灰鑄鐵飛輪件縮陷缺陷的分析防止

時(shí) 曉，許景峰，李 鋒，楊淑欣，張聚輝

（濰柴重機(jī)股份有限公司濱海鑄造廠，山東濰坊 261001）

關(guān)鍵字： 飛輪；灰鑄鐵；表面縮陷

船用發(fā)動(dòng)機(jī)飛輪作為發(fā)動(dòng)機(jī)的關(guān)鍵部件，具有軸系的扭轉(zhuǎn)振動(dòng)，為了維持船舶軸系的力的平衡，慣性的維持等，需要足夠的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，因此對(duì)飛輪件尺寸有嚴(yán)格要求。我廠生產(chǎn)的灰鑄鐵飛輪件出現(xiàn)上平面縮陷缺陷，加工余量不足，影響飛輪尺寸，造成鑄件報(bào)廢。

1 生產(chǎn)工藝及缺陷分析

1.1 生產(chǎn)工藝

該飛輪件采用堿性酚醛樹脂砂造型工藝，一箱兩件，上端面分型，采用機(jī)體線澆注。圖1為飛輪鑄造工藝簡(jiǎn)圖，材質(zhì)為HT250，使用電爐熔煉，原鐵水成分如表1所示，出鐵溫度1 430℃～1 440℃，澆注溫度1 350℃～1 370℃，使用硅鋇孕育劑隨流孕育，隨流孕育量0.2%～0.6%，鑄件終成分如表2所示。

1.2 缺陷分析

如圖2所示，在飛輪打箱拋丸后，發(fā)現(xiàn)飛輪上端面出現(xiàn)明顯凹坑，部分凹坑存在鐵液回流現(xiàn)象，直接判斷該缺陷為縮陷缺陷[1]。

圖1 飛輪鑄造工藝簡(jiǎn)圖

表1 原鐵水化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%）

表2 飛輪鑄件終成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%）

圖2 飛輪缺陷圖片

1.3 原因分析

造成鑄件縮陷缺陷的主要原因?yàn)檠a(bǔ)縮不足，造成補(bǔ)縮不足的主要原因?yàn)榛诣T鐵自補(bǔ)縮能力不足和砂型剛度不足[2]。澆注工藝為一箱兩件，部分單件出現(xiàn)縮陷缺陷，因此自補(bǔ)縮能力不足對(duì)該缺陷產(chǎn)生的影響應(yīng)該較小。飛輪造型工藝如圖3所示，該飛輪件分型面為上表面，砂型剛度不足可能會(huì)導(dǎo)致凝固后期型壁遷移從而使得局部地區(qū)補(bǔ)縮不足。

圖3 飛輪造型示意圖

考慮到縮陷部位存在鐵液回流現(xiàn)象且多為出氣針附近，認(rèn)為縮陷部位外殼凝固較早，其他部位尚未凝固鐵液回流至縮陷部位，可能是由鐵液紊流及排氣不暢問(wèn)題造成[3]。對(duì)整個(gè)澆注系統(tǒng)進(jìn)行了粒子示蹤模擬渦流產(chǎn)生情況，如圖4所示。模擬澆注時(shí)間為28 s，模擬結(jié)果顯示，A、B區(qū)域在充型過(guò)程中存在形成渦流的潛在風(fēng)險(xiǎn)。

圖4 飛輪充型過(guò)程粒子示蹤模擬

同時(shí)對(duì)凝固過(guò)程進(jìn)行了模擬，模擬結(jié)果如圖5所示，圖為凝固3 048.87 s時(shí)的鑄件凝固情況，從圖5可以看出內(nèi)澆道及出氣針部位優(yōu)先凝固，阻礙了型腔內(nèi)部氣體的排除，同時(shí)凝固的出氣針充當(dāng)了小型冷鐵，使得周圍鐵液提前凝固，從而產(chǎn)生上平面縮陷缺陷。

2 缺陷防止措施

根據(jù)以上分析結(jié)果，通過(guò)優(yōu)化澆注系統(tǒng)、提高砂型剛度、提高鐵液碳當(dāng)量以及降低澆注溫度等，降低飛輪件縮陷問(wèn)題的發(fā)生幾率。

2.1 優(yōu)化澆注系統(tǒng)

如圖4、圖5所示，現(xiàn)有澆注系統(tǒng)存在鐵液渦流發(fā)生的可能，同時(shí)出氣針凝固過(guò)快，影響砂型排氣，會(huì)進(jìn)一步加大鐵液紊流，造成上平面縮陷缺陷。為減緩出氣針冷卻速度，發(fā)揮原有出氣作用，將6個(gè)出氣針直徑加大，由φ25 mm改為φ30 mm，如圖6所示，延緩凝固時(shí)間，確保出氣通暢，減少鐵液紊流。

圖5 飛輪凝固過(guò)程模擬

圖6 出氣針修改后澆注系統(tǒng)

2.2 提高砂型剛度

砂型剛度不足也會(huì)導(dǎo)致鑄件的縮陷缺陷，尤其是此飛輪分型面處于上端面，分型面緊實(shí)度不足更容易導(dǎo)致抬型問(wèn)題，造成自補(bǔ)縮效果差。對(duì)砂型強(qiáng)度進(jìn)行控制，適當(dāng)增加酚醛樹脂加入量，控制型砂化驗(yàn)抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)由之前的≥0.4 M Pa提高為0.7 M Pa～1.0 M Pa，以保證足夠的剛度，避免凝固階段因型壁遷移而造成的縮陷缺陷。

2.3 適當(dāng)提高鐵液碳當(dāng)量

灰鑄鐵件自補(bǔ)縮能力是指鑄鐵在凝固后期存在共晶轉(zhuǎn)變，析出石墨，發(fā)生體積膨脹，從而彌補(bǔ)前期凝固產(chǎn)生的體積收縮。自補(bǔ)縮能力大小主要受鐵液中析出石墨量影響，而共晶石墨量（E M G）隨碳當(dāng)量增加而增加[4]。適當(dāng)提高鐵液碳當(dāng)量能夠提高鐵液自補(bǔ)縮能力，將鐵液碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)控制在3.3%～3.4%范圍內(nèi)，碳當(dāng)量控制在3.9%～4.0%范圍內(nèi)，可以改善飛輪件自補(bǔ)縮能力。

2.4 降低澆注溫度

澆注溫度是鑄件充型凝固過(guò)程的一個(gè)關(guān)鍵影響因素。較高的澆注溫度會(huì)提高鐵液流動(dòng)性，增強(qiáng)其充型能力，但澆注溫度直接影響液態(tài)收縮體積的大小，澆注溫度較高時(shí)，鐵液液態(tài)收縮體積大，且液態(tài)收縮在石墨化膨脹之前，存在時(shí)間差，使得自補(bǔ)縮不能百分百被利用。飛輪件結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單但壁厚較大，為減少鑄件液態(tài)收縮體積，應(yīng)盡量采用較低的澆注溫度，因此將澆注溫度調(diào)整至1 340℃～1 350℃.

3 結(jié)果驗(yàn)證

通過(guò)采取以上措施后，對(duì)該飛輪件進(jìn)行了生產(chǎn)驗(yàn)證。圖7為改進(jìn)后所生產(chǎn)飛輪，飛輪縮陷缺陷得到有效解決，飛輪上平面縮陷廢品率明顯降低。

4 結(jié)論

灰鑄鐵飛輪縮陷問(wèn)題可通過(guò)以下措施有效減少或避免發(fā)生：（1）通過(guò)澆注系統(tǒng)的改進(jìn)，提高型腔排氣能力，降低鐵液紊流，降低縮陷發(fā)生幾率；（2）通過(guò)增加砂型剛度，減少因砂型潰敗導(dǎo)致的局部自補(bǔ)縮不足產(chǎn)生的縮陷；（3）通過(guò)適當(dāng)提高鐵水碳當(dāng)量，增強(qiáng)灰鑄鐵自補(bǔ)縮能力，減少縮陷傾向；（4）通過(guò)降低澆注溫度，減少液態(tài)收縮體積，降低縮陷發(fā)生幾率。

圖7 改進(jìn)后飛輪上平面情況