四缸发动机曲轴铁型覆砂铸造工艺

四缸发动机曲轴铁型覆砂铸造工艺
于佳 王涛

曲轴是发动机的关键零件，其性能对发动机的安全性及寿命有非常大的影响。四缸 1.0发动机曲轴的质量为8.65 kg；力学性能要求：硬度217〜276HBS，伸长率≥4%,抗拉强度>700 N/mm2，冲击值>20J/cm2;显微组织：球化率80%,石墨球数≥100个/mm2，球径≥60 um，铁素体数量5%〜20%，牛眼状铁素体数量≥15%。经调研及分析比较，确定采用铁型覆砂铸造工艺，预计年产量45万件。

根据该系列曲轴的结构特点，结合生产节拍和产能要求，每型布置6件。按同时凝固的原 则，铁液从中间的两个平衡块进入型腔，不设置补缩冒口为保证铸件有较合理的冷却速度，设计造型覆砂层厚度8〜12mm,铁型壁厚30〜40mm。

模流分析

确定了生产方式后，考虑到浇注系统的挡渣作用及充分利用较小的内浇道面积，保证在铁液石墨膨胀开始前封闭内浇道，利用铁液的石墨化膨胀对铸件进行自补缩，所以采用半封闭半开放的浇注系统。

确定了浇注系统的具体方案后，使用Anycasting软件对浇注系统、充型速度及冷却状况进行分析，结果显示，各组元截面比例ΣF直：ΣF横:ΣF内= 1.2 : 1.7 : 1时，铁水在各浇道中流动平稳，充型时不存在紊流卷气等问题且能满足同时凝固的需求。

2造型

采用8530单工位水平造型机，使用焙烧覆膜砂作为造型材料。覆膜砂的技术要求及造型工艺

参数分别见表1和表2。

                    表1覆膜砂技术要求

                       表2造型参数

造型前需对铁型进行清理，使每个射砂孔、铁型内及分型面上无残砂、垫铁等异物，从而确保造型时无射不满、覆砂层破损、喷砂等缺陷。 固化时间根据造型时铁型温度进行调整，覆砂层颜色以黄褐色为宜。

另外，为防止铸件错型，经过现场试验，研究不同模温对模具的影响因素，最后确定造型时上、下型温差控制在20°C以内。

3熔化、球化、孕育及浇注

熔化、球化、孕育及浇注是影响铸件质量的关键工序。使用2 t中频炉熔化铁水，炉料配比为：生铁：废钢：回炉料（质量份）=4 : 2 : 4，每炉炉料熔炼1 h。炉前、炉后成分采用北京纳克公司 生产的碳硫分析仪及德国OBLF直读光谱仪监测。 炉前成分要求如表3所示。

表3炉前成分 %

熔炼完成经检验符合要求后方可出铁水，出水温度在1500〜1520 °C范围内。采用冲入法进行球化处理，即先将20〜30 mm的球化剂小块放入正对包嘴堤坝的一侧，放入量（质量分数）为 1.3%，覆盖75硅铁，再使用压铁块压紧，然后冲入2/3的铁水，待铁水沸腾结束后出完剩余的铁 水，在铁水表面撒上集渣剂，集渣反应5〜10 s, 彻底扒渣后在铁水表面撒上覆盖剂并运送至浇注线。

首型浇注前测量铁水温度，保证其在 1425〜1445 °C之间，浇注时采用随流孕育方式对铁水进行孕育，孕育量（质量分数）为0.15%〜0.20%。为保证球化效果，从球化反应开 始到浇注结束的总时间控制在10 min以内。浇注后，取包内剩余铁水检测炉后成分检测。

4清理

当铁型温度降至110〜240 °C可开箱取出铸件， 保证开箱后铸件温度在相变温度（500 °C)以下。铸件空冷至100 °C以下，使用1.5〜3 mm的钢丸进行抛丸处理后，对铸件进行100%检验。目前铸件包括砂孔、气孔、多肉等的外观缺陷率在2%以内。

5检验

为快速检验铁水球化效果，在每包最后一型浇口杯内制取直径20 mm、高40 mm的圆柱形快速球化试样，要求试样的球化率在90%以上。

为保证铸件质量，使用ICM405金相显微镜、 HB-3000B硬度仪、JC10型读数显微镜、WEW- 300A拉伸机、JB-30B冲击机对每炉铁水进行铸件本体检验，生产现场随机选取的八炉样本检验。

从现场随机抽取、日常生产检验及公司质控部门检验数据分析，使用铁型覆砂工艺生产的系 列曲轴具有力学性能优良、石墨球圆整的特点。

表4铸件本体试样检验果

6结语

采用铁型覆砂工艺生产系列球铁曲轴，具有投入成本低，工序简单，铸件毛坯表面光洁、尺寸准确、力学性能优良等优点。但由于铁型覆砂铸造工艺具有冷却速度快的特点，铸件硬度偏高是目前所面临的主要问题，有待进一步分析改进。另外，生产过程参数的全面、如实记录并及时分析总结，对日后问题的查找及产品质量提升有很大帮助。