鑄態QT850-5 曲軸的生產技術

2021-10-17 03:32:14李發紅

鑄造設備與工藝 2021年4期

李發紅

（山西東鑫衡隆機械制造股份有限公司，山西侯馬 043000）

公司采用中頻快速節能電爐熔煉，鐵型覆砂成型、熱處理強化的毛坯的復合生產工藝，可根據用戶要求生產QT850-5、QT900-5 等高強度、高韌性球鐵曲軸產品。年生產能力45 000 t，曲軸毛坯400萬件，加工曲軸成品30 萬件。本文主要介紹鑄態生產QT850-5 球墨鑄鐵曲軸毛坯的經驗，以供同行參考。

1 曲軸性能要求

QT850-5 球墨鑄鐵曲軸要求抗拉強度≥850MPa，延伸率≥5%，硬度HBW240～290.

金相組織：球化1～2 級，石墨5～8 級，珠光體≥85%，允許有1.5%滲碳體，允許有1.5%磷共晶，二者之和不大于3%.

曲軸結構及本體取樣位置如圖1 所示。

圖1 曲軸結構及本體取樣位置

2 生產條件

主要設備：1 t 中頻電爐，蓋包球化鐵水包，鐵型覆砂造型線，快速熱分析儀，光譜分析儀，金相顯微鏡，便攜式測溫儀。

原材料：球鐵用生鐵Q10，稀土硅鐵鎂球化劑Mg8RE5，75SiFe 孕育劑，電解銅。

3 化學成分選擇

含碳量選擇：為了保證曲軸高強度、高延伸率，含碳量不易高，以防止液態石墨球過早析出，石墨球偏大，影響機械性能；含碳量低時會使收縮加大，增大縮孔、縮松傾向；因此確定含碳質量分數為3.68%～3.73%.

含硅量選擇：為了保證爐前孕育、瞬時孕育量，預防滲碳體產生和晶粒粗大，球化孕育的原鐵液含硅質量分數控制在0.9%～1.3%，終硅為2.1%～2.4%.

含錳量選擇：錳為穩定珠光體元素，一般偏析于晶界，降低強度、韌性，含錳質量分數選擇按≤0.3%控制。

含硫量選擇：硫在球墨鑄鐵中是有害元素，與鎂和稀土發生反應，生成硫化物，使鑄件易發生球化衰退現象，為防止球化衰退，原鐵液含硫質量分數應低于0.02%，球化后含硫量低于0.015%.

含磷量選擇：含磷質量分數超過0.07%時，基體易出現磷共晶使延伸率急劇下降，磷共晶一般偏析于晶界，會削弱凝固外殼強度，三元磷共晶減少石墨化膨脹，含磷量高時，顯著增大縮松傾向，因此含磷質量分數應控制在0.05%以下。

鎂、稀土殘余量：鎂為主要球化元素，稀土為輔助球化元素在保證球化的前提下，盡量降低球化元素的加入量和殘余量，殘Mg 量一般為0.03%～0.05%，殘余Re 含量0.02%～0.04%，大件取上限，小件取下限。

含銅量選擇：銅是中等石墨化元素，石墨化能力是硅的1/10，共析轉變時，顯著穩定細化珠光體，促進珠光體能力為錳的3 倍，加入0.5%～1.0%質量分數Cu，可使直徑12.5 mm～64 mm 試樣全部得到珠光體組織。鑒于這些優良的特性和較高的價格，選取0.4%～0.7%.

合金元素選擇：銻是強烈促進珠光體元素，促進珠光體能力約為銅的100 倍，可細化石墨、提高石墨圓整度，增加石墨球數，抑制大斷面碎塊狀石墨，極限含量＜0.03%，為保證曲軸珠光體含量，Sb質量分數微調為0.005%～0.015%.

4 鑄造工藝設計

4.1 造型方式選擇

本公司是專業生產球墨鑄鐵曲軸毛坯的企業，有8 條鐵型覆砂造型生產線，根據實際情況，利用現有設備、工藝條件，采用鐵型覆砂造型工藝，其特點是由于鐵型覆砂工藝使鑄件在凝固時，冷卻速度介于金屬型與殼型之間，避免了因冷卻速度過快，使鑄件產生滲碳體的傾向；同時避免因殼型冷卻速度慢，使鑄件晶粒粗大，機械性能低的缺點。在鑄件凝固時，由于鑄件冷卻速度較快，石墨球小而圓整，晶粒細化，提高了鑄件的機械性能；在石墨化膨脹時，鐵型外殼剛度大，使鑄件尺寸精度高，能夠抵消部分因溫度降低造成的凝固收縮，易獲得健全鑄件。

4.2 澆注系統設計

由圖1 可知，此曲軸包括8 個扇板平衡塊，5 個φ50 主軸，4 個φ46 連桿，呈180°分布，總長421.75 mm.澆注系統分布關系到曲軸表面夾渣缺陷的多少，工藝出品率的高低，根據公司生產4 缸曲軸的經驗澆注系統比例為∑F內∶∑F橫∶∑F直=1∶2∶2.5，內澆口選擇在4/5 扇板分型面的下方2道引入曲軸型腔，如圖3 所示。澆注時，鐵水通過直澆道流入下箱橫澆道，翻到上箱橫澆道，渣滓由于比重輕，有上浮力，同時由于橫澆道下箱翻到上箱，給渣滓向上的推力，在這兩種力的作用下，促使渣滓很快上浮，內澆道在下箱，防止渣滓進入型腔。每箱4 件，8 個內澆口，曲軸法蘭頭朝外，對稱分布，在生產過程中，曲軸鐵型循環使用，為了使鐵型溫度分布偏差小，所以將法蘭朝外，4/5 扇板分型面下箱引入內澆道。曲軸單重10.5 kg，澆注時間t 為15 s，澆注系統重量G 為11 kg，平均壓頭高度Hp 為200 mm，內澆道流量因數μ 取0.41.

圖3 曲軸和澆注系統布置

每個內澆口最小面積為620÷8=77.5 mm2，實際每個內澆口面積是（13+14）×6=81 mm2滿足要求。

5 生產過程控制

根據化學成分選擇要求原鐵水見表1，球化后鐵水化學成分見表2，在試制初期含銅量控制在0.3%左右，抗拉強度能滿足要求，延伸率4%～5%不能達到圖紙要求，只有通過熱處理補救。隨后將含銅量由03%提高到0.5%，延伸率穩標達到5%以上。在生產過程中要穩定達到性能要求首先要求化學成分穩定，這就要求所用材料要穩定，可以采取以下措施：1）嚴格區分不同成分回爐料，分類堆放使用；2 廢鋼一致性要好；3 銅質量分數按0.5%±0.1%控制；4 生鐵按批次牌號分類使用；5 爐前原鐵水管理儀對每爐提水碳、硅進行檢測，不合格不出爐，澆注過程中瞬時孕育定量加入，從而保證鐵水成分偏差小，金相組織穩定，為機械性能穩定打下堅實的基礎，生產過程中每包進行金相檢測，發現異常由跟班技術員及時進行微調。

表1 原鐵水化學成分要求（質量分數，%）

5.1 配料熔化

爐前操作工必須按配料單對各中材料進行稱量，加入中頻電爐內熔化，熔煉溫度1580℃～1550℃，第一包溫度1 580 ℃，逐漸降到1 550 ℃，因為第一包是冷包、冷型，后續包次鐵型溫度逐漸升高，這樣做是為了使進入型腔的鐵水溫度相對穩定而預防冷隔缺陷。在鐵水溫度熔化到1 450 ℃時，進行快速熱分析檢測，調控合格后，準備出爐球化。

圖2 澆注系統簡圖

5.2 球化孕育

球化溫度1 580 ℃～1 550 ℃，球化劑加入質量分數為0.8%～1.0%，粒度5 mm～15mm，置于包底，覆蓋75SiFe 進行孕育，粒度10 mm～20 mm，加入量為0.8%～1.2%，置于球化劑上，球鐵屑量0.9%，置于覆蓋硅上，杵緊，加包蓋球化處理，球化處理結束后，扒渣3 次，這時的球化鐵水溫度在1 450 ℃～1 480 ℃并將包嘴內渣子倒出，再覆蓋保溫聚渣劑保溫，準備澆注。

5.3 造型、澆注、瞬時孕育

將覆砂約5 mm 的鐵型合箱后運輸到澆注位置，緊固防脹卡，安放澆口杯，進行澆注，首箱溫度約1 470 ℃～1 445 ℃，舀取光譜分析試樣，同時加入瞬時孕育，粒度0.2 mm～0.85 mm，孕育量約0.11%～0.15%，孕育的作用是降低白口傾向，增加石墨結晶核心，使石墨球小而圓整，提高機械性能，但粒度和孕育量不能過大，過大就形成夾渣缺陷，粒度過細，易結塊，也形成夾渣所以使用時必須過篩，控制粒度，生產前檢測孕育嘴大小，孕育量符合要求，澆注時間相對穩定來保證金相穩定，性能合格，無冷隔現象，夾渣缺陷較少。

5.4 箱內冷卻、開箱

等澆口杯中鐵水凝固，從開始澆注約8 min 去除澆口杯，15 min～20min 卸取防脹卡，開箱，這時鑄件溫度在600 ℃左右，按澆注先后順序依次開箱出鑄件，置于鑄件料框內進一步冷卻。澆口杯去除過早，會影響曲軸鑄件凝固補縮，產生縮孔或縮松，過晚時澆口杯難以去除，影響正常生產節奏，所以8 min 去除澆口杯必須控制。開箱溫度高時，在落鑄件時，易產生彎曲變形，甚至曲軸斷裂報廢，因此在600 ℃左右，時間15 min 開箱就可以滿足以上要求，檢測鑄件彎曲變形小于0.5 mm.

6 檢測

為了實現產品金相、性能目標，首先檢測鐵水化學成分和出爐溫度符合要求見表2，然后檢測澆注溫度、金相組織，最后測試機械性能、硬度見表3.

金相組織：球化2 級，石墨6 級，珠光體85%，無滲碳體，無磷共晶，如圖4 所示。

圖4 金相組織

從表2 化學成分中可知編號1＃～5＃含銅量在0.3%左右，對應表3 中金相組織和機械性能，抗拉強度無明顯變化，延伸率小于5%，達不到圖紙要求；表2 中6＃～10＃僅含銅量由0.3%提高到0.5%左右時，對應表3 中的金相組織石墨大小、球化級別、珠光體含量、抗拉強度、布氏硬度無明顯變化，延伸率穩定達到5%以上，滿足了圖紙要求，在隨后的批量生產過程中，將其納入作業標準，嚴格控制，各項指標穩定達標。