球墨铸铁件夹渣缺陷的分析与改善

原创 邢贝贝 铸造工程 2022-01-25 17:00

   编辑导语

分析球墨铸铁轴承箱铸件的内轴孔加工面黑点是熔炼过程产生的夹渣缺陷，并判断是因浇注系统和预处理工艺不合理而产生。通过采用4个ϕ25 mm陶管底注式浇注，使铁液充型平稳;并优化采用粒度在1～3 mm、加入量为0.1～0.15% SiC进行铁液预处理，使夹渣缺陷得到解决。

球墨铸铁件夹渣的产生分为一次夹渣和二次夹渣，一次夹渣多数分布在铸件表层，二次夹渣多分布在铸件内部。一次夹渣的产生多是由于熔炼、球化处理时产生的氧化物、硫化物等在浇注之前没有彻底的扒渣干净，随铁液流动进入铸型所致，这种渣一般较大，常附在铸件表面;二次夹渣的产生多是由于铁液在充型过程中产生紊流，造成铁液二次氧化夹杂物裹携在铁液中形成内生夹渣，这种渣的产生多与浇注工艺、孕育处理工艺等有着密切关系。

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产品介绍

轴承箱铸件是用在列车上的安保件产品，外形如图1所示，主体壁厚约30 mm，外形尺寸1 200 mm×500 mm×320 mm，铸件质量245 kg，材质为QT400-18，化学成分设计范围如表1所示。铸件要求内在组织致密，内部探伤检测要求应满足EN12680-3标准中UT2级以上，同时通过X光射线验收;金相及性能要求：球化率≥90%，石墨球大小5～8级，抗拉强度≥400 MPa，伸长率≥18%，硬度要求HB 140～200，基体组织要求全铁素体;内部致密以及加工面不允许出现任何的铸造缺陷。

图1 产品铸件图

表1 化学成分设计范围(质量分数，%)

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造型及熔炼浇注工艺

2.1 造型工艺

采用呋喃自硬树脂砂工艺，型板造型，一型一件(如图2所示)，铸造工艺系统采用内浇口+陶管底注方式充型，针对局部厚大以及热节部位用保温冒口补缩，厚大热节上放置石墨冷铁，加快热节凝固，消除孤立热节，保证产品内在质量。

图2 造型工艺

2.2 熔炼浇注工艺

采用1.5 t中频感应电炉进行熔炼，炉料配比为40%生铁、40%废钢和20%回炉料，熔炼铁液升温至1 500～1 520 ℃，静止3～5 min，扒渣出炉，进行球化和孕育处理，球化剂采用镧系球化剂，盖包球化处理工艺，球化剂加入量1.0%，同时采用SiC作为预处理剂，加入量为0.2%。孕育剂采用硅钙钡孕育剂和硫氧孕育剂，硅钙钡孕育剂采用出炉孕育工艺，加入量为0.4%;采用硫氧孕育剂二次随流孕育工艺，加入量为0.05%～0.1%。浇注温度控制在1 350～1 380 ℃，浇注时间控制在15～20 s。浇注前要扒净浮渣，浇注过程要平稳、连续、迅速。

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铸件缺陷问题分析

铸件在供货过程中，接到质量反馈，内轴孔加工面出现黑点缺陷，统计废品率最高达50%以上。为查找问题原因，在铸件缺陷位置进行取样分析(如图3所示)，在400倍高倍显微镜下先进行表面观察分析如图4所示，能谱分析结果如图5所示。

图3 缺陷外观

图4 显微镜下缺陷(400×)

图5 缺陷位置的能谱分析

根据以上分析结果，初步判断此缺陷为夹渣缺陷。从能谱分析结果上看：Si、Mg、Al等元素含量较高，推断是硅酸盐类夹杂物。

分析Cl、Na、K等含量较高的原因主要可能有：一是除渣剂带入，在熔炼扒渣浇注过程中，扒渣不干净，造成除渣剂随铁液流入型腔，形成夹渣。二是铁液进行SiC预处理时，SiC未完全溶解吸收，形成夹渣。

分析浇注系统及控制过程发现，过滤网放置不合理，立放过滤网不能有效地起到滤渣作用，同时内浇口片的设置不合理，容易造成铁液进入型腔产生紊流现象，形成氧化夹渣及气孔等铸造缺陷。

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工艺优化与改善

根据上述分析的结果，采取了如下的方案进行优化与改善。

4.1 浇注工艺改进

优化浇注工艺系统，将横浇道上的过滤网安放形式改为平放，改善过滤效果，同时把直浇道放在中间，两侧放置过滤网，在横浇道端头增加集渣包，使铁液进入到型腔之前充分蔽渣，减少夹渣缺陷。原来浇口设置上+下的方式浇注，容易造成铁液进入型腔内形成紊流现象，因此浇注方式由原来的横浇道上4个内浇口片+2根ϕ25 mm陶管优化变为4个ϕ25 mm陶管底注式浇注，使铁液在充型过程中平稳缓慢上升，减少铁液在型腔内的飞溅，不产生紊流现象，减少型腔内二次夹渣的产生。同时在上箱横浇道对面增加长扁形的溢流冒口，进行排渣出气带走进入型腔内的第一股铁液流，优化后的浇注工艺系统如图6所示。

图6 优化后的浇注工艺图

按此工艺浇注了5炉共25件，经过加工验证，虽然有改善，但废品率依然高于30%，没有很好地解决夹渣问题，说明浇注工艺不是夹渣缺陷的关键原因。

4.2 SiC预处理工艺改进

目前熔炼时，铁液在出炉前采用含90%SiC的冶金碳化硅做预处理，加入量为0.2%，粒度为2～9 mm，用于提高铁液质量。针对这个问题咨询专家认为，SiC颗粒大小使用不当可能会造成SiC不能在铁液中全部溶解，形成残留的SiC渣，分散到铁液中造成夹渣缺陷。

为此，对使用的SiC进行筛分，筛选出粒度在1～3 mm的SiC作为预处理剂使用，加入量为0.1%～0.15%，再次进行产品浇注验证，调整后生产20件产品，经加工验证，未发现夹渣缺陷，也未发现其它质量问题。又先后进行多次小批量生产进行加工验证，铸件均未发现夹渣等质量问题，此问题得到了彻底解决。

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结论

(1)为使浇注过程不产生紊流现象，将原来的横浇道上4个内浇口片、2根ϕ25 mm陶管优化为4个ϕ25 mm陶管底注式浇注方式，使铁液在充型过程中平稳缓慢上升，减少铁液在型腔内的飞溅，减少型腔内二次夹渣的产生，工艺改善后废品率下降，但仍有30%的夹渣缺陷。

(2)预处理时，将SiC粒度由2～9 mm，加入量为0.2%，调整为使用粒度在1～3 mm，加入量为0.1%～0.15%作为预处理剂，使SiC在铁液中全部溶解，此措施解决了夹渣缺陷问题。