潮模砂線ADI鑄件的研制和生產(chǎn)

佘 愷 張占信 戴怡菁

(常州中車汽車零部件有限公司 江蘇 常州 213000)

ADI全稱等溫淬火球墨鑄鐵[1](Austempered Ductile Iron，簡稱ADI)， 是通過等溫淬火或加入合金元素， 使金屬基體組織由鐵素體、 珠光體轉(zhuǎn)變?yōu)橐葬槧铊F素體和富碳奧氏體組成的奧鐵體。 正是由于這種獨特的顯微組織， 使它與普通球鐵相比具有更高的強(qiáng)度和延展性； 與鋼相比， 具有質(zhì)量輕、 耐磨性好、 減震性好等優(yōu)點。 我國ADI研究雖然起步較早， 但與美國等發(fā)達(dá)國家相比仍有較大差距， 截止目前國內(nèi)ADI的產(chǎn)量不足球鐵總量的5%， 主要表現(xiàn)為質(zhì)量不穩(wěn)定、 產(chǎn)量低， 發(fā)展空間巨大。

國內(nèi)ADI鑄件應(yīng)用最多為覆膜砂鐵型、金屬型、堿酚醛樹脂砂型、V法造型或消失模等。但很少有廠家在潮膜砂線實現(xiàn)ADI的批量生產(chǎn)。2019年，公司承接一批工程機(jī)械零件訂單(以下簡稱“支架”)，屬于承載安全件，鑄件質(zhì)量117 kg，材質(zhì)為ADI，要求抗拉強(qiáng)度≥900 MPa，延伸率≥8%。擬在KW潮膜砂線上生產(chǎn)該鑄件，并探索符合潮模砂線ADI鑄件的批量生產(chǎn)工藝。

1 ADI鑄件的質(zhì)量要求

(1)鑄造缺陷。 要求鑄件內(nèi)部無非金屬夾渣、 縮松、 縮孔、 氣孔等鑄造缺陷， 若鑄件內(nèi)部存在上述缺陷， 將會造成鑄件內(nèi)部組織的不一致性， 這種不一致性不僅會影響鑄態(tài)毛坯的力學(xué)性能， 更會影響后期熱處理效果， 難以達(dá)到ADI要求的性能。

(2)基體石墨數(shù)。一般合格的ADI對其球鐵鑄件的基體要求是：球化率>85%，石墨球數(shù)>100個/mm2。鑄件的球化率越高，石墨球數(shù)越多，可以有效地提升ADI的力學(xué)性能。

(3)化學(xué)成分。 合理的化學(xué)成分對于生產(chǎn)ADI有重要意義， 尤其是要嚴(yán)格控制S、 P的質(zhì)量分?jǐn)?shù)， 對于ADI球鐵來說， 一般要求S、 P的質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別控制0.02%、 0.04%以下， 若超出這個范圍， ADI的強(qiáng)度跟延伸率將會受到很大影響。 對于大截面的ADI鑄件， 一般需要添加一些鉬、 銅、 鎳等元素， 來增加其淬透性。

2 潮膜砂生產(chǎn)ADI鑄件的難點

ADI對鑄件毛坯質(zhì)量要求較高，要求內(nèi)部組織致密，不允許存在縮松、氣孔等鑄造缺陷。球墨鑄鐵的凝固特性為“糊狀凝固”，這種凝固方式促使鑄件表面長時間形成堅固外殼[2]，如果鑄型剛度不夠，石墨化膨脹作用就可能在鑄件外形隨型腔的擴(kuò)大中消耗，使內(nèi)部液態(tài)和凝固收縮得不到補(bǔ)縮而造成宏觀縮孔。所以球墨鑄鐵特別是厚大件生產(chǎn)時，必須保證鑄型有足夠的剛度，若剛度足夠，石墨化的膨脹力可以抵消內(nèi)部縮松，可以采用小冒口甚至無冒口工藝。但對于剛性不足的潮模砂線(強(qiáng)度只有覆膜砂線1/40左右)，冒口必須有足夠的模數(shù)，滿足鑄件凝固時期的液態(tài)補(bǔ)縮，甚至補(bǔ)縮鑄件膨脹導(dǎo)致砂型退讓增加的體積。

3 鑄造工藝設(shè)計

3.1 結(jié)構(gòu)分析

支架鑄件輪廓尺寸為900 mm×190 mm×300 mm，鑄件質(zhì)量大，壁厚大，極易產(chǎn)生縮松、縮孔等缺陷。支架存在如圖1所示的兩處相對厚大部位，厚度達(dá)到190 mm，屬于熱節(jié)集中處，應(yīng)設(shè)計冒口補(bǔ)縮，遠(yuǎn)離厚大位置支架邊緣處壁厚相對較小。

另外，支架外形存在一處倒拔模，一處通孔(直徑與深度比接近1∶3)，難以脫模，需要泥芯。

圖1 支架鑄件三維圖

3.2 工藝設(shè)計

如圖2所示，采用具有良好濾渣性能的半封閉澆注系統(tǒng)，鑄件從冒口入水。本工藝的直澆道、橫澆道、內(nèi)澆道三者面積之比為1∶1.25∶0.8，最小截面設(shè)在內(nèi)澆道，截面積為1 400 mm2。補(bǔ)縮系統(tǒng)采用兩個冒口，冒口1為普通熱冒口，直徑190 mm，模數(shù)3.4 cm，對應(yīng)鑄件熱節(jié)處模數(shù)3.2 cm，冒口鑄件模數(shù)比為1.06；冒口2頂部套有12/15發(fā)熱冒口，底部直徑也為190 mm，模數(shù)3.7 cm，對應(yīng)鑄件熱節(jié)處模數(shù)3.4，冒口鑄件模數(shù)比1.09。 另外在鑄件遠(yuǎn)離冒口的位置放置冷鐵，迫使鑄件從遠(yuǎn)離冒口端向冒口端順序凝固，使冒口發(fā)揮最佳的補(bǔ)縮和集渣作用。

3.3 模流分析

模擬參數(shù)：鑄件材質(zhì)QT700，鑄型材質(zhì)Green Sand，網(wǎng)格劃分400萬，充型時間22 s，充型溫度1 400℃。從模擬結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，支架充型時平穩(wěn)，沒有明顯的飛濺和湍流(見圖3)；凝固過程中鑄件順序凝固，冒口最后凝固，補(bǔ)縮良好，鑄件中未發(fā)現(xiàn)明顯縮松(見圖4)，說明鑄造工藝設(shè)計達(dá)到理論要求。

圖2 支架工藝三維示意圖

圖3 充型分析

圖4 凝固分析

4 調(diào)試驗證

4.1 成分設(shè)計

根據(jù)產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)、材質(zhì)要求，以及鑄件之后的熱處理—淬透性要求，進(jìn)行表1成分設(shè)計。

表1 支架成分設(shè)計 /%

其中硅能強(qiáng)烈促進(jìn)石墨化。對奧貝球鐵而言，在等溫轉(zhuǎn)變過程中，Si阻止?jié)B碳體的析出，使貝氏體中針狀鐵素體周圍的奧氏體富碳，增加了奧氏體的穩(wěn)定性，增加了轉(zhuǎn)變中奧氏體的數(shù)量，提高鑄件的塑性和韌性。Si量控制在2.4%～2.8%之間，Si量過高會引起石墨漂浮，加劇低溫脆性；Si量過低，將會孕育不充分，難以獲得細(xì)小且分布均勻的石墨球，影響基體強(qiáng)度。Mn的作用是穩(wěn)定和強(qiáng)化球鐵基體組織，且有利于提高材料的淬透性、強(qiáng)度和耐磨性[3]。但Mn具有嚴(yán)重的正偏析現(xiàn)象，往往有可能富集于共晶團(tuán)晶界處，嚴(yán)重時會促使形成晶間碳化物，因而顯著降低球鐵的韌性，故Mn含量控制在0.4%以內(nèi)。P在ADI中為有害元素，因為其有嚴(yán)重的偏析傾向，易在晶界處形成磷共晶，同時P還會增大球鐵的縮松傾向，嚴(yán)重降低球墨鑄鐵的韌性，因此P的質(zhì)量分?jǐn)?shù)控制在0.035%以下。S易與球化元素反應(yīng)，生成硫化物或硫氧化物，不僅會消耗球化劑，加快球化衰退，還會使夾雜物增多，導(dǎo)致鑄件產(chǎn)生缺陷，因此應(yīng)嚴(yán)格控制S的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，一般不大于0.02%。Cu、Ni具有穩(wěn)定珠光體以及擴(kuò)大奧氏體區(qū)的作用，同時能提高鑄件的淬透性。Mo可使奧氏體等溫分解曲線右移，有效地提高淬透性。在生產(chǎn)奧氏體—貝氏體球鐵時，往往采用0.6%～0.8%的Cu，與1.4%左右的Ni，0.25%左右的Mo相配合，再結(jié)合等溫淬火工藝，可穩(wěn)定地獲得所要的奧貝氏體組織，但Cu、Ni、Mo價格貴，一般在滿足性能的前提下，盡量控制在下限。

4.2 澆注驗證

如圖5所示，采用KW線造型，造型時確保砂型硬度≥90，造型后放置冷鐵、砂芯、過濾網(wǎng)、發(fā)熱冒口，再合型澆注，澆注時間20～25 s，起澆溫度1 400 ℃，澆注過程中做到平穩(wěn)不斷流。

圖5 造型示意圖

4.3 調(diào)試結(jié)果

將支架分離精拋后，發(fā)現(xiàn)鑄件冒口2補(bǔ)縮良好，冒口頸未發(fā)現(xiàn)縮孔、帶肉，而冒口1補(bǔ)縮略差，冒口頂端開口不明顯，內(nèi)部補(bǔ)縮通道未形成，對應(yīng)鑄件冒口頸處縮松明顯，如圖6、7所示。

圖6 冒口1切割照片圖7 冒口1對應(yīng)鑄件照片

4.4 原因分析及改進(jìn)措施

冒口1出現(xiàn)冒口頸爛根，主要有以下兩點原因：

(1)冒口頸模數(shù)偏大。根據(jù)模擬計算，冒口1冒口頸處模數(shù)為2.4 cm，冒口心部模數(shù)為3.4 cm，對應(yīng)補(bǔ)縮的鑄件模數(shù)為3.2 cm，冒口頸、冒口、鑄件模數(shù)比為0.75∶1.06∶1，冒口頸模數(shù)處于正常范圍。

(2)冒口整體模數(shù)偏小。支架碳當(dāng)量為4.43，屬于過共晶，結(jié)合球鐵凝固規(guī)律分析如下：在凝固初期鐵水液態(tài)收縮，冒口補(bǔ)償液態(tài)鐵水收縮量；凝固第二階段鐵水中石墨相領(lǐng)先析出，體積膨脹量大，但潮膜砂強(qiáng)度低，鐵水的液態(tài)膨脹力很有可能消耗在鑄型的膨脹上，此時冒口中的液態(tài)鐵水要補(bǔ)償因為鑄型膨脹而導(dǎo)致的鑄件增大的體積；凝固后期主要為支架的熱節(jié)處凝固(與冒口連接處)，此時剩余鐵水趨向于共晶成分，進(jìn)行共晶轉(zhuǎn)變，生產(chǎn)奧氏體及二次石墨，石墨析出量偏小，體積膨脹量變小，液態(tài)收縮量占主導(dǎo)，此時液態(tài)收縮仍依賴于冒口補(bǔ)縮，且該轉(zhuǎn)變接近于液態(tài)凝固的末期，如果冒口模數(shù)不夠大，將會提前凝固，冒口頂部率先結(jié)殼，關(guān)閉冒口內(nèi)部的液態(tài)補(bǔ)縮通道，使鑄件熱節(jié)處的液態(tài)收縮難以抽動冒口內(nèi)部的剩余鐵水，最終導(dǎo)致冒口頸處產(chǎn)生縮孔。

所以綜合上述凝固過程分析，潮膜砂線的球鐵件冒口需要足夠的模數(shù)跟補(bǔ)縮量，用來補(bǔ)縮鑄件的液態(tài)收縮及鑄型膨脹而導(dǎo)致的鑄件增大體積。更改措施即借鑒另一發(fā)熱冒口，將熱冒口改成發(fā)熱冒口，尺寸與另一發(fā)熱冒口一樣，增強(qiáng)其模數(shù)及補(bǔ)縮能力。

4.5 改進(jìn)后結(jié)果

兩冒口都補(bǔ)縮良好，冒口頸未發(fā)現(xiàn)縮孔、帶肉，鑄件內(nèi)部組織致密、無縮松，外表光潔，對鑄件進(jìn)行線切割，觀察斷面缺陷情況，從圖8可以看出，斷面未發(fā)現(xiàn)縮松、縮孔缺陷，對切面再進(jìn)一步著色探傷，也未發(fā)現(xiàn)縮松缺陷，說明冒口補(bǔ)縮效果良好，鑄件內(nèi)部組織致密，達(dá)到ADI鑄件毛坯的預(yù)定要求。

圖8 支架鑄件照片

經(jīng)過等溫淬火熱處理后鑄件抗拉強(qiáng)度達(dá)到999 MPa，延伸率10%，硬度295 HB，基體組織為奧氏體+針狀鐵素體，無碳化物，球化率90%，石墨球數(shù)150個/mm2，完全超過客戶要求。后期又經(jīng)過500件批量驗證后無異常，質(zhì)量穩(wěn)定，可以看出該工藝下的支架鑄件質(zhì)量完全達(dá)到ADI要求。

5 總結(jié)

(1)合格的球鐵鑄件是獲得ADI的首要條件，鑄件要求內(nèi)部無縮松、縮孔、氣孔、夾渣等鑄造缺陷。鑄件成分要嚴(yán)格控制S、P的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，一般要求分別控制在0.02%、0.04%以下。鑄件組織要求球化率>85%，石墨球數(shù)>100個/mm2。

(2)潮模砂制作ADI球鐵件的關(guān)鍵在于：潮模砂線砂型強(qiáng)度低，硬度低，對于厚大球鐵件極易出現(xiàn)脹箱等問題，難以發(fā)揮球鐵件在凝固過程中自補(bǔ)縮功能，因此采用潮模砂設(shè)計工藝時，必須要保證冒口模數(shù)足夠，有良好的補(bǔ)縮，補(bǔ)償砂型剛性不足帶來的縮松、縮孔缺陷。

(3)支架鑄件質(zhì)量達(dá)117 kg， 尺寸厚大， 在KW線鑄造生產(chǎn)，采用兩處發(fā)熱冒口，冒口底部直徑都為190 mm，冒口頂端套上12/15K發(fā)熱冒口套，加強(qiáng)補(bǔ)縮，成功解決了其縮松、縮孔缺陷，獲得致密組織；同時采用文中的成分設(shè)計，在等溫淬火后獲得抗拉強(qiáng)度999 MPa，延伸率10%，硬度295 HB的性能，達(dá)到ADI要求，實現(xiàn)了ADI鑄件在潮膜砂線穩(wěn)定批量生產(chǎn)目的。