用铁型覆砂工艺生产高质量五缸曲轴

曲轴是发动机中的关键零件，直接影响发动机工作的可靠性及寿命。为满足发动机的高性能要求，其材质既要有较高的强度和初性，又要有较好的耐磨性 和抗疲劳性能。此外，该类铸件尺寸精度要求较高。铁型覆砂是一项节能、节材、优质的铸造工艺，尤其 适用于生产批量大的中小球铁铸件。该工艺已成功地 用于曲轴、缸套、阀体等铸件的生产中。53005840 五缸曲轴（以下简称5840曲轴）是美国发动机曲轴加工制造行业**企业——Norton公司的产品之一，该曲轴的金相组织、力学性能、加工余量、尺寸精度、表面质量等方面的要求很高。因此，该曲轴铸件一直由美国本土生产，采用曲面分型高压砂型铸造。迄今国内尚无厂家生产此类曲轴。我们根据该曲轴的质量要求，将铁型覆砂工艺应用于该曲轴的生产，获得了满意的结果。

1铸件的结构特征和技术指标

   5840曲轴铸件结构形状为5个连杆轴颈互成72°且平衡块形状复杂、厚薄不均。曲轴总长773mm，主轴颈直径82mm,连杆轴颈直径60mm,主轴颈与连杆颈的偏心距50mm,铸件毛坯重约40kg。因受国外机加工夹具及生产线限制，该铸件关键部位的加工余量仅3mm,其它部位1.5mm。 铸件轴向尺寸公差± 1mm,相位角公差±10'。铸件金相组织：基体不少于50%的片状珠光体，碳化物含量小于3%,石墨按美国标准ASTMA247中的16 级验收。力学性能σb>600MPa，σ0.2>400MPa，δ>3%，HB217-269。曲轴不允许进行变形矫正，机加工前需经超声波探伤，不得有任何缩孔、缩松缺陷，加工后需经磁粉探伤。

2工艺分析及参数的选择

    5840曲轴在尺寸精度、加工余量和内在质量等方面的要求是相当高的。因受铁液熔炼、球化、孕育等因素的影响，目前国内多缸曲轴关键部位的加工余量一般都在5mm以上。铸件的尺寸精度要求高，铸型就需要更高的刚度和硬度，同时还必需保证铸件缩尺的准确。该曲轴的平衡块厚薄不均，从而在铁液凝 固时形成了多处孤立热节点，使补缩较为困难。以现有的砂型铸造工艺，不易实现该曲轴的经济生产。

   铁型覆砂工艺是在粗成形的的金属型（即铁型）内腔覆上一层热固化树脂覆膜砂而形成铸型。它具有铸型刚度好、冷却速度快，生产的铸件组织致密、尺寸精度高，可利用球铁自补缩原理实现无冒口铸造， 铁液利用率高等优点。该工艺的关键是必须根据铸件的大小，将铁型的壁厚与覆砂层厚度合理地配合，使充型、凝固和冷却过程在比较理想的条件下完成。综合分析，该铸件宜采用铁型覆砂工艺、水平分型造型、无冒口自补缩；同时配以冲天炉和电炉双联熔炼铁 液、倒包球化处理；并采用泡沫陶瓷过滤网过滤铁液、拔塞浇口浇注的工艺方案组织生产。

　　　根据5840曲轴的结构特点，采用铁型覆砂工艺每型布置2件，并采用同时凝固的原则，铁液从中间的圆盘及相近的扇板进入型腔，不设置补缩冒口，在不出现漂浮石墨的前提下碳当量尽可能高。浇注系统采取半封闭形式，各组元截面比例ΣF直：ΣF横：ΣF内= 2.07:4.81:1。较大的横浇道面积，提高了浇注系统的撇渣能力，较小的内浇道面积，保证了在铁液石墨化膨胀开始前封闭内浇道，以充分利用诛液的石墨化膨胀对铸件进行自补缩。铸件的收缩率根据曲轴受阻凝固的情况，轴向取0.6%〜1%,铁型壁厚20〜30mm,覆砂层厚5〜8mm。为保证各部分顺利起模， 5个连杆轴颈分别由1〜5#覆砂芯形成，其中2#、 3#、4#砂芯较厚大，须放置冷铁。由于曲轴平衡块扇板侧面加工余量仅1.5mm，为保证扇板最高点能有一定的加工余量，起模斜度取0.7°。采用分型面间隙排气和扇板顶端气针排气方式。工艺设计完成后， 采用铸造充型凝固模拟软件，对铸件进行凝固模拟并优化，保证了工艺的合理性。

    熔炼、球化、孕育和浇注是影响铸件质量的关键工序，必须进行详细、严格的生产工艺设计和管理。 该工艺采用冲天炉-电炉双联熔炼，选用优质原材料，材质配料化学成分为3.7%〜3.8%C, 1.1%〜1.3% Si, 0.4%~0.6% Mn, S＜0.04%, P＜0.06%。冲天炉熔炼的铁液出炉温度为1450〜1480°C：,扒渣后进入电炉升温，同时取样化验化学成分，并在电炉中对铁液成分进行调整。加入0.5%电解铜，0.4%〜0.5%锰铁及其它合金材料，然后熔化均匀并升温至 1530°C,用高效集渣剂扒净熔渣后出铁。铁液的球化处理使用Z-2H型专用球化剂，加入量1.4%,覆盖及孕育硅铁0.4%〜0.5% (具体由原铁液化验结果确定），倒包一次冲入法球化处理，快速金相分析合格后浇注，浇注温度控制在1380〜1400°C。

   　由于铸件加工余量小，为防止铸件产生表面夹渣缺陷，在浇注时，需进一步纯净铁液，采用浇口盆拔塞浇注，并在浇口盆的底部出口处安放泡沫陶瓷过滤网。为保证铸件金相组织、力学性能达到要求，在浇口盆内加入专用高效孕育剂强化孕育，加入量 0.15%。铁液进入浇口盆后，静置30s左右拔塞充型、引火排气。为防止铸件变形，在铸型中的冷却时间必须达到20〜25min。

3曲轴铸件试生产及结果

3.1试生产条件

   5840曲轴铸件的整个试生产过程是在南通万力公司的铁型覆砂生产线上完成的。曲轴的铁型覆砂造型使用ZF25单工位射型机，射砂压力为0.3〜 0.5MPa,模板电加热功率12kW,加热温度为240〜 300°C。覆砂层固化时间30s左右，具体视铁型的初始温度而定，以覆砂层呈深黄色为宜。曲拐芯是由 Z8612射芯机射制的，由于3#、4#、5#曲拐芯中包含有较大的冷铁，给制芯带来一定的困难，改变冷铁的形状并调整合型、顶芯机构，使制芯变得更容易。 造型、制芯用覆膜砂质量指标：粒度50/100目，常温抗拉强度3MPa,发气量<12mL,发气速度> 2mL/s。用7t/h热风冲天炉熔炼，选用本溪生铁Q12,无锈碳钢料头（废钢），山西低硫冶金焦。铁液计量和测温分别采用数显式电子称、铂铑-铂热电 偶快速测温仪。铁液的过热和成分调整在1吨的中频电炉内进行。化学成分快速分析使用美国贝尔德直读光谱仪。

3.2试生产结果

试生产4组共20箱铸件，每组铸件的化学成分 及力学性能指标，见表1、表2。每箱铸件重 83.5kg，浇注系统重7.5kg，工艺出品率为91.75%。

 表1曲轴铸件化学成分 （％)

  在试生产过程中，对每组曲轴进行了本体解剖及性能检测。解剖后内部未见缩松缺陷，力学性能均高于质量指标要求。表2中有2只试样拉伸试验时出现标外断，经分析属试样加工质量问题。根据检测的结果对生产工艺进行了调整，例如覆膜砂粒度、射砂压力、模样间隙、泡沫陶瓷过滤网规格、过滤面积等, 并反复进行了验证。其中值得注意的是铁液进入浇口盆后，必须静置一段时间再拔塞充型，使铁液中的氧化夹杂物有充分的时间上浮，以保证曲轴铸件在 3mm的加工余量内不出现夹渣缺陷。浇注的5840曲轴铸件经超声波探伤均未见缩孔、缩松缺陷，与计算机模拟的结果相符。机加工后磁粉探伤也未见表面夹渣缺陷，铸件的关键尺寸均在规定的公差范围内。从曲轴铸件的外观看，用该工艺生产的5840曲轴铸件的表面粗糙度和形状均优于客户提供的样件，全面达到了美国Norton公司的质量标准和要求。

4结束语

采用铁型覆砂工艺并采取铁液净化、孕育措施， 试生产的五缸曲轴铸件表面光洁、尺寸准确、组织致密，产品性能优良，达到美国Norton公司的质量要 求，提高了铸件工艺出品率，降低了生产成本，为大 批量生产多缸高质量曲轴铸件提供了成功的经验。