優(yōu)化鑄造工藝提升鑄件硬度均勻性

田書濤，黃新懷，程凱，封小虎，張軍，張松軍

西峽縣內(nèi)燃機進(jìn)排氣管有限責(zé)任公司 河南西峽 474500

1 序言

西峽縣內(nèi)燃機進(jìn)排氣管有限公司是國內(nèi)專業(yè)化汽車排氣管生產(chǎn)基地，成立30多年來，先后為國內(nèi)外100多家主機廠開發(fā)3000多種排氣歧管，填補了國內(nèi)外空白。特別是近十幾年來，公司開始輻射排氣管外的其他產(chǎn)品，差速器殼體就是其中一種，但是在差殼的加工過程中，出現(xiàn)尺寸超差，造成報廢現(xiàn)象嚴(yán)重。我們對鑄件加工余量進(jìn)行分析，基本在2mm左右，不存在加工余量過大或不足現(xiàn)象。

2 問題描述

1）材料：DIN EN 1563-EN-GJS-600-3，硬度為190～254HBW。

2）毛坯重量：4.5kg，差殼零件三維結(jié)構(gòu)及加工圖樣如圖1所示，在機加工φ50.05＋0－0.025mm尺寸后，經(jīng)最終檢驗存在20%左右超差，且加工過程不穩(wěn)定。

圖1 差殼零件

3 鑄造工藝

毛坯生產(chǎn)采用濕型砂造型，德國靜壓HWS生產(chǎn)線，每模8件（見圖2），每箱澆注重量110kg，工藝出品率33%，造型硬度≥90。鐵液采用中頻感應(yīng)電爐熔煉，自動澆注機進(jìn)行澆注，澆注溫度1410～1450°，每箱澆注時間8～10s。

圖2 原鑄造工藝

4 不合格原因分析

（1）鑄件硬度 標(biāo)準(zhǔn)要求硬度為190～254HBW，經(jīng)過對A、B位置（見圖3）進(jìn)行硬度檢測，結(jié)果見表1。從表1可以看出，B位置硬度最大偏差42HBW，硬度不均勻現(xiàn)象較嚴(yán)重。

表1 硬度檢測結(jié)果 （HBW）

圖3 硬度檢測

（2）化學(xué)成分 對鑄造毛坯進(jìn)行化學(xué)成分分析，結(jié)果見表2。從表2可看出，化學(xué)成分合格，排除因化學(xué)成分不合格而造成的影響。

表2 鑄造毛坯化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)） （%）

（3）金相組織 對試樣采用4%硝酸酒精腐蝕，對金相組織進(jìn)行檢驗，結(jié)果如圖4所示。從圖4c可看出，局部出現(xiàn)碳化物。

圖4 金相組織

（4）工藝模擬 采用PROCAST軟件對鐵液充型過程進(jìn)行模擬[1，2]，結(jié)果如圖5所示。從圖5可看出，鑄件圓周冷卻不同步，冷鐵液出現(xiàn)在問題部位，也就是金相分析中碳化物超標(biāo)位置。

圖5 模擬結(jié)果

原因分析結(jié)論：通過以上分析，主要問題是澆注時自上而下充型，初始冷鐵液在缺陷部位聚集，部分鐵液沒有完全溢流到頂冒口里面，一是造成局部過冷而出現(xiàn)碳化物，二是造成四周冷卻不一致，致使硬度偏差大。

5 改善措施

找到出現(xiàn)問題的原因后，我們對鑄造工藝進(jìn)行了優(yōu)化，將硬度不均勻部位原有的“冷冒口”變?yōu)椤盁崦翱凇?，以解決冷鐵液聚集現(xiàn)象，提高問題部位鐵液溫度。優(yōu)化后，避免了因溫度低而出現(xiàn)高溫碳化物現(xiàn)象，同時讓圓周鐵液凝固更加均勻，從而實現(xiàn)圓周硬度均勻。

優(yōu)化后的鑄造工藝方案如圖6所示，內(nèi)澆道位置改為頂冒口進(jìn)鐵液，來保證頂部冒口的溫度。

圖6 優(yōu)化后鑄造工藝方案

對優(yōu)化后的工藝進(jìn)行模擬分析（見圖7），以前出問題的部位鐵液溫度得到提升，冷卻速度基本實現(xiàn)同步。模具優(yōu)化完成后，安排車間生產(chǎn)20箱共160件，澆注溫度1415～1448℃，與前期澆注溫度一致。清理后對硬度進(jìn)行檢測，結(jié)果見表3。從表3可看出，硬度最大偏差降低到12HBW，基本實現(xiàn)圓周硬度均勻的目的。

圖7 優(yōu)化后模擬分析

表3 工藝優(yōu)化后的硬度檢測結(jié)果 （HBW）

對優(yōu)化后的產(chǎn)品進(jìn)行金相組織檢測，結(jié)果如圖8所示。從圖8可看出，碳化物含量降低。

圖8 優(yōu)化后金相組織

6 結(jié)果驗證

經(jīng)過批量制作5萬余件，只有67件尺寸不合格，僅占生產(chǎn)總數(shù)的0.1%（見表4），使硬度不均造成的加工尺寸超差問題得到解決。

表4 差殼改善后驗證結(jié)果 （件）

7 結(jié)束語

通過問題分析及工藝驗證，鑄件加工尺寸出現(xiàn)超差主要問題包括兩個方面：一是加工部位硬度不均勻；二是加工部位局部出現(xiàn)碳化物。由于鑄造是個復(fù)雜過程，因此無論是設(shè)計還是生產(chǎn)過程，都要認(rèn)真考慮和嚴(yán)格控制，方可保證產(chǎn)品質(zhì)量。當(dāng)出現(xiàn)質(zhì)量問題時，要從人、機、料、法、環(huán)等方面分析，借助專業(yè)的分析軟件，采用對比的方法找出問題發(fā)生的根本原因。為了降低驗證費用，利用PROCAST軟件進(jìn)行工藝模擬，確認(rèn)可靠后方可進(jìn)行生產(chǎn)驗證。當(dāng)材料方面出現(xiàn)問題時，不能一味地單純從材料方面進(jìn)行改善，鑄造工藝也有較大的影響，如改變內(nèi)澆道位置和溫度場，同樣達(dá)到解決問題的效果。