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球铁轴承盖铸造缺陷分析及改进措施
来源：潍柴重机 作者：毕海香
轴承盖是发动机上的重要部件，需要承受较大的交变冲击载荷，关键部位必须做无损检测，不允许有任何铸造缺陷。尤其是与机体结合面以及主螺栓孔内，对其质量要求很严格。
一、产品简介
我厂某种柴油机配套轴承盖轮廓尺寸530*310*118mm，中间最小壁厚30mm，毛坯重量120kg。材质QT400-15，属于典型的厚大断面球铁类铸件，铸件三维简图见图1。要求抗拉强度≥400MPa，屈服强度≥250MPa， 延伸率≥15%， 本体硬度135-185HB。加工后必须经过超声波、磁粉探伤检验确保铸件内部没有任何铸造缺陷。
图1 三维毛坯图
Fig.1 casting 3d drawing
采用碱性酚醛树脂砂工艺造型，一箱2件，水平浇注，中间分型，螺栓孔不铸出，后续加工而成。采取底部冷铁+顶部保温冒口的工艺。工艺方案详见图2。
原工艺验证阶段废品率较高，主要表现为轴承盖上平面的冒口根部缩孔，侧壁上有夹渣缺陷，过滤网破损，解剖后铸件心部缩松等。主要缺陷如图3所示。
图2 原工艺方案
Fig.2 original process
图3 铸件缺陷
Fig.3 the casting defects
3.1缩松缺陷原因分析
球墨铸铁具有糊状凝固的特性，球墨铸铁件在浇注后，外壳长时间内刚度不够，共晶石墨团产生的凝固膨胀力使奥氏体枝晶间隙增大的同时也使得不很结实的铸件外壳向外膨胀，从而使铸件最后凝固部分得不到足够液态金属的补缩[1]。所以和灰铸铁相比，球墨铸铁件产生缩松的倾向大。
原工艺中内浇口直冲铸件心部，该部位一直处于过热状态，是铸件最后凝固的部位，底部冷铁的激冷效果有限，而且顶部设置的冒口远离该部位，补缩距离长，不能及时有效地为铸件心部提供补缩，所以铸件心部形成了缩松缺陷。顶部冒口小，较铸件提前凝固，不但没有起到补缩作用，反而出现倒抽现象，另外发热冒口内气体没有通过气眼及时排出，所以在冒口根部出现了气缩孔缺陷。
3.2夹渣缺陷原因分析
夹渣也是球墨铸铁件生产中最常见的铸造缺陷之一，其多数出现在铸件浇注位置的上平面或型芯下表面部位以及铁水流动的死角区域[2],有时也出现在铸件的垂直壁上，有的呈大片状分布，有的呈斑点状分布。夹渣不仅位于铸件表面，有时也会延伸到铸件的表皮下很深处。夹渣的出现大大降低了球铁件的延伸率和冲击韧性。
原工艺中浇注系统不合理，无横浇道，而且内浇口截面积较小，封闭式浇注系统起不到挡渣作用，铁水紊流、裹气现象严重。另外夹渣严重的部位正好是铸件死角区，不利于夹渣流动上浮。
3.3过滤网破损原因分析
原工艺中没有横浇道缓冲，铁水从直浇道下来直接经过过滤网进入内浇口，压头大，铁水冲击力大，造成过滤网承受热冲击增大，而且使用的过滤网尺寸小，厚度为10mm，极易造成击穿现象，过滤网碎片随着铁液进入型腔。
四、工艺改进措施
4.1改进冒口工艺
重新选择冒口型号，并且改变了冒口位置，将冒口放置在轴承盖毛坯中间，并在冒口上方开通气眼，确保冒口内的气体顺利排出，同时在上型增加了冷铁，新工艺如图4所示。并对改进后的工艺采用手工自硬砂冒口座和采用标准易割片（覆膜砂）冒口颈进行了数值模拟对比分析，两种冒口颈尺寸参数详见表1，冒口颈示意图见图5。图6为两种工艺凝固过程，从图中可以看出当凝固百分比为62%时，采用自硬砂型冒口颈的工艺中铸件内形成了孤立的液相区；当凝固百分比为70%时，自硬砂型冒口颈工艺的保温冒口套内液相呈狭长的“橄榄球形”，标准易割片工艺的保温冒口套内液相呈“金字塔形”，更利于向下补缩。
图4新工艺
Fig.4 the new process 表1 冒口颈参数对比
Table 1 comparison of riser neck parameters
图5 两种冒口颈示意图
Fig.5 schematic diagram of two kinds of riser necks
图6 铸件凝固过程
Fig.6 the casting solidification process
图7为两种冒口颈工艺条件下铸件缩松严重度模拟情况。可以看出：1）自硬砂型冒口颈工艺中的铸件表面，即冒口根部产生缩松缺陷倾向大，缩松严重度为31.446%、46.810%；标准易割片型冒口颈工艺中的铸件上平面未发现缩松缺陷。2）自硬砂型冒口颈上部保温冒口内缩松严重度为12.666%、13.669%，低于标准易割片型冒口颈上部保温冒口内缩松严重度20.026%、25.833%。 3）采用自硬砂型冒口颈工艺的铸件中14.435%的缩松严重度高于标准易割片型冒口颈工艺的铸件中10.389%的缩松严重度（铸件心部）。从模拟结果对比分析可以看出，采用标准易割片型冒口颈工艺的铸件缩松缺陷改善效果显著。
图7 缩松模拟情况
Fig.7 results of shrinkage simulation
在现有模板上修改浇注系统，增加横浇道，加大内浇口截面积，采用了开发式浇注系统。铁水从直浇道下来后，经过横浇道后再流进内浇口，使得铁水平稳进入型腔内,而且横浇道也发挥了挡渣作用。加大过滤网，选用了厚度为21.5mm的过滤网。
图8 改进后的浇注系统
Fig.8 improved casting system
a、填砂造型时先将冷铁附近以及冒口座下方的型砂用木棍塞实，并严格规范了造型时震实时间以提高砂型紧实度。因为紧实度低的型壁表面容易被液体金属浸蚀和形成低熔点的化合物，从而产生夹渣[3]。
b、严格把控修包、烘包操作过程，防止浇包表面的耐火材料脱落。浇包烘干不彻底，液体金属注入后产生激烈的沸腾并使温度降低，熔渣不易上浮。另外浇包壁的气体压力很高，也有可能引起耐火材料脱离的现象。
c、在不引起铁水球化衰退的前提下，对铁水进行适当的静置，便于非金属夹杂物上浮、聚集。同时严格控制扒渣次数，尽量减少浇注前浇包内的浮渣。
参考文献
[1] 郑洪亮,田卫星,孙建俊等.球墨铸铁缩松形成机理研究的现状[J].铸造,2005,54(11):1064-1065 [2] 张俊勇,周文军.通过浇注系统改进解决球墨铸铁件夹渣缺陷[J]金属加工(热加工),2014(15):40-41 [3]徐建林,苏义祥,路阴,王智平.球墨铸铁件常见缺陷的分析与决策[J].铸造,2001,50(4):225-228.
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