轎車差速器殼鑄件缺陷的研究和攻關(guān)

李長東（一汽鑄造有限公司特種鑄造廠，吉林長春 130011）

轎車差速器殼鑄件缺陷的研究和攻關(guān)

李長東
（一汽鑄造有限公司特種鑄造廠，吉林長春 130011）

介紹了一汽大眾轎車差速器殼鑄件的質(zhì)量要求和生產(chǎn)技術(shù)難點(diǎn)。通過對鑄件缺陷的分析，進(jìn)行試驗(yàn)研究，采取有效措施，解決了鑄件材質(zhì)不合格和內(nèi)部縮孔縮松問題，使鑄件質(zhì)量達(dá)到了大眾公司的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，完成了國產(chǎn)化項(xiàng)目。

熔煉工藝；珠光體量；碳當(dāng)量；孔隙率

一汽大眾公司轎車MQ250差速器是國產(chǎn)化項(xiàng)目，主要部件差速器殼對材料性能和表面質(zhì)量要求非常高。因該件結(jié)構(gòu)復(fù)雜、中間空腔，用熔模鑄造工藝生產(chǎn)技術(shù)難度非常大，所以一汽大眾公司一直是從國外進(jìn)口該件加工和裝車。圖1為該鑄件和加工后零件。

圖1MQ250轎車差速殼鑄件

1　差速器殼的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)及生產(chǎn)中技術(shù)難點(diǎn)

1.1鑄件材料質(zhì)量

差速器殼鑄件的材料技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)如表1和表2.

表1 金相組織標(biāo)準(zhǔn)

表2　機(jī)械性能標(biāo)準(zhǔn)

因金相組織標(biāo)準(zhǔn)中珠光體量必須達(dá)到30%～50%，范圍窄，難于控制。大眾公司對差速器殼鑄件材料的驗(yàn)收依據(jù)是機(jī)械性能合格，而鑄件金相組織決定機(jī)械性能，所以生產(chǎn)中必須保證金相組織合格。熔模鑄造因工藝的特殊性，型殼必須在高溫下澆注，才能降低因型殼產(chǎn)生的廢品。所以澆注時(shí)型殼溫度一般在500℃以上，個(gè)別件必須達(dá)到600℃～800℃，導(dǎo)致鑄件澆注后冷卻速度慢，鐵水孕育效果不好，金相組織中珠光體數(shù)量少。實(shí)際生產(chǎn)中僅能達(dá)到20%左右，機(jī)械性能達(dá)不到技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。

1.2鑄件表面和內(nèi)部質(zhì)量

大眾公司對差速器殼的表面和內(nèi)部質(zhì)量要求高，特別是對縮孔縮松缺陷要求非常嚴(yán)格，將其定義為孔隙率，技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)定為D5級，即不允許有超過0.3 mm的縮松缺陷，3mm×4mm范圍內(nèi)縮孔≤5%.球孔與法蘭連接處的熱節(jié)部位單個(gè)縮孔直徑≤0.3mm，集中縮孔累計(jì)直徑≤0.5 mm.該件的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是壁厚差別大，熱節(jié)部位大，導(dǎo)致鑄件內(nèi)部易產(chǎn)生嚴(yán)重的縮孔縮松。而我廠按正常工藝生產(chǎn)達(dá)不到標(biāo)準(zhǔn)要求，縮孔縮松的廢品率達(dá)到100%，不能通過大眾公司的質(zhì)量評審和供貨條件。鑄件內(nèi)部縮孔和縮松狀況見圖2和圖3所示。

圖2　鑄件縮孔縮松的CT掃描結(jié)果

圖3　鑄件解剖后可見的縮松缺陷

2　缺陷分析、試驗(yàn)研究及解決措施

2.1提高鑄件材質(zhì)合格率

2.1.1降低鑄件澆注時(shí)的模殼溫度

差速器殼鑄件的基體組織是混合基體，對珠光體數(shù)量有一定要求。而熔模鑄造工藝澆注時(shí)的高溫型殼不利于形成珠光體。通過實(shí)驗(yàn)，在保證不增加鑄件廢品率情況下，將型殼溫度降低到50℃～150℃，保證了金相組織中珠光量達(dá)到30%～50%，機(jī)械性能完全合格。模殼溫度對珠光體數(shù)量的影響見圖4.

圖4　不同模殼溫度對鑄件珠光體數(shù)量的影響

2.1.2提高孕育處理中孕育劑加入量

由于熔模鑄造的型殼特征和工藝特點(diǎn)，無法進(jìn)行型內(nèi)孕育，同時(shí)型殼溫度高也易造成孕育衰退，導(dǎo)致金相組織中石墨粗大、數(shù)量少、不圓整，勢必會(huì)降低鑄件的機(jī)械性能。對差速器殼這樣材質(zhì)要求高的件，常規(guī)的孕育方法達(dá)不到性能要求。通過試驗(yàn)和改進(jìn)，將孕育劑的加入量由原來的0.2%提0.6%，材料的抗拉強(qiáng)度達(dá)到500 MPa以上，保證了機(jī)械性能合格。圖5為不同孕育量對鑄件抗拉強(qiáng)度的影響。

圖5　不同孕育量對鑄件抗拉強(qiáng)度的影響

2.2減少和消除鑄件縮孔縮松缺陷

2.2.1適當(dāng)提高碳當(dāng)量

球墨鑄鐵的鐵液澆入型殼后，在凝固過程中直接影響鑄件的縮孔、縮松，起決定性作用的是碳當(dāng)量。碳當(dāng)量直接影響球鐵共晶轉(zhuǎn)變時(shí)石墨的析出量，從而影響凝固過程的體積變化。由于石墨密度為2.2 g/cm3，鑄鐵的密度為7.0 g/cm3，同等重量的石墨所占體積是鐵液的3.18倍，所以提高碳量析出石墨數(shù)量多、石墨球數(shù)多，增加了石墨化膨脹，減少了縮松體積，縮孔率也會(huì)減小。硅是促進(jìn)石墨化元素，促進(jìn)碳原子向石墨球積聚，減少鑄件白口傾向，使石墨細(xì)化、圓整度好，也減小鑄件縮松傾向。另外，提高碳當(dāng)量還提高了球墨鑄鐵的流動(dòng)性，利于補(bǔ)縮。所以，在其他條件相近的情況下，碳當(dāng)量越高，鑄件的縮孔、縮松就越少、越小。但提高碳當(dāng)量的前提條件是不使鑄件產(chǎn)生石墨漂浮。

試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，受鎂和稀土的影響，鐵水的共晶點(diǎn)右移，碳當(dāng)量高于理論值。當(dāng)碳當(dāng)量達(dá)到4.6%～4.8%時(shí)，最有利于鑄件補(bǔ)縮。在保證鑄件不產(chǎn)生石墨漂浮的條件下，采用不同碳當(dāng)量的化學(xué)成分澆注差速器殼，鑄件縮孔廢品率如圖6所示?？梢姡S著碳當(dāng)量增加，鑄件縮松廢品率降低。碳當(dāng)量在4.6%左右時(shí)縮松最少；在4.5%以下時(shí)，因鐵液的收縮量超過膨脹量，縮松廢品率明顯升高；在4.6%以上時(shí)，縮孔廢品率又有所回升，并且出現(xiàn)石墨漂浮，且越來越嚴(yán)重。最后將化學(xué)成分中C由3.5%～3.6%提高到3.6%～3.8%，Si由2.3%～2.4%提高到2.4% ～2.6%，碳當(dāng)量CE由4.33%提高到4.53%.

圖6　不同碳當(dāng)量對鑄件縮松的影響

2.2.2選用新型增碳劑和孕育劑

增碳劑和孕育劑的品質(zhì)對石墨形態(tài)影響很大。增碳劑的增碳效果好，石墨球數(shù)量增多，球間距變小，縮短了碳原子擴(kuò)散距離，加速奧氏體→鐵素體+石墨的轉(zhuǎn)化，使共晶晶粒數(shù)量多、直徑小，明顯減少了鑄件縮松缺陷。

孕育劑的孕育效果好，可輔助石墨呈球狀生長，增加了石墨球數(shù)量，使共晶晶粒更接近球狀外形，減小共晶團(tuán)界面粗糙程度，利于補(bǔ)縮液體流動(dòng)，使鑄件最后凝固區(qū)域明顯減小。孕育劑促進(jìn)共晶生核與長大，抑制離異奧氏體樹枝晶的發(fā)展，延緩了補(bǔ)縮通道截死的時(shí)間。這些，都可有效減少鑄件的縮孔和縮松。

通過試驗(yàn)對比，選用了新型高效的材料。增碳劑選用美國DESULCO產(chǎn)品，其很高的純度、多孔的顆粒形態(tài)和石墨化的晶體結(jié)構(gòu)，使碳的吸收率高，形核能力強(qiáng)，顯著增加石墨核心數(shù)量。孕育劑一次孕育選用?？瞎镜漠a(chǎn)品，是一種含有鈣和鋇的硅鐵基合金，在鐵水中可產(chǎn)生更多的初生晶核，提高石墨球圓整度，還具有長效特性。二次孕育選用福士科公司的產(chǎn)品，含有鉍，能顯著提高單位面積的石墨球數(shù)，減少碳化物，細(xì)化石墨球。差速器殼鑄件應(yīng)用這三種材料，顯著減少了鑄件熱節(jié)部位和其他部位的縮松、縮孔的數(shù)量和尺寸。

2.2.3確定合適的鐵水澆注溫度

鐵水的澆注溫度直接影響鑄件的凝固收縮。澆注溫度高，鐵水流動(dòng)性好，利于鐵水的補(bǔ)縮，但溫度過高增加液態(tài)金屬的收縮量，使最終鑄件的收縮率增大，反而增加縮孔縮松缺陷；澆注溫度低，鐵水流動(dòng)性差，容易過早截死補(bǔ)縮通道，增加了鑄件的縮孔和縮松。我廠熔模球鐵件，一般澆注溫度是1 350℃～1 380℃.根據(jù)差速器殼鑄件的結(jié)構(gòu)、壁厚、澆注時(shí)間等具體情況，在不增加其他廢品的條件下，通過試驗(yàn)確定了合理的澆注溫度是控制在1 380℃～1 450℃，可降低鑄件縮孔縮松廢品率。

2.2.4合理設(shè)計(jì)澆注系統(tǒng)

鑄件的澆注系統(tǒng)決定鐵水的充型和凝固順序。設(shè)計(jì)合理的澆注系統(tǒng)，才能確保鐵水凝固時(shí)補(bǔ)縮通道的暢通，增強(qiáng)外部補(bǔ)縮。熔模鑄造的澆注系統(tǒng)體現(xiàn)于蠟?zāi)５慕M合方式。組合方式的設(shè)計(jì)原則是利用“溫度梯度”的原理，實(shí)現(xiàn)鐵液的順序凝固。差速器殼產(chǎn)生縮孔縮松的原因之一，是鑄件的熱節(jié)部位凝固后期補(bǔ)縮通道被切斷。所以確保熱節(jié)部位的補(bǔ)縮通道始終暢通，才能有效減少縮孔縮松廢品。在熔模鑄造工藝設(shè)計(jì)中，組合方案還影響到生產(chǎn)效率，這點(diǎn)還要綜合考慮。主要采取了以下措施：

1）澆注壓頭。模組中最上層鑄件頂點(diǎn)與澆口杯頂面的相對高度差稱為澆注壓頭，必須大于100 mm，以保證鐵水在充型過程中有足夠的靜壓力，提高鑄件內(nèi)部組織的致密性。

2）組合方式。差速器殼的外形結(jié)構(gòu)如圖7所示，熱節(jié)較大，位于兩端。球孔結(jié)構(gòu)復(fù)雜，孔壁較薄，凝固過程中最先冷卻，隔斷了澆口對頸部的補(bǔ)縮通道。球孔內(nèi)腔在制殼時(shí)已基本被型殼材料填充滿，澆注后散熱條件差，造成與球孔接觸的頸部及法蘭凝固時(shí)間變長，得不到有效補(bǔ)縮，于是這兩部位產(chǎn)生縮孔和縮松缺陷。球孔與法蘭接觸處的熱節(jié)部位是靠澆口棒（直澆道）進(jìn)行補(bǔ)縮，需要建立良好的補(bǔ)縮通道，才能避免此處縮松缺陷的產(chǎn)生。因此，需要設(shè)計(jì)合理的組合方式，來優(yōu)化凝固順序，提高補(bǔ)縮能力，減少和減小縮松缺陷。為了了解鑄件縮松趨勢，優(yōu)化澆注系統(tǒng)設(shè)計(jì)，應(yīng)用計(jì)算機(jī)數(shù)值模擬技術(shù)，對充型、凝固過程中的流場、溫度場進(jìn)行模擬。經(jīng)模擬驗(yàn)證，選定三種方案，如圖8所示。

圖7 鑄件的蠟?zāi)?/p>

圖8　計(jì)算機(jī)數(shù)值模擬三種澆注系統(tǒng)

方案一：補(bǔ)縮效果最好。但內(nèi)澆口尺寸大，在鑄件清理時(shí)切割件、磨澆口等工序勞動(dòng)強(qiáng)度大。

方案二：補(bǔ)縮效果較好。但型殼軸線方向與重力方向垂直，在高溫焙燒過程中模殼易變形。內(nèi)澆口尺寸小，易于清理。

方案三：鐵水自下而上充型，補(bǔ)縮效果差，充型過程排氣無通道，鑄件存在氣孔缺陷。

最終選取方案一，具體澆注系統(tǒng)見圖9.

3　攻關(guān)取得的效果

3.1鑄件材質(zhì)合格

通過試驗(yàn)研究，確定工藝，MQ250差速器殼鑄件材質(zhì)合格，達(dá)到一汽大眾公司的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。金相

組織中，球化級別2級～3級，球徑6級～7級，珠光體數(shù)量30%～50%，碳化物及磷共晶無；機(jī)械性能達(dá)到并優(yōu)于技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。2014～2015年生產(chǎn)的鑄件中珠光體數(shù)量見表3，機(jī)械性能數(shù)據(jù)見表4.

圖9 澆注系統(tǒng)方案

表3　差速器殼金相組織

表4　差速器殼的機(jī)械性能

3.2鑄件內(nèi)部孔隙率達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)

根據(jù)試驗(yàn)確定的工藝方案生產(chǎn)的差速器殼鑄件，球孔與法蘭連接處的熱節(jié)部位單個(gè)縮孔直徑≤0.3 mm，集中縮孔累計(jì)直徑≤0.5 mm.縮孔和縮松缺陷完全控制在一汽大眾技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)中孔隙率標(biāo)準(zhǔn)D5的范圍內(nèi)。解剖后的鑄件縮松情況見圖10和圖11.

圖10　鑄件法蘭處解剖可見的縮松

圖11　鑄件頸部解剖可見的縮松

3.3鑄件質(zhì)量合格，保證正常供貨

通過以上的研究和攻關(guān)，差速器殼鑄件達(dá)到了一汽大眾公司的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，通過了大眾公司質(zhì)保部的所有檢測和路試，于2014年1月14日通過大眾2TP（兩日生產(chǎn)）任務(wù)審核，驗(yàn)證了該產(chǎn)品在技術(shù)和質(zhì)量方面具有批量供貨的能力。從此，按一汽大眾的轎車生產(chǎn)計(jì)劃正常進(jìn)行供貨。

［1］中國鑄造協(xié)會(huì).鑄造工程師手冊［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2002.

［2］鄭洪亮，田衛(wèi)星，孫建俊，等.球墨鑄鐵縮松形成機(jī)理研究的現(xiàn)狀［J］.鑄造，2005（11）：1063-1065.

TG245，TP319

A

1674-6694（2016）02-0047-03

10.16666/j.cnki.issn1004-6178.2016.02.015

2015-01-29 作者簡介：李長東（1954-），吉林長春人，正高級工程師．主要從事合金熔煉的研究應(yīng)用及熔模鑄造工藝工作。