.1-5 球铁曲轴立浇立冷工艺方案 图3.1-6 抗拉强度与疲劳强度的关系
为适应曲轴的服役工况，材料还应有一定的塑性和韧性，通常延伸率大于3％为宜。同时曲轴材料还应有一定的硬度，一般200HBS～270HBS为宜，以适应曲轴耐磨性的要求。
3.1.2 湿型铸造球墨铸铁曲轴的工艺问题
1. 湿型铸造工艺 国内目前普遍采用湿砂型铸造，缩孔及缩松的体积约占铸件的4％～10％。
1) 冒口 应设置控制压力冒口。控制压力冒口适于在湿型中铸造模数MC=0.5～2.5cm的球墨铸铁件。目的在于补给铁液体积收缩而避免缩孔；当曲轴内因凝固而出现石墨化体积膨胀时，让铸件内的多余铁液部分地回充冒口，以减轻型腔内壁承受的压力，避免型壁外移而导致曲轴铸件胀大变形。又能在铸件内保留一定的压力用来消除缩松。这种冒口又叫“释压冒口”。众所周知，球铁具有糊状凝固的特性。铸件内保留的压力越高，消除缩松的效果越好。这就要求湿型有较高的、强度和刚度。
采用短冒口颈。冒口颈的模数依下式确定
M n=0.67M r
冒口颈的形状可选用圆形、正方形或矩形。
冒口的补缩距离 与传统冒口的补缩概念不同，控制压力冒口的补缩距离，不是表明由冒口把铁液输送到铸件的凝固部位，而是表明由凝固部位向冒口回填铁液，能输送多大距离。该距离与铁液冶金质量和铸件模数密切相关。冶金质量好，模数大，输送距离也大。输送距离达不到的部位，铸件内膨胀压力过高，将导致型壁塑性变形，使铸件胀大变形，内部却可能存在缩松。
控制压力冒口的经验： 尽量采用内浇道通过边冒口的引入方式；采用大气压力暗冒口为宜；采用扁薄内浇道。要求浇注后迅速凝固，促使冒口中快速形成大缩孔，以便容纳回填铁液；要求快浇；宜高温浇注。要求浇温在1371～1427℃±25℃；希望采用冶金质量好的铁液。
一般采用暗冒口。暗冒口在铸件上的位置可分为顶冒口和侧冒口。顶冒口放在铸件壁最厚处(即热节)的上面，侧冒口则设在热节的侧面。
工厂凭多年生产经验来确定冒口尺寸。成批大量生产可以通过解剖铸件来验证。图3.1-7给出了球墨铸铁曲轴常用侧冒口的尺寸比例范围。
图3.1-7 球墨铸铁曲轴侧暗冒口
2．球墨铸铁浇注系统的特点 球墨铸铁的铸造性能与普通灰铸铁不同，容易产生皮下气孔、二次氧化夹渣、球化衰退、浇不足和缩松等缺陷。因此，铸件浇注系统必须保证铁液平稳、畅通、比灰铸铁稍快地充型。为做到这点，许多工厂采用半封闭或开放式的浇注系统。其特点是：直浇口小，内浇口、横浇口的截面积均要比直浇口大。铁液进入型腔的速度低、平稳、无冲击。但这种浇注系统挡渣效果差。
二次氧化夹渣是球铁曲轴疲劳失效的主要裂纹源，所以，球铁曲轴的浇注系统必须采取挡渣措施，如茶壶嘴式浇包，拔塞外浇口、闸门浇口、过滤网、集渣包等。
球铁曲轴浇注系统各组元断面比例范围：
A直：A横：A内=1:(2～4):(1.5～4)
式中 A直为直浇道载面积mm2；A横为横浇道载面积mm2；A内为内浇道载面积mm2。
根据曲轴的大小和每型数量来选择浇注系统的尺寸。
3. 球墨铸铁曲轴的浇注方案 大致有4种:卧浇卧冷(包括斜浇斜冷)、卧浇立冷、立浇立冷、侧浇侧冷方案。
1) 卧浇卧冷 图3.1-8是球铁曲轴卧浇卧冷浇注工艺方案示意图。这种工艺适合于机械化、自动化程度较高,水平分型造型机的大量流水生产。
图3.1-8 球铁曲轴卧浇卧冷工艺方案
2) 卧浇立冷 图3.1-9是球铁曲轴卧浇立冷浇注工艺方案示意图。这种工艺造型方便，浇注时，铸型放平，铁液平稳经过冒口，无冲击地进入型腔。浇满后用泥塞头堵塞直浇口，然后立即立起铸型。此时，冒口位置最高，温度也最高，造成曲轴自下而上的顺序凝固，充分补缩，有利于消除缩孔及减少缩松。
图3.1-9 球铁曲轴卧浇立冷工艺方案
一些尺寸较大的曲轴采用卧浇立冷的干砂型工艺。但这种工艺劳动条件差，还需要专门翻转机构和地坑，不适合大量流水生产。
3) 立浇立冷球铁曲轴 立浇立冷浇注工艺方案。这种立浇立冷的工艺方案，适合于壳型铸造工艺生产小曲轴，可以实现一箱多型机械化流水生产。
4) 侧浇侧冷 图3.1-10是球铁曲轴侧浇侧冷浇注工艺方案示意图。这种侧浇侧冷工艺，适合于垂直分型无箱射挤压DISA造型线生产球铁曲轴。用DISA2070造型线生产4缸球铁曲轴，其铸型尺寸为700 mm×900 mm×(200～560)mm。其最大特点是造型速度快，占地面积小，生产率可达到150型／h～250型／h，无噪音，劳动强度低，辅机少，无砂箱，用砂量少，能耗少，自动化程度高。
图3.1-10 球铁曲轴侧浇侧冷工艺方案
4. 缩尺 球铁曲轴模型缩尺一般采用O.80％～O.85％。
3.1-3 湿砂型铸造曲轴的实践
1. 造型设备 典型的有空气冲击造型线、静压造型线、DISA造型线和高压多触头造型线等，全线配备自动浇注机，自动下芯机和抓件机械手。全线采用计算机自动控制，液压传动或伺服电机控制。
2. 砂处理 旧砂经过破碎、磁选、筛分、冷却，加入新材料混成合格的型砂。主要设备：混砂机、砂冷却器、筛砂机、磁选机及机械化运输装置。
造型用原材料应符合工厂的铸造原材料技术标准，原材料的验收入库、存放、检验、使用等应符合工厂的管理制度。严格禁止混料。
原材料中原砂、煤粉、膨润土或黏土等主要参数指标应该定期复检。
球墨铸铁曲轴的铸型紧实度高，型砂应具有较高的湿压强度和透气性，水分尽量低。球墨铸铁曲轴型砂配比及型砂性能详见表3.1-1、表3.1-2。
处理后的型砂应定点定时进行抽检型砂的性能，以保证制造出优质的砂型。
3. 造型 造型应根据所选用的造型设备依据工厂的工艺规程进行操作。
一般上型砂型硬度应>90，下型硬度>90，侧边硬度>80，用B型砂型硬度计测量。
表3.1-1 球墨铸铁曲轴型砂配比
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型砂
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新砂
占旧砂
|
旧砂
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煤粉
占旧砂
|
膨润土
占旧砂
|
有效煤粉
|
有效膨润土
|
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质量分数／％
|
3～5
|
100
|
O.4～O.8
|
O.5～1.2
|
4～6
|
9.13
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表3.1-2 型砂性能表
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项目
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紧实率
％
|
透气性
|
湿压强度
／MPa
|
抗拉强度
／MPa
|
湿度／％
|
破碎指数
|
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性能指标
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夏：40—50
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>60
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0.14～O.21
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2.0～3.0
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3.O～4.3
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60～80
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冬：38～46
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4. 制芯 选用低N树脂砂。抗拉强度为2.3～2.8 MPa，有效存放时间3 h。根据生产条件也可以选用其他树脂砂。热芯盒混砂机可选叶片式混砂机。
热芯盒树脂砂原材料技术条件详见表3.1-3；热芯盒树脂砂配比见表3.1-4；热芯盒树脂砂加料顺序及混砂时间见表3.1-5。
表3.1-3 热芯盒树脂砂原材料技术条件
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序号
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材料名称
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技 术 条 件
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1
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干石英砂
50／100目
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按国家标准，砂温<35℃
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2
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低氮树脂
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w(N)≤4.5％，w(游离甲醛)≤3％；w(固体)≥70％；
pH(6.8～7.5)；存放期<6个月；外观棕色液体；
黏度≤0.8pa．S；抗拉强度≥2.8 MPa。
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|
3
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固化剂
|
外观、无色透明液体，不得有析出或有结晶现象存在
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4
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三氧化二铁粉
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强度>94％，w(水分)<l％，粒度325目，不得有结块
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表3.1-4 热芯盒树脂砂配比
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项目
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石英砂／％
50／100
|
低氮树脂占
砂质量／％
|
固化剂占树
脂质量／％
|
Fe粉占砂
质量／％
|
|
配比/%
|
100
|
2.1～2.3
|
18
|
0.25
|
表3.1-5 热芯盒树脂砂加料顺序及混砂时间
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加料顺序
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Ⅰ 干石英砂
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Ⅱ Fe203
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Ⅲ 固化剂
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Ⅳ 树脂
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混砂时间／s
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O
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10～20
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20～30
|
30～40
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5. 熔炼 炉料准备 承担着生铁、废钢、回炉料、合金料、焦炭、石灰石等炉料的储存、净化、筛分、运输、装卸、配料称量、装卸等工序。
1) 熔炼设备 采用冲天炉熔化、工频炉提温、保温的双联熔炼工艺。冲天炉化铁便宜，感应电炉提温、调整化学成分容易。铁液经冲天炉流槽或单轨输送至炉外脱硫，如多孔塞底吹脱硫，进工频炉中提温、保温、均匀铁液化学成分、储存起来连续供应铁液。这种双联熔炼工艺有利于保证铁液质量，对于缓解造型线铁液需求量不平稳问题，稳定铁液化学成分，连续大量提供优质铁液起到十分重要作用。如某工厂采用20 t／h热风除尘冲天炉和45 t有芯工频感应电炉双联熔炼工艺，并且采用了先进的集中控制系统监控冲天炉熔炼过程中各种技术参数的变化。双联熔炼工艺，适合于大量流水生产。
电炉熔炼 很多工厂采用O.5-lO t感应电炉熔炼生产球铁曲轴。电炉熔炼化学成分，铁液温度等技术参数容易控制和调整，但电能耗量大。
电炉熔炼过程中应经常观察坩埚的侵蚀情况和炉子功率表，若有漏炉危险，应立即停止熔炼，以免把感应线圈烧坏，引起爆炸事故。感应电炉熔炼是曲轴生产的理想熔炼设备。
2) 铁液温度(热电偶测温) 表3.1-6列出了不同阶段的铁液温度。为了提高铁液的纯净程度要求铁液有一定的过热温度；球化处理温度冬季一般取上限，夏季可以选择中下限；浇注温度应根据曲轴的大小和实际情况进行调整。
表3.1-6 铁液温度 /℃
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过热温度
|
处理温度
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浇注温度
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1520～1550
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1490～1520
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1340～1420
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3) 铁液的化学成分 表3.1-7中给出了球铁曲轴一般控制的化学成分。Cu、Sn可以组合加入，也可以只选Cu一种元素合金化：可以出炉前加到炉内，也可以在球化包内加入。依据生产中原材料的情况和曲轴图纸设计要求，选择加入量。
表3.1-7 铁液的化学成分 /％
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种类
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w(C)
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w(si)
|
w(Mn)
|
w(P)
|
w(S)
|
w(Cu)
|
w(Sn)
|
w(Mg)
|
w(Re)
|
|
原铁液
|
3.6～ 3.95
|
1.1～ 1.4
|
≤0.3
|
≤O．06
|
≤0.02
|
|
|
|
|
|
铸件
|
3.6～
3.8
|
1.8～
2.2
|
≤O．3
|
≤0.06
|
≤O．02
|
0.4～
0.8
|
0.02～
0.05
|
0.35～
0.06
|
0.01～
0.05
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表3.1-8列出了国内主要汽车厂生产球铁曲轴化学成分，供生产厂家选择化学成分参考。
表3.1-8 主要汽车厂球铁曲轴的化学成分 /％
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厂名牌号
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第一汽车二铸厂
QT550-3
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第二汽车铸造一厂
QT700-3
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南京汽车铸造厂
QT600-3
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第一汽车特铸厂
QT600-3
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质
量
分
数
|
w(C)
|
3.60～3.95
|
3.70～3.95
|
3.80～4.00
|
3.60～3.90
|
|
w(Si)
|
1.80～2.20
|
1.80～2.10
|
2.00～2.30
|
1.80～2.20
|
|
w(Mn)
|
≤O.35
|
0.50～0.70
|
0.60～0.90
|
≤0.30
|
|
w(P)
|
≤0.67
|
≤O.07
|
≤0.10
|
≤O.06
|
|
w(S)
|
≤0.02
|
≤0.02
|
≤0.05
|
≤0.02
|
|
w(Cu)
|
0.60～0.80
|
0.50～0.70
|
|
0.40～0.80
|
|
w(Sn)
|
|
|
|
0.02～0.05
|
|
w(Mg)
|
0.035～0.065
|
0.040～0.055
|
0.030～0.050
|
0.035～0.060
|
|
w(Re)
|
0.010～0.050
|
0.020～0.040
|
0.025～0.050
|
0.010～0.050
|
6．球化孕育处理 球化孕育处理是生产优质球铁曲轴的关键工序。
(1) 球化包 一般采用冲入法在堤坝加盖包中进行球化处理。250k球化包，在一次出铁水后人工加包盖；大球化包，例如1000 kg球化包，采用旋转臂式加盖机构。球化包修筑的质量，包括包内腔尺寸、形状以及坝砖的高度等直接影响球化效果。通常球化处理包直径与包高度之比为1：(1.5～2.O)。球化处理包在使用前，必须用煤气或其他燃料预热至600℃～800℃呈暗红色，或用高于1500℃铁液烫包1～2次。
(2) 合金及其称量 生产中各种合金必须准确称量，球化铁液也应准确称量，铁液量的偏差不得超过处理铁液的1％～4％。
球化剂的加入量依据原铁液的S量不同，可以适当调整。含S化学成分越低，球化剂加入量越少。含S在O.015％～O.030％时，稀土镁球化剂加入量为1.2％～1.5％。当然，球化剂加入量还与球化剂含Mg量及球化处理方法有关。
曲轴生产应强化孕育工艺，采用延后孕育处理工艺措施，如型内孕育、随流孕育或倒包孕育。一次孕育剂加入量依据原铁液含Si量和球化剂带入si量的不同而适当调整。一般为0.2％～O.7％。倒包孕育加入量为O.2％～O.4％。浇口杯随流孕育采用40～70目硅铁合金，加入量为O.08％～0.15％，随流孕育剂应随铁液一同注入浇口杯，并不得断流，加入量用调整给料速度控制。
(3) 装包及球化处理 球化处理包的凹坑内不许有残留铁液，不许过早将球化剂加入赤热的包内，尽可能缩短加入球化剂到球化处理之间的时间间隔，一般应少于2 min。
球化剂应较平坦地铺加在包的凹坑底部；一次孕育剂应较均匀地加盖在球化剂上面；再将球化盖板或适量的覆盖剂加在上面。包内加入铜、锡合金时，最后加在最上面。球化处理铁液温度为1490℃～1520℃。
1) 出铁进行球化处理 第一次快速出铁液量应不少于处理铁液量的2／3。保证球化反应在铁液中进行，以提高球化剂中镁的吸收率。一般球化反应时间不少于50 s。球化反应结束，补充铁液量。
2) 两次扒渣 采用两次扒渣，扒净球化后铁液表面的浮渣。同时在浇注时应用挡渣措施，一般采用茶壶包浇注，以撇去铁液表面产生的二次氧化渣。
3) 炉前快速金相分析 炉前球化快速鉴别方法很多，可从球化反应的时间、反应激烈程度、火苗的大小判断；也可以浇注φ12mm×(100～150)mm试棒快速金相分析，检验铁液球化情况。浇注试棒的铁液,应在球化反应后扒渣前取自包内距表面100～150 mm深处，以保证取样及时、纯净均匀。φ12 mm试棒断口呈银白色致密状，敲击时尖锐有韵如同钢声，激水或砸开后有电石气味为球化良好。
炉前快速金相检验准确可靠。从浇注到报告结果大约需2 min，球化1～2级为球化良好，3级以上不合格铁液不浇注。。
7. 浇注 浇注时铁液必须迅速充满浇口杯。浇注过程中不能断流，保证浇口杯始终充满铁液，先快后慢,收流要稳。
1) 浇注温度 1420-l340℃。浇注前，用热电偶测温。
2) 延后孕育 采用随流孕育时，随流孕育装置的给料应与注入铁液同步，严格禁止断流和漏加。随流孕育粒度40～70目，孕育剂加入量为0.08％～0.15％。
倒包孕育 孕育剂的粒度2～5 mm，加入量为孕育铁液质量的0.2％～0.4％。
3) 浇注时间 一包铁液要在12 min内浇注完毕，防止球化衰退。球化衰退抽检取样应取自浇注完末型后包内的剩余铁液。
8. 金相组织要求 见表3.1-9。
表3.1-9 金相组织
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铁液牌号
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合格范围
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|
石墨组织
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基体组织
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炉前快速
金相组织
级别
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铸件球
化级别
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石墨大
小／级
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w(珠光体)／％
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w(磷共晶
+游离渗碳体)／％
|
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QT600-3
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1～2
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1～3
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5～8
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≥70
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≤3
|
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QT700-3
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1～2
|
1～3
|
5～8
|
≥75
|
≤3
|
9.力学性能要求 见表3.1-10。
表3.1-10 力学性能
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铁液牌号
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合格范围
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|
σb/MPa
|
δ％
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HBS
|
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QT600-3
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≥600
|
≥3
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190～270
|
|
QT700-3
|
≥700
|
≥3
|
220～300
|
采用国家标准规定的球墨铸铁用单铸Y型或敲落试块测定力学性能。尺寸较大的曲轴可以在曲轴的小头各放置附体金相试块和机械性能试块。但曲轴附体试块注入铁液流程长、温度低、且体积小、冷却速度快，基体中珠光体含量高于单铸试块，而且细密，力学性能中抗拉强度和布氏硬度也可高于单铸试块。所以，原大断面曲轴附体试块性能不能直接作为铸件的实际性能，但可以作为参考。
10. 落砂时间 曲轴在砂型内冷却50 min，温度约600℃以下，方可进行落砂。
11. 清理和检查 球铁曲轴清理、检查流程框图见图3.1-11。
图3.1-11 球铁曲轴清理检查流程图
1) 落砂及一次检查 球铁曲轴经造型线落砂，倒运到鳞板输送机上，再将曲轴浇口打掉。然后，对曲轴浇口断面及附铸试块断面进行宏观检查，频次100％。检查:球化是否良好，是否石墨飘浮。有问题的进行金相检验，并对该批曲轴做隔离处理。对于每批次的曲轴抽检附铸试块，进行球化率和基体组织的检查；球化不良的铸件报废：w(珠光体)不够或渗碳体超标可以进行正火热处理，正火后金相组织合格则认为该批次铸件为合格，否则报废。一次检查合格的铸件经抛丸室进行抛丸清理。
2） 清理 将带冒口的曲轴挂在专用吊勾上，经悬链输送到抛丸室进行抛丸清理。抛丸后的曲轴打掉冒口。轿车用曲轴或设计上有特殊要求的曲轴，可以用圆盘锯床锯掉冒口，或用专用铣床铣端面和去掉冒口。铲磨曲轴飞边、毛刺。曲轴加工定位面应清理平整。浇冒口残余小于2 mm；轿车曲轴浇冒口残余少于1mm。飞边毛刺:一般曲轴加工面小于3mm,非加工面小于2 mm；轿车曲轴的飞边毛刺小于1mm。
4） 最终检查 一般对曲轴的轴向和径向尺寸，30～100根抽检一根。然后，对球铁曲轴必须进行100％的成品无损检测；一般用超声速法或音频法检查曲轴的球化率；用剩磁法检查曲轴的基体组织；用磁粉荧光法检查曲轴的表面裂纹；用超声波法检查曲轴的缩孔等缺陷；在曲轴固定的位置打硬度，检查曲轴的力学性能及耐磨损性能。以上各项在生产中有针对性地选择采用。在成品检查流水线最后工序，在合格曲轴上打上生产日期及批次编号。
5） 防锈处理 合格的曲轴需经防锈处理后入成品库。一般采用磷化防锈处理工艺。磷化工艺规范见表3.1-11。
表3.1-11 磷化工艺规范
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项 目
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总酸浓度
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游离酸浓度
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酸比
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磷化时间／min
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工作温度／℃
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|
参数值
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17～19点
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1.0～1.2点
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1：(16.5±O.5)
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7～9
|
65±0.5
|
磷化后的铸件需进行水洗。水洗分为室温水和热水洗两阶段。室温水洗操作技术条件见表3.1-12；室温水洗后的曲轴经0.6min的沥液，进入热水洗阶段。热水洗操作技术条件见表3.1-13。
表3.1-12 室温水洗操作技术条件
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项目
|
总酸点数
|
温度
|
清洗方法
|
清洗时间／min
|
沥水时间／min
|
|
参数值
|
≤10点
|
室温
|
喷
|
0.5
|
0.6
|
表3.1-13 热水洗操作技术条件
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项目
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总酸点数
|
温度／~C
|
清洗方法
|
清洗时间／min
|
沥水时间／min
|
|
参数值
|
≤0.5点
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60±5
|
喷
|
0.5
|
0.6
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磷化曲轴经热水洗后，用0.3～0.4 MPa的洁净无油压缩空气,吹净铸件表面的积水，或直接进入烘干室经(95±5)℃热风烘干10 min。磷化后的铸件应在短时间内发往加工单位，特别是潮湿的夏季要防止在库内表面锈蚀。
3.1.4 球铁曲轴的铸造缺陷及对策
球墨铸铁曲轴常见的铸造缺陷有:球化不良、珠光体含量低、缩孔缩松、石墨漂浮、反白口、夹渣、皮下气孔等。
1. 球化不良 球化不良表现在曲轴的浇冒口断面中有大块黑斑或明显可见的小黑点，金相显微组织上有较多的厚片状石墨或枝晶石墨。
1) 主要原因 ①原铁水含硫过高。球化干扰元素含量过高；②球化孕育作用不强或衰退；③残留镁量或稀土元素量不适当，过多或过少。
2) 防止措施： ①炉料：尽量选用低硫磷优质生铁及焦炭，块度适当。严格禁止混料。冲天炉熔炼要强化脱硫；②不用不合质量要求(成分的质量分数、块度)的球化剂。球化剂中氧化镁的质量分数应小于1％。球化剂不久放，不受潮，随用随破碎；③提高铁水过热温度，有条件的工厂最好采用电炉熔炼；④球化处理：准确控制球化铁液量，防止炉渣流入包内。强化球化和孕育处理工艺，采用延后孕育措施。如随流孕育，倒包孕育；⑤浇注时间要短。球化处理后在12 min内浇注完毕，防止球化孕育衰退。
2. 珠光体含量过低 主要原因：①成分质量分数及合金元素含量不适当；②铸型冷却条件不好；③浇注温度过高。
改善措施：①选择合适的碳、硅及碳当量；②调整锰、铜、锡等元素的含量；③打箱时间：一般45～60 min，铸件温度低于600 ℃； ④适当调整浇注温度到1410℃～1350℃；⑤选择适当的型砂的水分含量。
3. 缩孔、缩松 缩孔及缩松是球墨铸铁曲轴最常见的铸造缺陷，在曲轴的热节或最后凝固的部位出现一些微观或宏观孔洞。用肉眼可以看出的，尺寸较大而集中的孔洞称为缩孔；另一些肉眼不易辨分的、细小的、分散的孔洞称为缩松。
若冒口补缩不足，将在冒口下端热节处出现集中缩孔；曲柄臂和主轴径交界处，散热条件差，容易出现缩松。
1) 主要原因： ①碳当量过低；②残留镁量过高；③铸型刚度不够，退让性过大。
2) 主要措施： ① 选择实用冒口、提高铁液的冶金质量，利用共晶膨胀实现自补缩； ② 提高铸型的刚度，湿砂型的铸型表面硬度大于90，较大的球铁曲轴采用刚性大的铸型，如干砂型、自硬砂型、金属型复砂等； ③ 适当提高碳当量w(CE)=4.2％～4.6％，w(C)=3.6％～3.9％，w(Si)=1.8％～2.2％；④采用稀土镁合金球化剂，减少Mg的残留量至w(Mg)=0.030％～0.055％；⑤浇注温度选择1350℃～1400为宜。
4. 夹渣(黑渣) 夹渣缺陷多出现在轴上表面死角处。根据形成的时间可以分为一次夹渣和二次夹渣两大类。二次夹渣对曲轴的疲劳强度影响最大。
1) 形成因素： ①Mg含量过高。残留Mg量越多，夹渣层越厚；②原铁液含S量过高。原铁液S量越高曲轴的夹渣缺陷越多；③球化剂、孕育剂过多，使Si量过高，形成氧化夹渣；④浇注温度过低。一次渣、二次渣来不及逸出铸件形成夹渣。
2) 采取措施： ①降低Mg的残留量至w(Mg)=0.030％～0.055％； ②降低原铁液含S量到w(S)≤0.03％； ③降低球化剂中的S含量，减少孕育剂硅铁的加入量。采用延后孕育处理方法：如浇口杯随流孕育、型内孕育、倒包孕育等；④提高浇注温度，大于1350 ℃； ⑤调整浇注系统各部分截面积比例，保证平稳供给铁液，力求避免铁液的飞溅和紊流；⑥使用除渣剂：铁液表面覆盖0.10％～0.15％冰晶石粉，再加草灰搅拌、扒渣。如此二、三次，再覆盖0.3％的冰晶石粉，可有效除渣。用冰晶石粉时应注意防毒，加强通风；⑦浇注系统中加过滤网。
5. 皮下气孔 常出现在曲轴的上表皮层下O.5～0.3 mm处，形成分散细小的筒状或尖角状的孔洞，直径多在0.5～3.0 mm，有些呈球状。其内表面光洁，有时带一些夹渣和石墨。
1) 形成原因 ①Mg和稀土元素残量过高。S量过高； ②Al、Ti元素过量并存，导致产生皮下气孔； ③铸型水分过高，产生过多的气体；④孕育剂破碎后存放时间过长、吸潮，使皮下气孔增加；⑤铁液处理温度和浇注温度过低。
2) 采取措施 ①严格控制型砂水分，w(水)=3.5％～4.5％。提高混砂质量及型砂透气性；②使用煤粉砂。一般w(有效煤粉)=5％～7％，即可减少皮下气孔；③往铸型上喷一薄层用Fe203粉和煤油搅拌成的悬浊液，可以减少或消除皮下气孔；④ 往铸型表面撒冰晶石粉，也是消除皮下气孔的有效方法；⑤炉料净化，其表面无锈、无油垢、无潮湿；⑥孕育剂使用前烘烤：200℃～300℃，烘烤1 h；铁液包烘烤透；孕育剂w(Al)＜O.5％；⑦提高铁液温度:1520℃～1540℃；球化处理温度:1490℃～1520℃；浇注温度:1350℃～1410 ℃：⑧保证球化前提下，尽量降低Mg残留量；⑨降低原铁液含S量，浇注前静止片刻。
6. 石墨漂浮 石墨漂浮出现在曲轴的上表面或热节转角处，呈密集的黑斑。外观与夹渣层类似，但仔细观察，可以看到夹渣层深浅不一，呈块状连接分布，而石墨漂浮则是密集的黑斑，与正常的银白色断口组织有清晰可见的分界线，黑白分明。
1) 产生因素： ①C和Si含量过高；②镁量过低或稀土量过高，石墨漂浮增加；③浇注温度越高，石墨漂浮层越厚。同一包铁液，先浇注的石墨漂浮严重，后浇注的温度低，石墨漂浮越轻；④新生铁C含量越高，或配料中新生铁比例越高，则石墨漂浮越易产生。
2) 采取措施： ①严格控制C、Si含量:w(C)=3.6％～3.9％，w(Si)=1.8％～2.2％。大断面曲轴可以取下限; ②采用低硅原铁液，w(Si)=1.1％～1.3％。加强延后孕育处理工艺； ③在保证球化前提下，严格控制球化剂加入量，特别是稀土残留量应小于0.05％；④适当降低浇注温度；⑤合理使用冒口，使漂浮集中至冒口的上部；⑥加快冷却速度，热节处可以选择放置冷铁。
7. 反白口 反白口是渗碳体量多而集中在热节处或最后凝固的地方。这种缺陷附近经常有缩松存在。原铁液C和Si含量对产生反白口没有直接影响。
1) 产生反白口的主要原因 ①稀土残留量过高；②孕育不良或孕育衰退。
2) 防止反白口的主要措施 ①减少球化剂稀土元素含量，适当降低球化剂加人量； ②强化延后孕育处理，采用瞬时孕育或多次孕育；③提高出炉温度，稳定球化和孕育处理工艺操作。处理后尽快浇注。
3.1.5 球铁曲轴的局部强化 表面强化可防止疲劳裂纹生核，提高曲轴疲劳寿命，提高耐磨性，局部强化的预压力可阻止或延缓裂纹的疲劳扩张速率。研究表明：中频轴径淬火加圆角滚压复合表面强化工艺，可使σ-l提高80％～90％，同时提高耐磨性1.5倍：辉光离子氮化加圆角滚压复合表面强化工艺，σ-1提高163％，同时提高耐磨性1.5～2.5倍。可见，复合表面强化工艺是保证曲轴质量，提高曲轴寿命的重要途径。表面强化工艺对于以弯曲、扭转疲劳破坏和早期轴径磨损烧伤为主要失效方式的曲轴生产是必不可少的强化工艺。
关于铸态球铁曲轴局部强化的方法有：表面淬火、表面氮化处理、圆角滚压强化及强化喷丸等。
3.2 6100型汽车用铸态球墨铸铁曲轴
3.2.1 生产条件及技术要求
1 生产性质 大量生产
2 材质 QT600-3
3 结构及使用条件 铸件重44.6kg，外形尺寸为φ190mm×918mm，是弯曲的实心曲轴。主轴颈零件尺寸φ75
mm，铸件φ82mm。连杆轴颈零件尺寸φ62mm，铸件φ70mm。使用中承受最大扭矩为412N·m，最大功率为115kw。曲轴是汽车发动机的重要零件。
4 主要技术要求 机械性能方面：抗拉强度σb≥600MPa(60kg／mm2)，延伸率δ≥3％，冲击韧性σb≥14.7N·m／cm2(1.5kg·m／cm2)，布氏硬度HBl97～259。
金相方面：球化在3 B级以上，珠光体多于75％，碳化物及磷共晶总量≤5％。
铸件尺寸公差要求：第四主轴颈摆差≤2.5mm。加工余量公差±1.0 1.5mm(MA、CT)。非加工面公差±1.Omm(曲柄侧面为非加工面)。中心孔距外圆径向偏差≤O.5mm，曲轴总长912.23～912.43mm。
5. 造型、制芯 在ZB3512电磁微震压实造型机上造型，比压0.7～O.9MPa，使用油压压力大于等于6.5MPa。砂箱尺寸为1150mm×650mm×220mm／200mm。采用K 85壳芯机制芯。
6. 熔化、浇注 用10t无芯工频感应电炉熔化原铁水，在1t铁水包中进行球化处理，转150kg浇包进行浇注。
3.2.2 熔炼工艺 铸造曲轴的化学成分确定为：原铁水成分(％)是:C 3.8～4.0，Si O.9～1.1，Mn O.6～O.75，P≤O.07，S≤0.04，Cu O.5～0.6。
采用冲入法进行球化处理，球化剂为包钢6号稀土镁合金，加入量为1.3～1,6％，处理温度1420℃～1440℃。
浇注温度为1270℃～1350℃。用75Si-Fe孕育，孕育剂量为0.7～O.9％。
3.2.3 铸造工艺方案的确定
1． 凝固顺序 球铁具有糊状凝固的特点，且石墨化膨胀作用显著。铸件主軸頚处最大模数为Mc=2.05cm。测定曲轴的冷却曲线发现：铁水浇入铸型后尚有130℃～200℃的过热度。对于湿型，采用控制压力冒口，即补缩曲轴的液相收缩，以消除集中缩孔。至于冷却到共晶凝固阶段，出现糊状凝固，铁水补缩困难，这时则依靠部分的石墨化膨胀作用，实现自身补缩，以便消除缩松。最后决定控制压力冒口的形式为：大气压力侧冒口，铁水经冒口引入铸件。
2. 浇注、冷却位置的选择 参照我国多年来生产球铁曲轴的生产经验，对该曲轴有可能采用如下各种方案：
(1) 竖浇竖冷方案 见图3.2-1。冒口设在曲轴大端(法兰盘)的上方，处于最高位置，有三种浇注方式：
1) 底注式 内浇道开设在曲轴最下端，铁水在进入型腔前先经集渣包。这种浇注方式铁水充型平稳，自下而上逐渐充满，有利于型内排气。但冒口内的液体金属温度低，不利于补缩，曲轴的热节处产生缩松。见图a)。
图3.2-1 曲轴的竖浇竖冷工艺方案
a)底注式 b)阶梯式 c)顶注式
2) 阶梯式 这种浇注系统充型平稳，使曲轴上部温度稍许高于下部， 补缩不够显著，曲轴热节处仍有缩松。见图b)。
3) 顶注式 铁水经冒口由上部注入，预热了冒口砂型，铸件上部温度明显地高于下部，有利于冒口的补缩效果。虽然解决了缩松问题，但铁水对型壁冲刷严重，造成飞溅，充型不平稳，铁水易于氧化，并带来渣孔、铁豆、冲砂等铸件缺陷。见图c)。
总之，竖浇、竖冷方案的主要优点是冒口在最高位置，冒口内金属液的压力头高，对铸件补缩有利。主要缺点是竖浇、竖冷工艺难于在大量生产的流水线上应用，且几种浇注方式都有导致铸件缺陷的可能。
(2) 横浇竖冷方案 见图3.2-2。这样浇注，充型平稳，铁水先经冒口进入型腔，提高了冒口内金属液的温度。浇注后，立即用湿型砂将漏斗形浇口杯堵塞，然后将铸型转90o竖冷。冒口在铸件最上方，可以充分发挥补缩作用，有利于获得健全的铸件。正因为它有上述这些优点，至今有些工厂生产的球铁曲轴，特别是大型曲轴，仍然采用这种方案。其主要缺点是横浇竖冷的操作繁重，生产率低，无法适应大量流水生产的要求。
图3.2-2 曲轴的横浇竖冷铸造方案
a)铸型装配简图 b)实现横浇竖冷的方法
(3) 横浇、横冷方案 见图3.2-3。铸型的造型、浇注、冷却均呈水平状态。该方案的缺点是冒口的补缩压力较竖冷方案为小。但是，我国自六十年代中期应用该方案生产稀土镁球铁曲轴以来，大量实践证明：只要注意控制铁水成分和浇注温度，注意控制型砂和铸型硬度等工艺因素，收缩缺陷可以消除。而该方案，充型平稳、劳动条件好、生产率高、便于大量生产的流水作业，故决定选用横浇、横冷方案。
3.2.4 造型工艺
1. 铸造工艺方案 铸型装配图见图3.2-3。第2、3、4、5连杆颈分别用砂芯形成，每箱铸两支曲轴。
分型面通过l、6连杆颈和主轴颈轴线。1、4号砂芯通用。
2. 浇注系统 结构如图3.2-3所示。各断面间的比例为：
F直：F闸：F过：F横：F内=1.77：1.16：1.27：1.536：1。
3. 型砂及芯砂 对型砂(单一砂)的性能要求是：
湿压强度O.11～0.15MPa，湿拉强度27～40kPa,透气性大于100(AFS)，紧实率38～44％，有效粘土含量6.5～8.0％，流动性80±5，有效煤粉含量6～7％，总细粉含量11～14.5％。使用粒度为70／140 目的原砂。
最早采用呋喃I型树脂砂,热芯盒制芯，因其含氮过高，易引起气孔，故改用壳芯树脂砂制芯。
壳芯制芯的主要工艺参数：吹砂压力O.3～O.4MPa，吹砂时间2～4s，结壳时间15～25s，烘烤时间40～50s，烘烤温度180℃～200℃。
4. 比压 在ZB3512电磁微震压实造型机上造型，压实比压选用0.9 MPa。铸型硬度为85～95(靠近砂箱四周为7O～80)单位。高的铸型硬度可保证曲轴尺寸精度高、利用球铁的石墨化膨胀减少缩松倾向。从这个意义上说，希望选用更高的比压。但受ZB3512电磁微震造型机本身刚度的限制(原机设计比压为O.4～0.7Mpa)。
5. 加工余量(MA, 非RMA) 主轴颈，3.5mm。连杆轴颈，4mm。法兰和曲轴小端侧面，4mm。轴颈台肩，3mm。
6. 铸造收缩率 取O.7％。
图3.2-3 6100曲轴的铸型装配图
3.2.5 质量检验及主要缺陷防止
大量生产铸造曲轴，必须加强质量检验工作，特别是无损检验，方能有效控制质量。曲轴的主要检验工作有：炉前铁水球化质量，曲轴本身的球化质量检验等。生产中曲轴本身的球化质量是用曲轴音频检验仪来进行判别的。音频检验原理是：测出曲轴的纵向振动固有频率，用以鉴定曲轴的球化率是否合格。这是因为石墨的形状、大小、数量和分布影响铸铁的弹性模量，而弹性模量的大小与固有频率有关。因此，在一定条件下测定曲轴的固有频率能间接反应出球化率等内部质量情况。这如同用敲击曲轴所发出的声音去辨别球化好坏的道理基本一致。生产经验证明，这是一种行之有效地检验手段，该法还可发现裂纹。
主要缺陷是皮下气孔、夹渣和有时球化不良。
1. 皮下气孔 有一种皮下气孔多出现在砂芯成型的曲轴圆弧面上，气孔在φ3mm以下，深度2～5mm。有的呈圆柱状。这种气孔主要和芯砂中含氮量高有关。
另一种是针孔。一般出现在曲轴小端和1—4拐的上表面，大小和深度多在2mm以内，有时与夹渣同时出现。
从生产中的统计和分析中认为，主要和以下因素有关：铁水中残留的稀土镁量过高，铁水温度低，型砂中的有效煤粉含量低。改善了这些因素，针孔则明显减少。可以认为这种针孔是一种反应性气孔。
2. 夹渣 产生在铸件上表面，从断面上或从机加工后的表面上，肉眼可以观察到黑渣的分布，用硫印、氧印的方法则能更清晰地显示出来。
黑渣主要由镁和稀土的氧化物、硫化物、氢化物以及二氧化硅、硫化锰、氧化铁、氧化铝等组成，是一种十分复杂的非金属夹杂物。主要由铁水的氧化膜及硫化夹杂物所引起的。
防止方法：降低原铁水的含硫量，减少球化处理后铁水中的残余镁量，保证足够的残余稀土量，提高浇注温度，向铁水表面加盖冰晶石粉等。采用以上措施后，黑渣缺陷就很少发现。
3.3 球墨铸铁汽车后桥壳
3.3.1 生产条件及技术要求
1 生产方式： 大量流水生产。
2 材质： QT450—10。
3 质量： 89 kg。
4 结构及尺寸： 轮廓尺寸为：1616mm×φ426 mm×147 mm，主要壁厚11 mm，最厚部位40 mm。
5 使用条件： 后桥壳是5t平头柴油车上最大的球铢件，其使用条件极为恶劣，需要承受很大的弯曲应力。后桥壳具有较大的强度和刚度，是汽车上的重要保安件，技术要求极为严格。
6 造型： 单主机气冲造型线。砂箱内径尺寸1850 mm×850 mm×350 mm／350 mm。设计生产率60型／h。气冲压力0.35 MPa～0.50MPa。砂型硬度40～60(C型硬度计)。
7 制芯 ①GSR2两工位热芯制芯机： 砂芯最大质量13.8 kg。芯盒最大轮廓尺寸1070 mm×650mm×300mm。生产率60～80盒／h。②KXF763壳芯制芯机: 加热板尺寸700mm×650mm。芯盒厚度200～350mm。生产率20盒／h(煤气加热)。
8 熔化、浇注: 冲天炉与电炉双联熔炼，多孔塞连续脱S，w(S)≤0.025％，采用冲入法球化处理，稀土镁合金作球化剂。铁水共进行3次孕育，孕育剂使用75Si-Fe。第1次孕育与球化同时进行,第2次在浇包内孕育，第3次采用型内孕育。电炉铁水球化前后的质量分数如表5-l所示。
铁水出炉温度控制在1460℃～1490℃，浇注包可容纳铁水质量300 kg。
表5-1 电炉铁水球化前后各元素质量分数 ％
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质量分数
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w(C)
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w(Si)
|
w(Mn)
|
w(P)
|
w(S)
|
w(Cr)
|
|
球化前
|
3.6～3.9
|
1.20～1.40
|
<0.40
|
<0.07
|
<0.08
|
<0.06
|
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球化后
|
|
2.50～2.80
|
<0.40
|
<0.07
|
<0.03
|
<0.06
|
3.3.2 工艺方案的确定
1 分型面的选取 分型面如图3.3-1所示，分型面在铸件最大截面处通过轴孔中心线，便于下芯和布置浇注系统。
2． 加工余量的确定 由于采用气冲造型，铸件尺寸精度提高到CT8～CT9级，加工余量相应减小，钢板弹簧支架处加工余量由3.5mm改为2.5 mm，大法兰内径加工余量由4.5mm改为4.0mm。
3． 拔模斜度的确定 考虑有利于起型，又能保证加工余量均匀，拔模斜度采用l°。
4． 缩尺的选取 根据实际生产情况，统一选取为0.7％，不采取以往分段给缩尺的方法。
图3.3-1 分型面
5． 浇注系统的设计 见图3.3-2。
(1) 吃砂量的选取及型板布置 考虑到铸件的形状、尺寸及砂箱内尺寸，铸件在型板上的位置如图5-2所示，吃砂量最小处45 mm。
图3.3-2 型板布置简图
(2) 浇注时间及浇注系统各截面积的确定 根据球墨铸铁件浇注时间的经验公式确定浇注时间：
(3.3-1)
式中：t为浇注时间(s)；G为铸型中铁水总量(N)。
经过试制得出铸型中铁水总重为l264.2 N。
求得浇注时间为12.6～17.6 s，为防止冷隔和浇不到，浇注时间定为14 s。
(3) 直、横、内浇道截面积的确定 根据Osann公式可计算出浇注系统最小截面积之和。
(3.3-2)
式中∑A内-浇注系统最小截面积之和；G-型内铁水总重1264 N；μ-流量系数，取0.4；t-浇注时间，取14 s；HP-平均压头，取O.33m。
代入上试，计算出∑A内=1.268×10-3m2=1268 mm2
采用封闭式浇注系统，能充分提高浇注系统的挡渣能力，避免因渣孔造成后桥铸件的漏油。最后确定内浇道截面积总和为l260mm2，横浇道截面积总和为l380mm2，直浇道截面积为1520mm2。浇口比 ：
A直：A横：A内=1.21：1.09：1.00。
横浇道高而窄，以便减少进渣率；内浇道扁而薄，以降低其吸动区。内浇口开在安装钢板弹簧处，有利于铁水充型和补缩。
6． 砂芯的设计 铸件内腔由4个砂芯组成，其中桥片芯采用分开式制芯，由№.1／4上下两片砂芯形成大法兰内腔，使手工下芯更为方便。№．2／3桥腿芯采用KXF763壳芯机制造，在每个芯上放2个芯撑，而且在砂芯上做出2个芯撑窝座，保证芯撑不移位。以便防止砂芯在铁水浮力作用下产生变形和断裂。
7. 抬箱力的计算 后桥铸件比较大，而且没有箱勾及压箱机构，为了避免铸件产生抬箱、跑火，所以在设计过程中必须对抬箱力加以计算
P抬=A型×H×ρ液+V芯×ρ液
式中：P抬-抬箱力；A型-型腔投影面积；H-压力头高度；ρ液-液态金属密度：V芯-被金属包围的砂芯体积。
利用CAD直测型腔投影面积为2120cm2，铁水密度7.3g／cm3，砂芯密度1.5g／cm3，No.1／4砂芯质量270.48N，No.2／3砂芯质量39.2 N，可计算出抬箱力为477.6 N，远远低于上型质量19600 N，故不会出现抬箱。
3.3.4 质量检验及缺陷防止
1. 质量检验 后桥铸件采用大量流水生产，必须加强质量检验工作，方能有效控制质量。主要检验炉前铁水质量分数、出炉温度、炉前球化快速金相检验、机械性能检验、炉后金相检验、一次宏观检验、二次宏观检验、常规划线检查。实践证明：通过以上有效检验，能够有效地控制和保证后桥铸件的质量。
2. 主要缺陷及防止措施 主要缺陷是铸件变形。
(1) 变形 由于气冲造型砂型强度高，后桥铸件在冷却落砂后产生轻微弯曲变形。为解决此问题，通过穿测量棒的方法检验后桥铸件变形与否，对变形铸件集中校正，并在大法兰底部法兰面上增加2mm的工艺补正量。
(2) 钻芯 采用加封火泥条的办法，解决了桥片芯中间钻铁水,造成毛刺厚大,难于清理问题。将N0．2／3桥腿芯由壳芯改为热芯，效果良好。
3.5 金属型覆砂铸造球墨铸铁曲轴、凸轮轴
3.5.1 金属型覆砂铸造球墨铸铁曲轴
1． 球墨铸铁曲轴金属型覆砂造型 金属型刚度大，能最大限度地利用球墨铸铁共晶凝固膨胀，实现自补缩，避免缩孔、缩松。但冷却速度快，可能在球铁曲轴中形成渗碳体或白口，影响曲轴的性能；为了避免冷却速度过快，在金属型内部表面覆一薄层砂，与金属型形成一体，这就是金属型覆砂造型。金属型覆砂用酚醛树脂砂射砂成型，用砂量很少、尺寸精度高。铸件晶粒细小、组织致密。金属型覆砂工艺已越来越多地用于球墨铸铁曲轴的生产。
(1)金属型的壁厚和结构 金属型壁厚30～60mm。浇注后，金属型最高温度达250～450℃。
(2)覆砂层的厚度 根据曲轴的大小，覆砂层厚度为5～10 mm。覆砂层过厚则冷却速度减小，型壁移动增大，影响整个铸型的刚度；覆砂层过簿，则热传导显著加快，金属型温度过高，造成金属型的膨胀变形，使型壁移动增大。使铸件冷却过快，造成碳化物多或局部白口。此外，对覆砂层型砂的均匀性和紧实度也带来不良影响。
(3)覆砂层材料 一般中小曲轴的金属型采用覆膜砂射砂成型工艺，其配比及其相关工艺可参照壳型砂。大型曲轴的金属型尺寸过大，采用射砂成型，在设备和工艺上有很大困难，多采用金属型挂砂压模成型工艺。挂砂层材料可用矾土水泥流态砂或水泥流态砂。挂砂层厚度10～15 mm。
2．采用无冒口工艺
球墨铸铁凝固时具有很大的石墨化膨胀。金属型覆砂造型采用无冒口工艺，在液体金属内部能获得很高的膨胀力 ，用其补偿金属液态收缩及凝固收缩，获得无缩松的曲轴。
实现无冒口工艺的条件可归纳如下：①采用覆砂金属型；②使用过共晶铁液，严格限制阻碍石墨化元素，其Mg残留量应在0.3％～O.55％，保证石墨膨胀量等于或超过铁液液态及凝固收缩量；③尽量降低浇注温度，不超过1360℃；④充分孕育，促进石墨化；⑤适当增高浇口压头，以补偿铸件开始阶段的液态收缩；⑥铸件模数应足够大。
3．金属型覆砂造型的特点 ①采用实用冒口工艺：小冒口或无冒口补缩，可提高铁液利用率约20％；②大大减少加工余量:从砂型铸造的4～5 mm，减至2 mm；③提高了铸件的表面质量：粗糙度可达Ra6.3;④大大减少了型砂用量：不需庞大的砂处理系统，明显减少了废砂污染；⑤不再需要冷铁：根据曲轴的特异形状调节覆砂层的厚度，便于控制和调节曲轴的凝固；⑥消除缩松等铸造缺陷：降低废品率；⑦提高了曲轴的韧性和强度：由于冷却快，曲轴的组织致密；⑧取消正火，节约能源：另一特点是铸件在一定的高温打箱，使铸件在空气中冷却，实现正火。保证珠光体含量，又避免了再热处理产生的铸件氧化皮和变形，使加工余量减少，节约能源；⑨提高生产效率：比砂型铸造大约快10 min/型。
3.5.2 某大型球铁曲轴的铁模覆砂工艺
1. 生产条件及主要技术要求
(1) 生产性质 成批生产。
(2) 材质 QT800-2
(3) 质量 铸件重1t
(4) 外形尺寸 总长：3200mm;主轴颈：Φ200 mm。
(5) 主要技术要求 曲轴的化学成分（质量分数%）要求：碳当量CE=4.1～4.4；W（C）=3.4～3.7%；W（Si）= 2.0～2.4%；W（Mn）=0.3～0.5%；W（P）=0.03%～0.05%；W（S）<0.01 ；W（Mg）=0.030%～0.045%；W（Y基Re）=0.012%～0.018%；W（Cu）=0.3%～0.5%；W（Mo）=0.15%～0.25% ；W（Sb）= 0.008%～0.010%。
2. 工艺方案 铁模覆砂，水泥砂层厚8～15mm。采用平浇、立冷工艺，铸造工艺简图见图3.5-1。
图3.5-1 大型球铁曲轴的铁模覆砂铸造工艺简图
3． 球化 采用钇基重稀土球化剂包内冲入法。球化剂加入量为铁液质量分数的1.6%。球化剂的组成为W（Re）=2.1%～2.5% ，W（Mg）=6%～7% ，W（Si）=42%～43% ，余为Fe。
4． 孕育 浇口杯瞬时孕育。孕育剂用细化的75硅铁，加入量为铁液质量分数的0.4%。
3．5．3 防止石墨畸变措施
1． 提高铸件的冷却速度 对厚壁圆柱铸件的研究表明：冷却速度对大断面球铁材质的球化率、石墨尺寸、石墨球数的影响如图3.5-2、3.5-3、3.5-4。冷却速度对大断面球铁材质的机械性能的影响见表3.5-1。
图3.5-2 厚壁圆柱铸件的球化率 图3.5-3 厚壁圆柱铸件的石墨尺寸
图3.5-4 厚壁圆柱铸件石墨球数
表3.5-1 大断面球铁件各个部分的机械性能
|
铸型
|
距型壁距离
/mm
|
抗拉强度
/MPa
|
延伸率
/%
|
断面收缩率
/%
|
硬度
/HB
|
|
金属型
|
10
250
500
|
567.4
553.7
452.8
|
16.5
4.0
2.5
|
12.4
1.9
1.0
|
180
220
190
|
|
3.5mm砂衬
金属型
|
10
250
500
|
583.1
516.5
501.8
|
2.1
2.4
1.9
|
0.3
0.2
0.4
|
242
258
242
|
|
10mm砂衬
金属型
|
10
400
|
508.6
424.3
|
1.1
1.2
|
0.2
0.2
|
250
234
|
|
砂型
|
10
300
|
473.3
425.3
|
2.0
-
|
0.6
0.7
|
214
214
|
2. 加强球化、孕育。
3. 添加微量合金元素。
3.5.4 金属型覆砂工艺铸造凸轮轴
用金属型覆砂工艺铸造凸轮轴分为两类：铸造可淬硬凸轮轴和铸造激冷凸轮轴。可淬硬凸轮轴的凸轮部分需要经过表面淬火，才能达到要求的表面硬度；激冷凸轮轴的凸轮部分直接铸造出表面白口层，从而得到要求的表面硬度。两类方法都在应用。
1．可淬硬凸轮轴 在金属型中用覆膜砂射砂成型，覆砂层厚度4～8mm。合型后，用一定成分的球铁液浇注即可。
2．激冷凸轮轴 普通砂型中在凸轮桃尖和偏心轮表面放置外冷铁，浇注后可使这些部位得到一定深度的白口层；而用金属型覆砂铸造工艺，只需在形成凸轮桃尖和偏心轮表面的金属型内表面部分，不加覆砂层，直接用金属型内表面接触球铁液，使这些部位得到一定深度的白口层。
(1) 激冷凸轮轴的材质 （质量分数%）：w(C)=3.2％～3.4％，w(Si)=1.8％～2.2％，w(Mn)=0.6％～0.8％，w(Ni)=0.3％～0.5％，w(Cr)=0.3％～0.5％。加Cr和Ni的目的是使铸件不同截面中的珠光体保持稳定，不受覆砂层厚度的影响；
(2) 支承轴颈和过渡轴颈上的覆砂层厚度 4～6 mm即可得到相应的金相组织和铸件硬度；
(3) 金属型内表面形成凸轮桃和偏心轮表面 在该部位不加覆砂层，为金属型表面，保证铁液具有最高的凝固速度，并获得技术条件要求的3～5 mm深的稳定局部白口层；
(4) 获得稳定表面白口层的必要条件 保证金属型不加覆砂层的部分表面光洁度，没有氧化皮和其他混合物；稳定球铁的化学成分、球化和孕育工艺。
此外，覆砂层和金属型的设计是很重要的，它们的蓄热能力和传热能力直接影响铸件的凝固和质量。 |
