鑄鋼件殼型鑄造工藝優(yōu)化改進(jìn)

楊 偉，徐 偉，陳海軍，向文藝

（東風(fēng)精密鑄造有限公司，湖北十堰 442714）

殼型鑄造是利用覆膜砂（一種遇熱固化的樹脂砂）作為原材料，將模具加熱到一定溫度，通過射砂、保溫使覆膜砂固化、成型，形成一定厚度的殼型，將上下殼型使用黏結(jié)劑粘結(jié)在一起，形成完整的型腔用于澆注成型鑄件。殼型鑄造具有設(shè)備投資少、生產(chǎn)效率高、周期短、制造成本低，生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)粉塵少、噪音小、對(duì)環(huán)境污染小，生產(chǎn)的鑄件表面光潔度高、尺寸、工藝性能穩(wěn)定等特點(diǎn)，現(xiàn)已廣泛應(yīng)用于汽車、摩托車、工程機(jī)械等行業(yè)，并取得了良好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。本文著重對(duì)殼型鑄鋼工藝開發(fā)過程中的粘砂、橘皮問題進(jìn)行分析并提出解決方案。

圖1 某商用車前下防護(hù)澆冒口系統(tǒng)及缺陷

圖2 某商用車橫梁底座澆冒口系統(tǒng)及缺陷

1 背景介紹

東風(fēng)精鑄自引進(jìn)殼型工藝以來，已初步實(shí)現(xiàn)殼型鑄鐵工藝的穩(wěn)定、高效生產(chǎn)，但在生產(chǎn)鑄鋼件時(shí)發(fā)現(xiàn)鑄件表面橘皮、粘砂（圖1、圖2）現(xiàn)象尤為嚴(yán)重，表面質(zhì)量較差，不良品中橘皮、粘砂占比高達(dá)50%左右，嚴(yán)重降低了鑄件的清理效率及產(chǎn)品品質(zhì)。

1.1 原生產(chǎn)工藝簡(jiǎn)介

圖1、圖2所示為公司生產(chǎn)部分鑄鋼產(chǎn)品工藝方案，采用覆膜砂殼型鑄造工藝，一型兩件，疊箱兩層，采用雙工位翻轉(zhuǎn)射砂機(jī)制殼，制型參數(shù)如表 1所示。熔煉采用1 t中頻爐，澆注溫度1 580℃～1 600 ℃，澆注時(shí)間 12 s～15 s.

表1 殼型鑄鋼產(chǎn)品制型工藝參數(shù)

1.2 缺陷比例及位置

表2 缺陷位置分布統(tǒng)計(jì)

對(duì)現(xiàn)場(chǎng)缺陷位置與數(shù)量進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)，統(tǒng)計(jì)結(jié)果見表2.現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查發(fā)現(xiàn)，橘皮、粘砂缺陷在鑄件內(nèi)澆口、上表面部位尤為明顯

2 缺陷及原因分析

2.1 缺陷形成機(jī)理

橘皮是指在鑄件表面上，金屬與型砂混合在鑄件表面形成的片狀物或瘤狀物。在澆注時(shí)，型殼表面由于高溫金屬液不斷沖刷，導(dǎo)致型殼表面局部潰散，潰散砂粒/塊與鋼水一起進(jìn)入型腔在鑄件表面形成的凸出的疤痕，即形成橘皮、結(jié)疤等缺陷，鑄鐵產(chǎn)品較少，常見于鑄鋼產(chǎn)品。

粘砂是一種呈現(xiàn)在鑄件表面缺陷，在鑄件表面粘附著難以清除的砂粒狀毛刺或型砂與金屬氧化物形成的化合物，致使鑄件表面粗糙，難于清理，通常會(huì)增加鑄件清理的工作量，降低精整效率，影響產(chǎn)品外觀。粘砂多發(fā)生在型殼表面受熱集中或金屬液沖刷劇烈的部位。

2.2 原因分析

結(jié)合粘砂、橘皮的形成機(jī)理可判斷，殼型鑄鋼表面粘砂、橘皮的形成原因?yàn)椋?/p>

1）澆注過程中鋼水溫度高，鑄件澆口附近部位型殼受熱時(shí)間長(zhǎng)，由于覆膜砂型殼易潰散，受熱時(shí)間長(zhǎng)，造成該部位砂殼過熱，型腔表面砂殼潰散造成鑄件表面粘砂、橘皮現(xiàn)象；

2）砂殼固化層薄，砂殼強(qiáng)度較低，當(dāng)澆注溫度較高或鋼水沖刷時(shí)間較長(zhǎng)、沖刷力度較大時(shí)砂殼表面易破裂潰散，導(dǎo)致鐵液“滲透”至砂殼內(nèi)部，或潰散砂粒與鋼水一同凝固從而形成粘砂缺陷；

3）覆膜砂耐火度低，當(dāng)鋼水進(jìn)入型腔后，鋼水凝固前砂殼型腔表面已開始潰散，導(dǎo)致鐵液“滲透”至砂殼內(nèi)部，或潰散砂粒與鋼水一同凝固，形成粘砂；

4）直澆道受到的沖擊力較大，且澆口部位沖刷時(shí)間最長(zhǎng)，直澆道直接連接內(nèi)澆口，當(dāng)高溫鋼水沖入直澆道后直接進(jìn)入型腔，由于鋼水的紊流，導(dǎo)致澆口根部砂殼表面潰散，浮砂隨鐵液進(jìn)入型腔。

3 工藝優(yōu)化試驗(yàn)與分析

3.1 降低澆注溫度

本廠鑄鋼用覆膜砂為石英系耐火材料，澆注溫度過高或局部過熱，易出現(xiàn)潰散、破裂、沖砂等現(xiàn)象，產(chǎn)生粘砂、橘皮等鑄造缺陷。在殼型工藝生產(chǎn)過程中，為壓縮制造成本，殼型鑄造過程中一般不使用耐火涂料，直接組型后澆注。分析認(rèn)為鑄件內(nèi)澆口附近作為入水口，鋼水溫度較高，砂殼該部位過熱時(shí)間較長(zhǎng)，砂殼表面潰散，高溫鋼水持續(xù)沖刷，造成粘砂、橘皮。

針對(duì)以上問題，在不影響產(chǎn)品質(zhì)量（冷隔等）前提下，適當(dāng)降低澆注溫度，觀察鑄件表面質(zhì)量，澆注溫度見圖3.

圖3 澆注溫度統(tǒng)計(jì)

現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)20包產(chǎn)品，將澆注溫度由1 580℃～1 600℃降低至1 560℃～1 580℃時(shí)，粘砂、結(jié)疤現(xiàn)象略有改善（見圖4），但效果仍不明顯，由于部分產(chǎn)品最薄壁厚僅為4 mm，殼型澆注為冷殼澆注，澆注溫度不宜太低，防止冷隔出現(xiàn)，因此降低澆注溫度對(duì)表面質(zhì)量提升有一定效果，但不能徹底解決表面橘皮、粘砂問題。

3.2 提高砂殼固化層厚度

砂殼固化層薄，砂殼強(qiáng)度較低，當(dāng)澆注溫度較高或鋼水沖刷時(shí)間較長(zhǎng)、沖刷力度較大時(shí)砂殼表面易破裂、潰散，導(dǎo)致鐵液“滲透”至砂殼內(nèi)部，或潰散砂粒與鋼水一同凝固從而形成粘砂、橘皮。

隨機(jī)選取15組砂殼，破損后測(cè)量澆口部位結(jié)殼層厚度，發(fā)現(xiàn)砂殼型腔面完全固化、無生砂，見圖5.但直澆道部位僅表面固化，內(nèi)部為生砂，呈“皮包骨”現(xiàn)象，見圖6，結(jié)殼層厚度3 mm～5 mm.

圖5 砂殼型腔表面固化，破損后無生砂

圖6 直澆道底部表面固化，破損后內(nèi)部存在生砂

經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查發(fā)現(xiàn)，砂殼直澆道底部結(jié)殼層厚度為3 mm～5 mm（見表3），砂殼存在生砂或皮包骨（表面硬化、內(nèi)部松軟）現(xiàn)象，如圖6，結(jié)殼層過薄，砂殼強(qiáng)度降低，澆注過程存在結(jié)殼層過熱潰散沖砂風(fēng)險(xiǎn)，由于該部位為鋼水直接沖擊部位，此處的砂殼強(qiáng)度對(duì)鑄件的表面質(zhì)量有直接關(guān)系，通過分析發(fā)現(xiàn)該部位砂殼厚度為40 mm，連續(xù)生產(chǎn)過程中模具降溫快，因此出現(xiàn)生砂、砂殼未熟透現(xiàn)象。

表3 直澆道底部結(jié)殼層厚度統(tǒng)計(jì)

直澆道底部位置生砂主要是由砂殼厚度不均勻（砂殼平均厚度10 mm左右）導(dǎo)致，如圖7所示。直澆道底部厚度過大，增加結(jié)殼時(shí)間會(huì)導(dǎo)致砂殼其他部位過燒，砂殼強(qiáng)度降低，所以優(yōu)先考慮降低砂殼厚度，在保證原有澆注系統(tǒng)不變的情況下通過在工裝底部增加活塊，如圖8，實(shí)現(xiàn)底部砂殼厚度減小至15 mm.

圖7 原砂殼底部圖示（底部實(shí)心，厚度40 mm）

圖8 砂殼底部?jī)?yōu)化圖示（底部實(shí)心中空，厚度降低至15 mm）

經(jīng)驗(yàn)證，優(yōu)化后砂殼在連續(xù)生產(chǎn)中砂殼完全固化，無生砂、皮包骨（表面硬化、內(nèi)部松軟）現(xiàn)象。

現(xiàn)場(chǎng)工裝優(yōu)化后選取完全固化砂殼小批量澆注驗(yàn)證，粘砂、結(jié)疤現(xiàn)象比例有明顯改善，但表面粘砂、橘皮缺陷仍存在，未能徹底解決產(chǎn)品表面粘砂、橘皮缺陷。

3.3 提高覆膜砂耐火度

覆膜砂耐火度低，當(dāng)鋼水進(jìn)入型腔后，鋼水凝固前砂殼型腔表面已開始潰散，導(dǎo)致鐵液“滲透”至砂殼內(nèi)部，或潰散砂粒與鋼水一同凝固，形成粘砂。目前采用石英系原砂為耐火材料，SiO2質(zhì)量分?jǐn)?shù)為98%，SiO2的質(zhì)量分?jǐn)?shù)越低，砂殼的耐火度就越低，越容易產(chǎn)生粘砂缺陷。在此，通過適當(dāng)提高覆膜砂中SiO2含量及樹脂添加量，從而提高覆膜砂的耐火度與強(qiáng)度。調(diào)整前后覆膜砂耐火度及強(qiáng)度對(duì)比如表4和表5.

表4 原覆膜砂性能檢測(cè)結(jié)果

表5 調(diào)整后覆膜砂性能檢測(cè)結(jié)果

覆膜砂成分調(diào)整后小批量驗(yàn)證發(fā)現(xiàn)，鑄件表面的橘皮現(xiàn)象基本消除，粘砂現(xiàn)象仍存在，并未能徹底解決產(chǎn)品表面粘砂缺陷。覆膜砂成分調(diào)整后鑄件表面質(zhì)量見圖9.

圖9 覆膜砂成分調(diào)整后鑄件表面質(zhì)量效果

3.4 優(yōu)化澆注系統(tǒng)設(shè)計(jì)

澆注系統(tǒng)對(duì)獲得優(yōu)質(zhì)的鑄件影響極大，通過對(duì)粘砂、橘皮產(chǎn)生原因分析，認(rèn)為在澆注過程中砂殼強(qiáng)度較低，充型過程中澆口附近砂殼提前潰散，導(dǎo)致鐵液“滲透”至砂殼內(nèi)部/或潰散砂粒與鋼水一同凝固，從而在澆口附近以及大平面形成粘砂、橘皮等缺陷。因此減少鋼水對(duì)砂殼表面的沖擊力度，增加澆注系統(tǒng)的緩沖能力，從理論上也可以改善產(chǎn)品表面粘砂、橘皮現(xiàn)象。

經(jīng)過分析考慮采用穩(wěn)流式（搭接）式澆注系統(tǒng)替代原澆注系統(tǒng)，使得進(jìn)入型腔的鋼水平穩(wěn)，降低對(duì)型殼的沖刷力度；澆道的形狀采用扁平梯形，可以減少鐵液出現(xiàn)紊流現(xiàn)象沖刷砂殼；澆道的長(zhǎng)度應(yīng)盡可能短，降低鑄件因鋼水降溫而產(chǎn)生冷隔、流紋等缺陷。改善前后的澆注系統(tǒng)如圖10、圖11所示。

圖10 原澆注系統(tǒng)

圖11 優(yōu)化后澆注系統(tǒng)（降低鋼水對(duì)內(nèi)澆口部位沖擊）

4 生產(chǎn)驗(yàn)證結(jié)果

結(jié)合工藝優(yōu)化試驗(yàn)結(jié)果，通過對(duì)前下防護(hù)殼型工藝的不斷改進(jìn)，小批量生產(chǎn)驗(yàn)證表明，目前殼型工藝生產(chǎn)的前下防護(hù)件表面質(zhì)量已得到極大改善，橘皮、粘砂現(xiàn)象消失，可實(shí)現(xiàn)大批量生產(chǎn)，所生產(chǎn)的前下防護(hù)鑄件表面質(zhì)量如圖12所示。隨后對(duì)商用車橫梁底座進(jìn)行了工藝優(yōu)化試驗(yàn)，所生產(chǎn)的鑄件如圖13所示，表面質(zhì)量得到了極大的改善。

圖12 商用車前下防護(hù)外觀改善圖示

圖13 商用車橫梁底座外觀改善圖示

5 結(jié) 論

本文主要通過覆膜砂耐火度提高、砂殼過程質(zhì)量控制、穩(wěn)流式（搭接式）澆注系統(tǒng)的應(yīng)用、澆注溫度降低四個(gè)方面來消除殼型鑄鋼件澆口局部粘砂、橘皮現(xiàn)象，提高了鑄件表面質(zhì)量，后期拓展至多個(gè)品種，實(shí)物鑄件表面質(zhì)量均得到極大提升，事實(shí)證明殼型碳鋼件的改善方案是可行的，并可拓展至其他品種。殼型碳鋼產(chǎn)品開發(fā)生產(chǎn)過程中應(yīng)注意以下要點(diǎn)：

1）穩(wěn)流式澆注系統(tǒng)應(yīng)用時(shí)澆道的形狀可采用扁平梯形，可以有效擋渣、減少鋼水紊流沖刷砂殼；澆道的長(zhǎng)度根據(jù)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)調(diào)整，應(yīng)盡可能短，確保鑄件不因鋼水降溫而產(chǎn)生冷隔、流紋等缺陷；

2）通過調(diào)整覆膜砂中SiO2含量可適當(dāng)提高覆膜砂的耐火度，一般碳鋼產(chǎn)品SiO2質(zhì)量分?jǐn)?shù)應(yīng)確保在98%以上，或者采用耐火度更好的寶珠砂、鎬砂等也可改善覆膜砂耐火度；

3）在進(jìn)行工裝設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)力求砂殼厚度均勻一致，避免局部偏厚而出現(xiàn)生砂、砂殼未熟透現(xiàn)象，降低鑄件表面出現(xiàn)粘砂及針狀氣孔的風(fēng)險(xiǎn)；

4）適當(dāng)降低澆注溫度對(duì)改善粘砂、橘皮缺陷，提升鑄件表面質(zhì)量有一定效果，但殼型澆注通常為冷殼澆注，澆注溫度不宜太低，在大批量生產(chǎn)中還要同時(shí)考慮產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的影響，防止冷隔、流紋等缺陷的產(chǎn)生，因此澆注溫度的合理控制也尤為重要。