優化鑄造工藝提升鑄件硬度均勻性

田書濤，黃新懷，程凱，封小虎，張軍，張松軍

西峽縣內燃機進排氣管有限責任公司 河南西峽 474500

1 序言

西峽縣內燃機進排氣管有限公司是國內專業化汽車排氣管生產基地，成立30多年來，先后為國內外100多家主機廠開發3000多種排氣歧管，填補了國內外空白。特別是近十幾年來，公司開始輻射排氣管外的其他產品，差速器殼體就是其中一種，但是在差殼的加工過程中，出現尺寸超差，造成報廢現象嚴重。我們對鑄件加工余量進行分析，基本在2mm左右，不存在加工余量過大或不足現象。

2 問題描述

1）材料：DIN EN 1563-EN-GJS-600-3，硬度為190～254HBW。

2）毛坯重量：4.5kg，差殼零件三維結構及加工圖樣如圖1所示，在機加工φ50.05＋0－0.025mm尺寸后，經最終檢驗存在20%左右超差，且加工過程不穩定。

圖1 差殼零件

3 鑄造工藝

毛坯生產采用濕型砂造型，德國靜壓HWS生產線，每模8件（見圖2），每箱澆注重量110kg，工藝出品率33%，造型硬度≥90。鐵液采用中頻感應電爐熔煉，自動澆注機進行澆注，澆注溫度1410～1450°，每箱澆注時間8～10s。

圖2 原鑄造工藝

4 不合格原因分析

（1）鑄件硬度 標準要求硬度為190～254HBW，經過對A、B位置（見圖3）進行硬度檢測，結果見表1。從表1可以看出，B位置硬度最大偏差42HBW，硬度不均勻現象較嚴重。

表1 硬度檢測結果 （HBW）

圖3 硬度檢測

（2）化學成分 對鑄造毛坯進行化學成分分析，結果見表2。從表2可看出，化學成分合格，排除因化學成分不合格而造成的影響。

表2 鑄造毛坯化學成分（質量分數） （%）

（3）金相組織 對試樣采用4%硝酸酒精腐蝕，對金相組織進行檢驗，結果如圖4所示。從圖4c可看出，局部出現碳化物。

圖4 金相組織

（4）工藝模擬 采用PROCAST軟件對鐵液充型過程進行模擬[1，2]，結果如圖5所示。從圖5可看出，鑄件圓周冷卻不同步，冷鐵液出現在問題部位，也就是金相分析中碳化物超標位置。

圖5 模擬結果

原因分析結論：通過以上分析，主要問題是澆注時自上而下充型，初始冷鐵液在缺陷部位聚集，部分鐵液沒有完全溢流到頂冒口里面，一是造成局部過冷而出現碳化物，二是造成四周冷卻不一致，致使硬度偏差大。

5 改善措施

找到出現問題的原因后，我們對鑄造工藝進行了優化，將硬度不均勻部位原有的“冷冒口”變為“熱冒口”，以解決冷鐵液聚集現象，提高問題部位鐵液溫度。優化后，避免了因溫度低而出現高溫碳化物現象，同時讓圓周鐵液凝固更加均勻，從而實現圓周硬度均勻。

優化后的鑄造工藝方案如圖6所示，內澆道位置改為頂冒口進鐵液，來保證頂部冒口的溫度。

圖6 優化后鑄造工藝方案

對優化后的工藝進行模擬分析（見圖7），以前出問題的部位鐵液溫度得到提升，冷卻速度基本實現同步。模具優化完成后，安排車間生產20箱共160件，澆注溫度1415～1448℃，與前期澆注溫度一致。清理后對硬度進行檢測，結果見表3。從表3可看出，硬度最大偏差降低到12HBW，基本實現圓周硬度均勻的目的。

圖7 優化后模擬分析

表3 工藝優化后的硬度檢測結果 （HBW）

對優化后的產品進行金相組織檢測，結果如圖8所示。從圖8可看出，碳化物含量降低。

圖8 優化后金相組織

6 結果驗證

經過批量制作5萬余件，只有67件尺寸不合格，僅占生產總數的0.1%（見表4），使硬度不均造成的加工尺寸超差問題得到解決。

表4 差殼改善后驗證結果 （件）

7 結束語

通過問題分析及工藝驗證，鑄件加工尺寸出現超差主要問題包括兩個方面：一是加工部位硬度不均勻；二是加工部位局部出現碳化物。由于鑄造是個復雜過程，因此無論是設計還是生產過程，都要認真考慮和嚴格控制，方可保證產品質量。當出現質量問題時，要從人、機、料、法、環等方面分析，借助專業的分析軟件，采用對比的方法找出問題發生的根本原因。為了降低驗證費用，利用PROCAST軟件進行工藝模擬，確認可靠后方可進行生產驗證。當材料方面出現問題時，不能一味地單純從材料方面進行改善，鑄造工藝也有較大的影響，如改變內澆道位置和溫度場，同樣達到解決問題的效果。