曲轴铁模覆砂铸造及其生产过程控制

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曲轴铁模覆砂铸造及其生产过程控制

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作者：山东滨州海得曲轴有限责任公司 尹士文

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曲轴是发动机的关键零部件之一，其性能好坏直接影响发动机的使用性能和寿命。曲轴工作时承受着交变大负荷的弯矩、扭矩和冲击，常见的失效形式为弯曲疲劳断裂及轴颈磨损，因此要求曲轴材质具有较高的刚性和疲劳强度以及良好的耐磨损性能。特别是最近几年涡轮增压发动机应用的增多，对曲轴内在质量和毛坯精度及毛坯面的粗糙度提出了越来越高的要求。

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图1 铁型

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5 t8 m" S0 |% a7 |4 I铁型覆砂铸造是在随型的铁型内腔（见图1）均匀覆上一层5～8mm热固化型砂而形成铸型的一种铸造工艺（见图2）。由于铁模覆砂铸型刚度好且覆砂层比较薄，铸件冷却速度快，砂子粒度细（一般为200目），因此可显著提高铸件的尺寸精度、致密性、表面质量、晶粒的细化程度和球化率，同时可实现无冒口铸造。
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图2 铁型覆砂

4 o# H0 y+ |9 k- S  _8 T# R铁模覆砂线的生产过程
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( o6 V$ `; n, [0 O( b2 ]铁模覆砂线的生产工艺流程如图3所示。现在铁模覆砂线的工艺布置有多种形式，以开式线形式布置居多。因为它可以满足曲轴多品种生产冷却时间不同的要求，同时可方便地实现生产过程中铁型移动和铁型推进的机械化和自动化控制。
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/ m& D- }! q) L1．覆砂造型

0 c) h6 Z1 s& |# p6 y覆砂造型过程是铁模覆砂铸造的关键工序，它直接影响到生产的全过程和曲轴成品率的高低。最初的铁模覆砂都是借用热芯盒射芯机，机械化程度低。现在国内已有不少的铸造机械厂家生产专用的铁模覆砂设备，有的已可实现从合模到射完砂铁型移出的全过程PLC触摸屏全自动控制。

（1）铁型温度

/ O2 q. Q1 r, Z1 W  \正常生产过程中铁型温度一般控制在230℃左右。过低时覆膜砂不能完全固化，壳型强度低且发气量大；过高时型壳烧酥或是覆膜砂在流动的过程中就已固化，破坏型壳强度易造成曲轴粘砂和夹砂。铁型第一次使用的加热一般有两种方法；一是把成批的铁型放入芯子窑中加热，然后逐一进行造型；二是逐一把凉铁型合模后通过模样和模板对铁型进行加热（模板上装有电热管）进行造型，这种方法新铁型第一次生产时速度比较慢。正常生产过程可利用铁型的余热进行覆砂，不需要单独加热。
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图3 铁模覆砂线的生产工艺流程

（2）射砂
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射砂是利用低压压缩空气（0.4MPa）将流态覆膜砂吹入型腔的过程，射砂时间只有1～2s。在这个过程中主要有两个关键环节：一是排气，二是跑砂。
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- }! e' E" ?5 D* Y8 C射砂过程在将覆膜砂射入的同时压缩空气也进入型腔，如果铁型排气不畅势必造成射不足、气鼓等缺陷。常用的解决办法是：①对于分型面附近的余气，在模板上做出四个高出模板0.1～0.2mm的凸台，使模板和铁型形成间隙排出余气；②在个别的死角部位加排气塞或在模板上刻出排气槽将余气排出。这两个办法在实际生产中相当有效。
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射砂时射砂头上的射砂孔和铁型的射砂孔对齐，射砂板的下平面与铁型的上平面压紧然后进行射砂。但是在实际生产中由于铁型铸造加工后有应力变形、铁型不断加热冷却产生变形及铁型上表面的磕碰都会使射砂时铁型上表面和射砂板下平面产生间隙，射砂时砂子从间隙中跑出。跑砂不仅浪费砂子、恶化工作环境，型腔射不实造成废品，同时由于砂子流速太快极易给操作者造成人身伤害。现在常用的办法有：①在射砂板下表面镶一高出平面5mm的硅胶垫；②把射砂板的射嘴做成活动可压缩式，背面装一压缩弹簧。这样都可以使射砂嘴与铁型射砂孔四周紧密接触避免跑砂。当铁型严重变形时不仅铁型上表面跑砂，而且铁型下表面与型板产生较大间隙跑砂，这时只能将铁型上下两面刨平后再用。
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$ H$ C: Y/ g3 T5 t8 H7 d& @2．铁型冷却
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5 V/ f- I3 `/ S3 j0 }$ T在实际生产中为了保证生产效率，不可能将曲轴冷却到230℃左右再开箱（一般浇注后15～20min开箱），由于覆砂层很薄，浇注后铁型温度急剧上升，一个循环后的铁型温度在350～400℃左右，并且会越来越高，造成生产无法正常进行。因为自然冷却太慢，如果为了加快铁型冷却速度而向铁型上浇水，则极易造成铁型开裂。目前国内生产铁模覆砂线的厂家还没有生产铁型冷却专用设备。为解决铁型冷却问题，我们根据实际情况专门设计了一种冷却装置，如图4、图5所示。
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图4 铁型冷却装置

喷嘴结构如图5所示。压缩空气进入管子后，通过变径套气流速度加快，在铜管口形成更大的负压。铜管另一端用氧气管连接后放入水箱中的水中，铜管便有水被吸出，高速气流使水雾化，通过管口的锥形和下方的锥体使雾以锥的形状喷向铁型表面。这种冷却装置由于采用的是多头雾化冷却，因而使铁型冷却均匀，减少了铁型的变形和开裂，提高了铁型的使用寿命。同时，当水雾喷洒到铁型表面后，水在铁型表面迅速形成一层高温水蒸气膜，压缩空气的高速气流将高温水蒸气膜及时吹走，加快了铁型的冷却速度，满足了生产线连续生产的需要。

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  O9 b2 D8 X1 S3 E图5 铁型冷却装置的喷嘴结构

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) L. m5 L- M; i- S" j/ y3．合箱

由于覆膜砂用酚醛树脂做固化剂，因而型腔在浇入铁水后会产生大量的气体。如果不能把气体及时排除势必造成铸件气孔和浇不足的缸陷。为此，除了在上型模样设计排气孔，通过射砂针距上型面5mm左右的覆砂排气外，合箱时要在分型面的四角处垫0.5mm的铁片，以便使分型面产生间隙排出气体。

铁水的熔炼、球化、孕育和浇注
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铁模覆砂工艺因为铸件冷却快为获得晶粒更细小、球化级别更高、表面质量更好、机械性能更好的铸件提供了有利条件，但也对铁水的熔炼、球化、孕育和浇注提出了更高的要求。
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1 Z5 T6 U" M* P" v7 S3 d1．熔炼
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. V2 K( H- A, K) Z: \: l: K' G3 @铁模覆砂工艺因为铸件冷却速度快，进入型腔的铁水中的夹杂物和气体不容易浮出而极易形成夹渣和气孔，同时也容易形成冷隔。因此，铁模覆砂工艺生产要求有高温、洁净的铁水。现在因为焦炭价格的上涨，就熔炼成本方面中频感应电炉已不再比冲天炉高，同时中频感应电炉可以获得化学成分稳定、高温洁净的铁水，又能满足连续生产的需要，所以铁模覆砂工艺铸造曲轴最好用中频感应电炉熔炼。一般中频感应电炉熔炼的出炉温度在1 500℃左右。
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同样因为铁模覆砂工艺铸件冷却速度快，且中频感应电炉熔炼的铁水过冷度大，造成铸件白口倾向大，铸件冷却后容易形成自由渗碳体。所以配料时碳硅当量要比粘土砂造型工艺时高一些，常用的化学成分见表。
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铸件配料化学成分
8 c: ]; q  @, x  B: d8 @http://img.newmaker.com/nmsc/u/2009/20097/art_img/200971013133942586.jpg

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2．球化处理
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+ r: |: }- [$ q+ V" l# O$ `! N球化处理是球铁曲轴生产的重要环节，石墨的形态直接影响曲轴本体强度性能。现在国内球化剂主要采用稀土镁硅铁复合球化剂，球化剂选用哪种牌号，主要考虑吸收率的高低和反应是否平稳。因为铁模覆砂工艺要求电炉铁水出炉温度较高，宜选用较低牌号的球化剂如FeSiMg8Rt3。为了减少硫和镁作用形成的二次渣，残留稀土镁不宜过高；原铁水含硫量过高时可用多孔塞包进行脱硫，然后再倒入电炉内提温。
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3 n+ P+ F' g/ p( r9 |* l3．孕育处理和浇注
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0 Z2 c  {* X; i/ V: G# i, R- V由于铁模覆砂工艺冷却快和电炉铁水过冷度大，造成铸件在凝固过程中白口倾向大。因此必须对铁水进行充分的孕育处理。一般进行两次孕育处理：第一次在球化处理时在包内放入0.2%～0.3%的硅铁；第二次在浇注时采用加入量0.1%的随流孕育，采用含钙、钡的复合高效孕育剂，它可以有效地增加石墨核心，细化晶粒，延缓孕育衰退时间。孕育剂的粒度一般为60目，不得长期放置以免受潮和氧化。
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1 c' l( e0 B2 n& l9 _浇注温度一般在1 420℃左右，浇注时要注意挡渣。因为铁水凝固快夹杂物难以上浮的缘故，一般在浇注系统中都放置过滤片。
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曲轴余热正火辅合金化

铸件的快速凝固和中频电炉高温纯净的铁水为铸件晶粒细化、球化级别的提高提供了有利条件。在普通的生产条件下，珠光体含量一般在65%～75% ，抗拉强度680～750N/mm2，延伸率4%～6%。在铁水处理过程中加入0.5%～6%的Cu和微量的强烈促进珠光体化的微量元素Sb；铁模覆砂线连续机械化或自动化的控制使开箱工作更加容易控制，当铸件温度在860～900℃左右时开箱，然后将铸件迅速转入冷却室进行喷雾冷却。这样便可以得到珠光体含量85%～90%，机械性能QT800-3的球铁曲轴毛坯。它不仅可改善清理车间的高温环境，减少往返运输和一次清理，更重要的是它可以免去巨大的热处理费用，有效地降低生产成本。曲轴余热正火辅合金化取代现在的正火热处理已成为曲轴生产的必然发展趋势。
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结语
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! G+ F4 ~: z" S/ t) g( R铁模覆砂曲轴铸造简化了粘土砂的工艺，克服了粘土砂固有的弱点（庞大的砂处理、脏乱差的工作环境及低的材质性能），可实现连续可控的生产，为高质量曲轴生产实现机械化、自动化提供了有利条件。这项先进的工艺必将在铸造生产中得到越来越广泛的应用。