高合金耐熱鋼汽車排氣歧管的工藝優化

■ 袁 彬，靳 寶，張博嵐，呂規劃，王珊珊

高合金耐熱鋼排氣歧管具備高的高溫強度（耐熱溫度在1000℃左右），以及較好的抗熱蠕變性、抗氧化性、耐蝕性和尺寸穩定性，是其他傳統的鐵素體球墨鑄鐵和高硅鉬球墨鑄鐵所不能比的。但這種材質的鑄件存在局限性：①流動性差，易氧化。②體收縮大，力求順序凝固，冒口尺寸要比其他材質的鑄件大。③線收縮大，易產生熱裂。④鋼液溫度高，易產生熱粘砂。本文從排氣歧管的結構、材質性能特點和鑄造過程中存在的缺陷及解決方案等方面進行論述。

1. 鑄件結構及理化性能

此鑄件在我們目前所生產的鑄鋼排氣歧管中屬于比較大的鑄鋼件，鑄件外觀如圖1所示，該鑄件重7.2kg，輪廓尺寸450mm×220mm×140mm，壁厚要求4+1+0.5mm；材質CX40CrNiSi25-12（牌號QTANi35Si5Cr2，執行標準GB/T26648—2011），化學成分和性能要求見表1、表2。

圖1 鑄件三維模型

表1 QTANi35Si5Cr2化學成分（質量分數） （%）

表2 鑄件室溫力學性能

2. 鑄造工藝設計

（1）澆冒口系統設計 我們在設計工藝時考慮：①使用開放式澆注系統，加快充型，防止氧化。②在有孤立熱節的部位使用保溫冒口，提高補縮能力和鑄件工藝出品率。③鑄造線收縮大，收縮率取2%。此鑄件采用中間分型，一型一件，鑄件壁厚按4.5mm設計，具體鑄造工藝如圖2所示。圖2中，直澆道1直徑為35mm，陶瓷過濾器2尺寸為φ50mm×22mm，橫澆道3尺寸為20mm×30mm，內澆道4尺寸為30mm×14mm，發熱保溫冒口5、7 型號分別為FM100—A60/90、FM100—40/70 ，普通冒口6、8尺寸分別為φ46mm×80mm、φ60mm×70mm。用ProCast對鑄造工藝進行模擬分析，如圖3所示。從圖3a中我們看到，在充型時陶瓷過濾器和內澆道都很好地起到了平穩流速和避渣作用，圖3b模擬鑄件無縮松。

（2）生產條件 熱芯盒制芯機制芯，氣道芯使用高強度覆膜砂，殼芯使用退讓性比較好的覆膜砂，為防止鑄件粘砂造成外觀質量差，氣道芯沾涂料、殼芯噴涂料烘干后組合好放到負壓線上；用1t/h應達中頻感應電爐熔煉；0.5t鑄鋼包處理，澆鑄機澆注。

3. 鑄件存在的夾渣缺陷及原因查找

（1）夾渣缺陷位置 鑄件拋丸后，在管壁上出現夾渣缺陷，具體位置如圖4所示。

（2）缺陷產生的原因 結合ProCast的模擬分析，我們發現夾渣主要集中在鋼液從每個內澆口進入管壁后的交匯部位（見圖5），我們試圖采用加強熔煉工藝控制，使用比較純凈的棒料，以及把澆注系統由開放式澆注系統改為避渣效果更好的半封閉式澆注系統等措施，但改善效果不明顯。我們分析可能是殼芯上噴的涂料在鋼液的沖刷下剝落形成了夾渣，然后我們把殼芯用砂改為陶瓷覆膜砂（又稱寶珠砂，其與原先用的覆膜砂指標對比見表3），免噴涂料，經過驗證，夾渣缺陷消除，生產的鑄件外觀情況如圖6所示。

圖2 鑄造工藝

圖3 模擬分析

圖4 夾渣缺陷部位

圖5 夾渣部位與模擬分析對照

我們找到鑄件產生夾渣的原因是殼芯噴涂料后在鋼液的沖刷下剝落形成了夾渣，使用陶瓷覆膜砂可以解決此問題，但陶瓷覆膜砂價格昂貴，是普通鑄鋼殼芯用覆膜砂價格的4倍左右。如果批量生產，成本很高，要解決夾渣問題還要從改變澆注系統入手。

4. 澆注系統改進及驗證

如果能把每個內澆口進入管壁后交匯處的鋼液引入到冒口內，夾渣問題就能解決，但我們在設計和模擬時發現如果從進氣法蘭處進火很難把交匯處的鋼液引入到冒口內。我們考慮從管壁進火，把在鑄件內交匯的鋼液引入到進氣法蘭的冒口內，具體更改工藝如圖7所示，A部位為直澆道，也當冒口用，在分型面處放置φ50×22mm的陶瓷過濾器；B部位在橫澆道末端，相當于集渣包，在此部位開小于管壁壁厚（約3.5mm）的進火頸；C部位是橫澆道阻流避渣后直接進入到出氣法蘭的冒口內。

通過對澆注系統改進后，還使用原來的鑄鋼殼芯用覆膜砂，殼芯噴涂料，生產的鑄件無夾渣，鑄件外觀情況如圖8所示。

圖6 鑄件外觀無缺陷

表3 兩種鑄鋼殼芯用覆膜砂指標對比

圖7 更改澆注系統

圖8 鑄件無夾渣

5. 結語

（1）結構復雜的薄壁鑄鋼件重量大于5 kg，我們在設計澆注系統時就要考慮如果使用噴涂料的殼芯，涂料就會有脫落的風險。

（2）使用新型原材料如棒料、發熱保溫冒口、陶瓷覆膜砂等能夠提高鑄件的外觀質量和鑄件出品率，特別是使用陶瓷覆膜砂能大幅改善鑄件的外觀質量。

（3）在設計鑄鋼件澆注系統時如何能夠把進入鑄件后交匯處的鋼液引入到冒口內，成為解決鑄件夾渣缺陷的首要考慮要素。

參考文獻：

[1] 李魁盛，侯福生. 鑄造工藝學[M]. 北京：中國水利水電出版社，2005.

[2] 中國機械工程學會鑄造分會.鑄造手冊：第5卷，鑄造工藝[M]. 2版. 北京：機械工業出版社，2003.