降低結(jié)構(gòu)復雜薄壁件鑄造裂紋技術(shù)應(yīng)用與實踐

魯茂波，宮震

（東風精密鑄造安徽有限公司，安徽合肥238000）

降低結(jié)構(gòu)復雜薄壁件鑄造裂紋技術(shù)應(yīng)用與實踐

魯茂波，宮震

（東風精密鑄造安徽有限公司，安徽合肥238000）

在熔模鑄造碳鋼件生產(chǎn)過程中，影響裂紋形成的主要因素有：澆口位置選擇、整體澆注系統(tǒng)形式、產(chǎn)品結(jié)構(gòu)優(yōu)化、防裂筋設(shè)計、鋼水潔凈度、鋼水化學成分、熔煉澆注作業(yè)控制和凝固散熱條件控制等八大方面。綜合研究分析解決結(jié)構(gòu)復雜薄壁件鑄造裂紋，結(jié)果表明，從澆注位置及澆注系統(tǒng)優(yōu)化選擇、產(chǎn)品結(jié)構(gòu)優(yōu)化及防裂筋設(shè)計、熔煉澆注工藝優(yōu)化三方面降低結(jié)構(gòu)復雜薄壁鑄鋼件裂紋，綜合效果顯著。某汽車控制臂支架裂紋由20%以上降至0.1%～0.3%，降幅98.5%，效果顯著；鑄鋼件返修率由30%降至5%，既保證了產(chǎn)品內(nèi)外部質(zhì)量，也提升了生產(chǎn)效率降低了制造成本。

結(jié)構(gòu)復雜薄壁件；鑄造裂紋；技術(shù)應(yīng)用與實踐

隨著汽車行業(yè)快速發(fā)展，輕量化技術(shù)得到推廣與應(yīng)用，各大汽車公司進行汽車零部件結(jié)構(gòu)減重優(yōu)化，實現(xiàn)整車減重。為了保證零部件的使用強度與安全性，導致零件結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)復雜薄壁趨勢。多數(shù)零件以鑄造方式生產(chǎn)，復雜薄壁結(jié)構(gòu)及碳鋼材質(zhì)決定了生產(chǎn)該類型產(chǎn)品需要考慮一系列問題，如鑄造類型選擇、鑄造缺陷、鑄造風險、市場風險等問題。尤其是汽車安全件，最致命的鑄造缺陷是裂紋、縮孔等，一旦裂紋缺陷件流出，在車輛行駛過程中斷裂失效，后果不堪設(shè)想，威脅人身安全。所以研究降低結(jié)構(gòu)復雜薄壁件鑄造裂紋技術(shù)勢在必行。

以某汽車公司轉(zhuǎn)向控制臂支架為例，產(chǎn)品結(jié)構(gòu)如圖1示。材質(zhì)為碳鋼，結(jié)構(gòu)復雜，壁厚較薄，最小壁厚5 mm，最大壁厚20 mm，結(jié)構(gòu)壁厚呈不均勻設(shè)計，采用熔模鑄造生產(chǎn)。該產(chǎn)品在生產(chǎn)初期裂紋比例高達20%以上，裂紋流出風險大，市場面臨丟失可能。研究熔模鑄造碳鋼件形成裂紋的影響因素，主要有：澆口位置選擇、整體澆注系統(tǒng)形式、產(chǎn)品結(jié)構(gòu)優(yōu)化、防裂筋設(shè)計、鋼水潔凈度、鋼水化學成分、熔煉澆注作業(yè)控制和凝固散熱條件控制等八大方面。本文綜合研究分析解決結(jié)構(gòu)復雜薄壁件鑄造裂紋問題。

1　澆口位置及澆注系統(tǒng)選擇

澆口是金屬液進入鑄型的唯一通道，是控制充型速度和方向，分配金屬，調(diào)節(jié)鑄件各部位的溫度和凝固順序，澆注系統(tǒng)的金屬液通過內(nèi)澆道對鑄件有一定補縮作用，設(shè)計內(nèi)澆口時應(yīng)避免金屬液流入型腔時呈紊流、飛濺現(xiàn)象，使其平穩(wěn)充型。

內(nèi)澆道選擇應(yīng)遵循如下原則：

圖1　某汽車轉(zhuǎn)向控制臂支架局部結(jié)構(gòu)

1）內(nèi)澆道位置數(shù)目選擇應(yīng)保證鑄件整體凝固順序和補縮方式，同時凝固時內(nèi)澆口應(yīng)選擇在鑄件薄壁結(jié)構(gòu)處，宜數(shù)量多，分散，使金屬液能夠快速充型。順序凝固時內(nèi)澆口選擇在厚壁處；

2）內(nèi)澆道應(yīng)盡量薄，降低內(nèi)澆道吸動區(qū)，有利于阻渣，減少進入初期渣的可能性；

3）內(nèi)澆道設(shè)計應(yīng)保證金屬液在鑄型內(nèi)流向一致，防止形成紊流，產(chǎn)生卷氣、氧化、夾雜等鑄造缺陷；

4）內(nèi)澆道設(shè)計應(yīng)盡量不阻礙鑄件的收縮［2］。

該汽車控制臂采用熔模鑄造方式生產(chǎn)，兩內(nèi)澆口位置分布在結(jié)構(gòu)圓弧上，采用帶有冒口的四棱棒作為澆注系統(tǒng)，如圖2示。凝固過程中，在澆注系統(tǒng)的帶動下兩澆口的收縮方向與鑄件凝固主應(yīng)力方向成銳角，加劇凝固熱應(yīng)力，促使鑄件在凝固過程中形成熱裂紋。澆注系統(tǒng)選擇設(shè)計不合理，與內(nèi)澆口焊接的澆注系統(tǒng)部位均帶有大容量補縮冒口，在澆注過程中該冒口充當攔壩，出現(xiàn)阻流，導致兩澆口同時充型，造成充型紊亂，金屬液在鑄型內(nèi)碰撞，導致飛濺、卷渣、氧化。整體鑄型溫度不均勻，不同部位溫度差異較大，導致鑄件熱裂紋形成。針對上述設(shè)計缺陷，調(diào)整內(nèi)澆口位置，使得收縮拉力與鑄件主應(yīng)力方向成90°～180°夾角，分力最小或消除阻礙鑄件收縮，降低鑄件裂紋；澆口位置設(shè)計成細小扁薄狀，降低澆口部位的熱作用時間，降低裂紋。澆注系統(tǒng)選擇直四棱棒，實現(xiàn)從下至上逐層充型，消除充型紊流現(xiàn)象，降低鑄件裂紋，如圖3所示。該改善方案實施后，裂紋由20%以上降低至3%～5%，降幅75%，效果顯著。

2　產(chǎn)品結(jié)構(gòu)優(yōu)化及防裂筋設(shè)計

鑄件壁厚不均勻、結(jié)構(gòu)圓角偏小或兩直角相交等不合理設(shè)計均易導致產(chǎn)生裂紋。結(jié)構(gòu)圓角偏小容易導致產(chǎn)生應(yīng)力集中，形成裂紋；壁厚不均勻致使冷卻速度不均勻，溫度分布極不均勻，厚大部分產(chǎn)生較大集中變形，易形成裂紋。該汽車控制臂裂紋形成部位如圖4所示。澆注系統(tǒng)優(yōu)化和澆口位置調(diào)整后1、3部位裂紋消除。2部位裂紋比例高達3%～5%，形成裂紋主要是2部位澆口長時間作用，凝固過程中合金強度偏低，該極限強度小于鑄件凝固收縮的抗拉強度，形成裂紋。

圖2　原有澆口、澆注系統(tǒng)方案

圖3　改后澆口、澆注系統(tǒng)方案

圖4　裂紋部位示意圖

進行工藝改進：

1）澆口部位增加工藝補貼和加大鑄造圓角，目的是增加合金凝固高溫強度使之大于收縮拉應(yīng)力強度，避免形成裂紋；

2）澆口對面結(jié)構(gòu)筋板處增加厚度2mm、高度2m、長度是澆口寬度1.5倍長的防裂筋。由于防裂筋較薄，凝固迅速具有較高的強度，加強了鑄件易裂處的強度，使之大于鑄件凝固時的收縮拉應(yīng)力強度，避免了裂紋形成。該改善對策實施后，如圖5所示，裂紋由3%～5%降至1%～2%，降幅50%.

圖5　防裂筋設(shè)計與增加工藝補貼加大圓角

增加防裂筋，筋板結(jié)構(gòu)拐角優(yōu)化

3　熔煉澆注工藝優(yōu)化

3.1鋼水凈化技術(shù)

在熔煉澆注過程中預處理時，脫氧、脫硫作業(yè)或金屬與爐襯材料相互作用，加上爐料生銹、鋼水氧化等問題，造成鋼水中存在大量的非金屬夾雜物，導致鋼水流動性顯著降低，在凝固過程中低熔點夾雜物聚集在晶界上晚于鑄件凝固，造成晶界（晶粒間）強度遲遲不能建立，低于鑄件凝固收縮強度，形成初期晶界內(nèi)裂紋，隨著凝固繼續(xù)進行，凝固收縮應(yīng)力變大，晶界內(nèi)裂紋由內(nèi)向外擴展，形成表面裂紋，所以鋼水凈化技術(shù)應(yīng)用勢在必行。

傳統(tǒng)減小排除夾雜物的途徑有：

1）正確選擇合金成分，嚴格控制易氧化元素的含量；

2）金屬液表面加熔劑，吸附上浮夾雜物，或向金屬中加熔劑，使之與金屬形成密度更小的液態(tài)金屬夾雜物，便于聚合上??；

3）采用復合脫氧劑，形成密度小熔點低的液態(tài)脫氧產(chǎn)物，聚合形成大液滴，便于上浮排除［3］。

上述傳統(tǒng)鋼水凈化技術(shù)無法徹底去除鋼水中非金屬夾雜物。

本文研究采用過濾法與鋼水凈化劑工藝復合實現(xiàn)最大程度凈化鋼水。鋼水熔煉采用鋼水凈化劑實現(xiàn)鋼水凈化。澆注控制臂支架熔煉鋼水加入質(zhì)量分數(shù)＞0.05%“銳凈型號”鋼水凈化劑，在鋼水量占熔爐一半時加入。銳凈型號鋼水凈化劑由各種非金屬鹽類化合物復合形成，加入鋼水中非金屬鹽類與鋼水中夾雜物發(fā)生聚合反應(yīng)，形成密度小熔點低液態(tài)聚合物上浮金屬液表面，通過造渣劑多次表面造渣，最大程度清除夾雜物實現(xiàn)鋼水凈化。該鋼水凈化劑較其他方式，凈化作用時間持久，加入時發(fā)現(xiàn)鋼水表面發(fā)生劇烈反應(yīng)，表面浮出異于鋼水顏色的夾雜物。同時采用復合泡沫過濾網(wǎng)對鋼水進行過濾，該復合過濾網(wǎng)取代了鋯英過濾網(wǎng)在鑄鋼件上的應(yīng)用，最大程度節(jié)約了制造成產(chǎn)成本，顯著提升了產(chǎn)品表面和內(nèi)部質(zhì)量。

該“鋼水凈化劑+復合過濾網(wǎng)”復合凈化技術(shù)應(yīng)用后，裂紋由1%～2%降至0.5%～0.7%，鑄鋼件返修率由30%降至5%，既保證了產(chǎn)品內(nèi)外部質(zhì)量，也提升了生產(chǎn)效率降低了制造成本。

3.2熔煉工藝優(yōu)化

1）熔煉材料至關(guān)重要，應(yīng)嚴格控制P、S、Pb、V等有害元素含量，一般要求控制范圍：w（S）、w（P）≤0.035%，w（Al）≤0.15%，w（Pb）≤0.008%.禁止使用建筑、電力等行業(yè)廢鋼。尤其是結(jié)構(gòu)復雜薄壁件應(yīng)嚴格控制廢鋼、合金有害元素含量，推薦使用低鉛合金。

2）回爐料（廢品鑄件、澆注系統(tǒng)）使用也應(yīng)該嚴格控制，由于有害雜質(zhì)、元素的遺傳性，導致回爐料夾雜物、有害元素含量是最高的。如果過量加入或全部使用回爐料熔化鋼水澆注結(jié)構(gòu)復雜薄壁鑄鋼件，鋼水中夾雜物、有害元素含量異常偏高，很難用正常的扒渣、脫氧等工藝清除干凈，造成嚴重的裂紋傾向，裂紋比例偏高，甚至出現(xiàn)批量裂紋。根據(jù)經(jīng)驗，回爐料使用量應(yīng)控制在20%～30%.

3）適當提高澆注溫度，可減輕結(jié)構(gòu)復雜薄壁件的熱裂傾向。這是因為：一方面增大了高溫對鑄型材料的熱作用時間，使之失去強度，提高鑄型的退讓性；另一方面降低了鑄件收縮速度和集中變形程度［4］。但是澆注溫度應(yīng)保持合適的范圍，過低鋼水流動性差，造成澆不足、冷隔鑄造缺陷；過高，由于結(jié)構(gòu)復雜薄壁方面影響，鑄件整體凝固溫度場不均勻，高溫作用時間長久，也會加重裂紋形成傾向。結(jié)構(gòu)復雜薄壁件澆注速度應(yīng)合適選擇，過低，鋼水降溫過快易形成澆不足、冷隔鑄造缺陷，過快，鑄型內(nèi)氣體難于排除和鋼水中夾雜物在很短時間內(nèi)難于浮到澆注系統(tǒng)，易形成氣孔、夾雜等鑄造缺陷。所以根據(jù)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)應(yīng)選擇合適的澆注溫度和澆注速度。

4）整體澆注后，在鑄件凝固過程中從澆注系統(tǒng)澆口杯單元，散熱條件最快，導致鑄型整體凝固散熱不均勻，凝固應(yīng)力分布差異大，導致鑄件凝固過程中高溫強度最低部位形成裂紋。采用保溫覆蓋劑或發(fā)熱覆蓋劑改善澆注后鑄型整體散熱條件，使之各結(jié)構(gòu)部位呈均勻散熱，均勻凝固。降低結(jié)構(gòu)復雜薄壁件裂紋形成。

5）在不影響鑄件使用性能的前提下，可適當調(diào)整化學成分，選擇熱裂傾向較小的合金。針對結(jié)構(gòu)復雜薄壁鑄鋼件，在保持碳當量不變的條件下，采用降低含碳量，提升含錳量來降低結(jié)構(gòu)復雜薄壁鑄鋼件裂紋。

熔煉澆注工藝調(diào)整優(yōu)化后結(jié)構(gòu)復雜薄壁鑄鋼件裂紋率由0.5%～0.7%降至0.1%～0.3%，降低裂紋效果顯著。

澆注位置及澆注系統(tǒng)選擇、產(chǎn)品結(jié)構(gòu)優(yōu)化及防裂筋設(shè)計、熔煉澆注工藝優(yōu)化三方面降低結(jié)構(gòu)復雜薄壁鑄鋼件裂紋技術(shù)復合應(yīng)用，使控制臂支架裂紋率由20%以上降至0.1%～0.3%，降幅98.5%，效果顯著；鑄鋼件返修率由改前30%降至5%，既保證了產(chǎn)品內(nèi)外部質(zhì)量，也提升了生產(chǎn)效率降低了制造成本。

4　結(jié)論

1）澆口位置及澆注系統(tǒng)選擇應(yīng)保證澆口收縮拉力與鑄件凝固主拉應(yīng)力夾角成90°～180°，使得整體凝固應(yīng)力最小，從而減小裂紋。澆口形狀、大小應(yīng)合適選擇，避免因充型紊流和熱作用時間過長形成裂紋。結(jié)構(gòu)復雜薄壁件澆注系統(tǒng)設(shè)計選擇應(yīng)保證鋼水平穩(wěn)充型，避免紊流造成氧化夾渣，形成裂紋。

2）采用新型鋼水凈化劑在熔煉過程中實現(xiàn)鋼水凈化，降低鋼水渣子等雜質(zhì)含量，提升鋼水潔凈度，降低因夾雜物形成的裂紋。鋼水化學成分應(yīng)嚴格控制S、P、Al、Pb等有害元素含量，一般要求控制范圍：w（S）、w（P）≤0.035%，w（Al）≤0.15%，w（Pb）≤0.008%.禁止使用建筑、電力等行業(yè)廢鋼。熔煉澆注遵循高溫出爐低溫澆注，模殼實現(xiàn)熱殼澆注，禁止冷殼澆注，出爐澆注100%測溫，澆注溫度根據(jù)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)適當選擇。同時嚴格控制廢品件/澆注系統(tǒng)回爐料加入量，一般控制在20%～30%.保溫覆蓋劑或發(fā)熱覆蓋劑應(yīng)用，減小因澆口杯快速散熱導致的不均勻凝固，減緩凝固速度，降低裂紋傾向，也可顯著改善鑄鋼件縮孔問題。

3）產(chǎn)品結(jié)構(gòu)局部調(diào)整，澆口引入部位或其他結(jié)構(gòu)增加工藝補貼，或加大鑄造圓角，消除因澆口部位熱作用時間過長強度不足產(chǎn)生的裂紋。在裂紋形成部位設(shè)計防裂筋，通過防裂筋先凝固建立強度消除裂紋。

4）降低結(jié)構(gòu)復雜薄壁件鑄造裂紋技術(shù)應(yīng)用半年，產(chǎn)品生產(chǎn)質(zhì)量穩(wěn)定，裂紋比例累計在0.23%左右，共累計節(jié)約廢品噸位126 t，創(chuàng)效123萬元以上。

［1］王文清，李魁盛.鑄造工藝學［M］.北京：機械工業(yè)出版社，2003.

［2］中國鑄造協(xié)會.鑄造工程師手冊［M］.北京：機械工業(yè)出版社，2010.

［3］程俊偉，郭亞輝，靖琦，鄭予溶，袁書倉.柴油機缸體鑄件裂紋缺陷的成因分析與對策［J］.鑄造設(shè)備與藝，2009（6）：28-29.

［4］王紀濤，馬偉東，孫寶金.貨車轉(zhuǎn)向架搖枕側(cè)架裂紋機理分析［J］.鑄造設(shè)備與工藝，2015（2）：46-50.

Technology to Reduce the Crack of Complex Thin Wall Casting

LU Mao-bo，GONG Zhen
（Dongfeng Investment Casting CO.，LTD.，Hefei Anhui 238000，China）

The main factors affecting the formation of cracks in the carbon steel investment casting are gate location，pouring system，product structure，anti-cracking strip，molten steel cleanliness，composition，melting and pouring process control and solidification cooling conditions，and so on.The research and analysis to the complex thin wall casting crack shows pouring system optimization，product structure optimization and anti-cracking reinforcement design，melting pouring process optimization lowers the crack of complex thin-walled steel casting and have the remarkable comprehensive effect.For example，the car control arm bracket crack decreased by more than 20%to 0.1～0.3%drop 98.5%，the steel repair rate by the 30%down to 5%，which not only ensured the quality of products inside and outside，also promoted the produce efficiency and reduced the manufacturing cost.

complex thin-walled structure，casting crack，technology application and practice

TG249.5，TG245

A

1674-6694（2016）04-0043-04

10.16666/j.cnki.issn1004-6178.2016.04.016

2016-04-07

魯茂波（1989-），男，技術(shù)主管，主要從事熔模鑄造生產(chǎn)工藝技術(shù)、材料研發(fā)及應(yīng)用；生產(chǎn)現(xiàn)場高廢產(chǎn)品改善技術(shù)開發(fā)與應(yīng)用方面的研究。