高速柴油機飛輪鑄造工藝改進

董志鵬，耿建華，許景峰，呂清珂，盧彬彬

（1.濰柴重機股份有限公司 濱海鑄造廠，山東 濰坊 261001；2.濰柴動力（濰坊）鑄鍛有限公司，山東 濰坊 261001）

615T440020041 R飛輪為斯太爾高速柴油機的重要部件，重105kg，飛輪平均壁厚為37mm，輪廓尺寸如圖1。材質為QT600-3，球化等級為1～4級，硬度190HBW～270HBW，基體組織為珠光體+鐵素體?；瘜W成分分別為：ω（C）：3.5%～3.8%、ω（Si）：2.4%～2.8%、ω（Mn）：0.3%～0.6%、ω（P）≤0.07%、ω（S）≤0.03%、ω（Re）：0.02%～0.05%、ω（Cu）：0.4%～0.6%、ω（Mg）：0.03%～0.06%.

圖1 飛輪毛坯圖

1 原鑄造工藝分析及缺陷分析

采用頂注式澆注方式，鑄件位于下箱，輪轂突出較高的一側朝下，飛輪大平面為分型面，采用暗冒口容積和冒口頸尺寸的雙重冒口工藝，采用環(huán)形橫澆道，中間設置直澆道，橫澆道與暗冒口直接相連，鐵水通過冒口頸填充型腔，如圖2所示。

圖2 飛輪原鑄造工藝

鑄件冒口根部存在縮松，加工20mm后，縮松缺陷仍存在。飛輪為球鐵鑄件，球墨鑄鐵屬于內(nèi)生——糊狀凝固，凝固時產(chǎn)生的膨脹體積比較大，球鐵的碳當量處于共晶或稍微過共晶范圍，處于糊狀凝固的球墨鑄鐵，共晶團之間的液體通道非常的窄和細，液體難以進行收縮，若得不到冒口的有效補縮，則共晶團之間的液體凝固時得不到補縮形成縮松。球鐵冒口的主要作用是補充液態(tài)收縮，在共晶結晶期間，由于較大范圍內(nèi)糊狀凝固，堵塞了補縮通道，在共晶團之間易形成微觀縮松。冒口中心部位及補縮通道的凝固要晚于鑄件的熱節(jié)部位，同時冒口有效部分的鐵水量要大于被補縮部位收縮量和冒口鐵水收縮量之和。當大量凝固開始時，冒口頸剛好凝固，鑄型剛度足夠時可以利用石墨膨脹壓力，使鑄件內(nèi)部始終處于正壓，不產(chǎn)生縮松缺陷。冒口頸凝固的過晚，雖然一次補縮能被冒口補償，無一次補縮缺陷，但到大量凝固時產(chǎn)生膨脹壓力將會把鐵水回送到冒口中去，使鑄件內(nèi)部壓力損失一部分，當二次收縮終了時剩余壓力補償不了二次收縮損失的壓力，于是在鑄件內(nèi)部小熔池里的鐵水壓力低于大氣壓力，產(chǎn)生了負壓區(qū)，由于冒口頸與鑄件相連，形成熱節(jié)，不能實現(xiàn)均衡凝固，共晶團之間的液體通道難以進行有效的補縮，導致縮松的產(chǎn)生。

2 冒口系統(tǒng)工藝設計改進

縮松是液態(tài)收縮和凝固收縮大于固態(tài)收縮，合金的結晶溫度范圍較寬，傾向于體積凝固方式而產(chǎn)生的。鑄鐵液態(tài)冷卻時要產(chǎn)生體積收縮，凝固時析出石墨又產(chǎn)生體積膨脹。均衡凝固是利用膨脹和收縮動態(tài)疊加的自補縮和澆冒系統(tǒng)的外部補縮，采取工藝措施，使單位時間的收縮與膨脹、收縮與補縮按比例進行的一種凝固工藝原則。對球墨鑄鐵，均衡凝固的補縮技術，主要利用石墨化膨脹進行自補縮，冒口的補縮是有限的。由于鑄件模數(shù)Mc=2.0 cm，模數(shù)比較小，鑄件鐵液冷卻時產(chǎn)生體收縮，凝固時析出石墨又發(fā)生體積膨脹，抵消一部分收縮，不需要考慮冒口的補縮距離，對冒口工藝進行設計，實現(xiàn)均衡凝固，消除縮松。設計使用飛輪的典型工藝，壓邊冒口工藝，消除冒口根部熱節(jié)，通過控制壓邊的距離，實現(xiàn)均衡凝固。平澆平冷工藝，邊冒口保證凝固順序：鑄件——冒口頸——冒口，縮孔最后在冒口中形成。澆口通過冒口，使冒口溫度提高，延長凝固時間，提高補縮效率。

利用模數(shù)法計算冒口系統(tǒng)，鑄件平均模數(shù)Mc=2.0cm；

式中：Gc—鑄件質量，kg.

鑄件收縮時間分數(shù)：

鑄件補縮率：

收縮模數(shù)：

冒口模數(shù)：

式中：f1—冒口平衡系數(shù)，≥1.2，取=1.3；

f3—冒口壓力系數(shù)，根據(jù)質量周界商選取，f3=1.3.

壓邊冒口的模數(shù)反映了與鑄件設置冒口部位的凝固時間比，根據(jù)鑄件模數(shù)以及冒口模數(shù)的大小，確定壓邊冒口的尺寸（圖3），選取壓邊冒口的壓邊縫隙寬度e=8mm.

圖3 壓邊冒口的尺寸

壓邊隙縫面積，為內(nèi)澆道的面積，根據(jù)澆注系統(tǒng)的計算方法設計直澆道和橫澆道。

球鐵鑄件，選取澆道比為：

壓邊隙縫面積：

則：F橫=2733mm2；F直=1336mm2.

改進后的鑄造工藝見圖4.

圖4 改進后鑄造工藝

3 生產(chǎn)驗證

經(jīng)生產(chǎn)驗證，使用壓邊冒口工藝生產(chǎn)飛輪80件，無縮松缺陷，改進效果良好，經(jīng)過工藝的改進優(yōu)化，穩(wěn)步提升產(chǎn)品質量。

[1]魏兵，袁森，張衛(wèi)華.鑄件均衡凝固技術及其應用[M].北京：機械工業(yè)出版社，1998.

[2]林勃主編.砂型鑄造工藝學[M].北京：機械工業(yè)出版社，1995.