覆膜砂鑄造曲軸工藝過(guò)程

曲軸是發(fā)動(dòng)機的關(guān)鍵零部件之一，其性能好壞直接影響發(fā)動(dòng)機的使用性能和壽命。曲軸工作時(shí)承受著(zhù)交變大負 荷的彎矩、扭矩和沖擊，常見(jiàn)的失效形式為彎曲疲勞斷裂及軸頸磨損，因此要求曲軸材質(zhì)具有較高的剛性和疲勞強度以及良好的耐磨損性能。特別是近幾年渦輪增 壓發(fā)動(dòng)機應用的增多，對曲軸內在質(zhì)量和毛坯精度及毛坯面的粗糙度提出了越來(lái)越高的要求。

鐵型

覆膜砂鑄造是在隨型的鐵型內腔（見(jiàn)圖1）均勻覆上一層5～8mm熱固化型砂而形成鑄型的一種鑄造工藝 （見(jiàn)圖2）。由于鐵模覆砂鑄型剛度好且覆砂層比較薄，鑄件冷卻速度快，砂子粒度細（一般為200目），因此可顯著(zhù)提高鑄件的尺寸精度、致密性、表面質(zhì)量、 晶粒的細化程度和球化率，同時(shí)可實(shí)現無(wú)冒口鑄造。

鐵型覆砂

鐵模覆砂線(xiàn)的生產(chǎn)過(guò)程

鐵模覆砂線(xiàn)的生產(chǎn)工藝流程如圖3所示?，F在鐵模覆砂線(xiàn)的工藝布置有多種形式，以開(kāi)式線(xiàn)形式布置居多。因為它可以滿(mǎn)足曲軸多品種生產(chǎn)冷卻時(shí)間不同的要求，同時(shí)可方便地實(shí)現生產(chǎn)過(guò)程中鐵型移動(dòng)和鐵型推進(jìn)的機械化和自動(dòng)化控制。

1．覆膜砂造型

覆膜砂造型過(guò)程是鐵模覆砂鑄造的關(guān)鍵工序，它直接影響到生產(chǎn)的全過(guò)程和曲軸成品率的高低。開(kāi)始的鐵模覆砂都是借用熱芯盒射芯機，機械化程度低?，F在國內已有不少的鑄造機械廠(chǎng)家生產(chǎn)專(zhuān)用的鐵模覆砂設備，有的已可實(shí)現從合模到射完砂鐵型移出的全過(guò)程PLC觸摸屏全自動(dòng)控制。

（1）鐵型溫度

正常生產(chǎn)過(guò)程中鐵型溫度一般控制在230℃左右。過(guò)低時(shí)覆膜砂不能完全固化，殼型強度低且發(fā)氣量大；過(guò) 高時(shí)型殼燒酥或是覆膜砂在流動(dòng)的過(guò)程中就已固化，破壞型殼強度易造成曲軸粘砂和夾砂。鐵型*一次使用的加熱一般有兩種方法；一是把成批的鐵型放入芯子窯中 加熱，然后逐一進(jìn)行造型；二是逐一把涼鐵型合模后通過(guò)模樣和模板對鐵型進(jìn)行加熱（模板上裝有電熱管）進(jìn)行造型，這種方法新鐵型*一次生產(chǎn)時(shí)速度比較慢。正 常生產(chǎn)過(guò)程可利用鐵型的余熱進(jìn)行覆砂，不需要單獨加熱。

圖3 鐵模覆砂線(xiàn)的生產(chǎn)工藝流程

（2）射砂

射砂是射芯機利用低壓壓縮空氣（0.4MPa）將流態(tài)覆膜砂吹入型腔的過(guò)程，射砂時(shí)間只有1～2s。在這個(gè)過(guò)程中主要有兩個(gè)關(guān)鍵環(huán)節：一是排氣，二是跑砂。

射砂過(guò)程在將覆膜砂射入的同時(shí)壓縮空氣也進(jìn)入型腔，如果鐵型排氣不暢勢必造成射不足、氣鼓等缺陷。常用的解決辦法是：①對于分型面附近的余氣，在模 板上做出四個(gè)高出模板0.1～0.2mm的凸臺，使模板和鐵型形成間隙排出余氣；②在個(gè)別的死角部位加排氣塞或在模板上刻出排氣槽將余氣排出。這兩個(gè)辦法 在實(shí)際生產(chǎn)中相當有效。

射砂時(shí)射砂頭上的射砂孔和鐵型的射砂孔對齊，射砂板的下平面與鐵型的上平面壓緊然后進(jìn)行射砂。但是在實(shí)際生產(chǎn)中由于鐵型鑄造加工后有應力變形、鐵型 不斷加熱冷卻產(chǎn)生變形及鐵型上表面的磕碰都會(huì )使射砂時(shí)鐵型上表面和射砂板下平面產(chǎn)生間隙，射砂時(shí)砂子從間隙中跑出。跑砂不僅浪費砂子、惡化工作環(huán)境，型腔 射不實(shí)造成廢品，同時(shí)由于砂子流速太快易給操作者造成人身傷害?，F在常用的辦法有：①在射砂板下表面鑲一高出平面5mm的硅膠墊；②把射砂板的射嘴做成 活動(dòng)可壓縮式，背面裝一壓縮彈簧。這樣都可以使射砂嘴與鐵型射砂孔四周緊密接觸避免跑砂。當鐵型嚴重變形時(shí)不僅鐵型上表面跑砂，而且鐵型下表面與型板產(chǎn)生 較大間隙跑砂，這時(shí)只能將鐵型上下兩面刨平后再用。

2．鐵型冷卻

在實(shí)際生產(chǎn)中為了保證生產(chǎn)效率，不可能將曲軸冷卻到230℃左右再開(kāi)箱（一般澆注后15～20min開(kāi)箱），由于覆砂層很薄，澆注后鐵型溫度急劇上 升，一個(gè)循環(huán)后的鐵型溫度在350～400℃左右，并且會(huì )越來(lái)越高，造成生產(chǎn)無(wú)法正常進(jìn)行。因為自然冷卻太慢，如果為了加快鐵型冷卻速度而向鐵型上澆水， 則易造成鐵型開(kāi)裂。目前國內生產(chǎn)鐵模覆砂線(xiàn)的廠(chǎng)家還沒(méi)有生產(chǎn)鐵型冷卻專(zhuān)用設備。為解決鐵型冷卻問(wèn)題，我們根據實(shí)際情況專(zhuān)門(mén)設計了一種冷卻裝置。

鐵型冷卻裝置

噴嘴結構如圖5所示。壓縮空氣進(jìn)入管子后，通過(guò)變徑套氣流速度加快，在銅管口形成更大的負壓。銅管另一端用氧氣管連接后放入水箱中的水中，銅管便有 水被吸出，高速氣流使水霧化，通過(guò)管口的錐形和下方的錐體使霧以錐的形狀噴向鐵型表面。這種冷卻裝置由于采用的是多頭霧化冷卻，因而使鐵型冷卻均勻，減少 了鐵型的變形和開(kāi)裂，提高了鐵型的使用壽命。同時(shí)，當水霧噴灑到鐵型表面后，水在鐵型表面迅速形成一層高溫水蒸氣膜，壓縮空氣的高速氣流將高溫水蒸氣膜及 時(shí)吹走，加快了鐵型的冷卻速度，滿(mǎn)足了生產(chǎn)線(xiàn)連續生產(chǎn)的需要。

鐵型冷卻裝置的噴嘴結構

3．合箱

由于覆膜砂用酚醛樹(shù)脂做固化劑，因而型腔在澆入鐵水后會(huì )產(chǎn)生大量的氣體。如果不能把氣體及時(shí)排除勢必造成鑄件氣孔和澆不足的缸陷。為此，除了在上型 模樣設計排氣孔，通過(guò)射砂針距上型面5mm左右的覆砂排氣外，合箱時(shí)要在分型面的四角處墊0.5mm的鐵片，以便使分型面產(chǎn)生間隙排出氣體。

鐵水的熔煉、球化、孕育和澆注

鐵模覆砂工藝因為鑄件冷卻快為獲得晶粒更細小、球化級別更高、表面質(zhì)量更好、機械性能更好的鑄件提供了有利條件，但也對鐵水的熔煉、球化、孕育和澆注提出了更高的要求。

1．熔煉

覆膜砂鑄造工藝因為鑄件冷卻速度快，進(jìn)入型腔的鐵水中的夾雜物和氣體不容易浮出而易形成夾渣和氣孔，同時(shí)也容易形成冷隔。因此，覆膜砂鑄造工藝生 產(chǎn)要求有高溫、潔凈的鐵水?，F在因為焦炭?jì)r(jià)格的上漲，就熔煉成本方面中頻感應電爐已不再比沖天爐高，同時(shí)中頻感應電爐可以獲得化學(xué)成分穩定、高溫潔凈的鐵 水，又能滿(mǎn)足連續生產(chǎn)的需要，所以鐵模覆砂工藝鑄造曲軸用中頻感應電爐熔煉。一般中頻感應電爐熔煉的出爐溫度在1 500℃左右。

同樣因為覆膜砂鑄造工藝鑄件冷卻速度快，且中頻感應電爐熔煉的鐵水過(guò)冷度大，造成鑄件白口傾向大，鑄件冷卻后容易形成自由滲碳體。所以配料時(shí)碳硅當量要比粘土砂造型工藝時(shí)高一些，常用的化學(xué)成分見(jiàn)表。

鑄件配料化學(xué)成分 

2．球化處理

球化處理是球鐵曲軸生產(chǎn)的重要環(huán)節，石墨的形態(tài)直接影響曲軸本體強度性能?，F在國內球化劑主要采用稀土鎂硅鐵復合球化劑，球化劑選用哪種牌號，主要 考慮吸收率的高低和反應是否平穩。因為鐵模覆砂工藝要求電爐鐵水出爐溫度較高，宜選用較低牌號的球化劑如FeSiMg8Rt3。為了減少硫和鎂作用形成的 二次渣，殘留稀土鎂不宜過(guò)高；原鐵水含硫量過(guò)高時(shí)可用多孔塞包進(jìn)行脫硫，然后再倒入電爐內提溫。

3．孕育處理和澆注

由于覆膜砂鑄造工藝冷卻快和電爐鐵水過(guò)冷度大，造成鑄件在凝固過(guò)程中白口傾向大。因此對鐵水進(jìn)行充分的孕育處理。一般進(jìn)行兩次孕育處理：第*次 在球化處理時(shí)在包內放入百分之零點(diǎn)二～百分之零點(diǎn)三的硅鐵；*二次在澆注時(shí)采用加入量百分之零點(diǎn)一的隨流孕育，采用含鈣、鋇的復合孕育劑，它可以有效地增加石墨核 心，細化晶粒，延緩孕育衰退時(shí)間。孕育劑的粒度一般為60目，不得長(cháng)期放置以免受潮和氧化。

澆注溫度一般在1 420℃左右，澆注時(shí)要注意擋渣。因為鐵水凝固快夾雜物難以上浮的緣故，一般在澆注系統中都放置過(guò)濾片。

曲軸余熱正火輔合金化

鑄件的快速凝固和中頻電爐高溫純凈的鐵水為鑄件晶粒細化、球化級別的提高提供了有利條件。在普通的生產(chǎn)條件下，珠光體含量一般在百分之六十五～百分之七十五，抗拉強度680～750N/mm2，延伸率4%～6%。在鐵水處理過(guò)程中加入0.5%～6%的Cu和微量的強烈促進(jìn)珠光體化的微量元素Sb；鐵模覆砂線(xiàn) 連續機械化或自動(dòng)化的控制使開(kāi)箱工作更加容易控制，當鑄件溫度在860～900℃左右時(shí)開(kāi)箱，然后將鑄件迅速轉入冷卻室進(jìn)行噴霧冷卻。這樣便可以得到珠光 體含量85%～90%，機械性能QT800-3的球鐵曲軸毛坯。它不僅可改善清理車(chē)間的高溫環(huán)境，減少往返運輸和一次清理，更重要的是它可以免去巨大的熱 處理費用，有效地降低生產(chǎn)成本。曲軸余熱正火輔合金化取代現在的正火熱處理已成為曲軸生產(chǎn)的必然發(fā)展趨勢。

結語(yǔ) 

覆膜砂鑄造曲軸簡(jiǎn)化了粘土砂的工藝，克服了粘土砂固有的弱點(diǎn)（龐大的砂處理、臟亂差的工作環(huán)境及低的材質(zhì)性能），可實(shí)現連續可控的生產(chǎn)，為高質(zhì)量曲軸生產(chǎn)實(shí)現機械化、自動(dòng)化提供了有利條件。這項先進(jìn)的工藝必將在鑄造生產(chǎn)中得到越來(lái)越廣泛的應用。