优化铸造工艺提升铸件硬度均匀性

田书涛，黄新怀，程凯，封小虎，张军，张松军

西峡县内燃机进排气管有限责任公司 河南西峡 474500

1 序言

西峡县内燃机进排气管有限公司是国内专业化汽车排气管生产基地，成立30多年来，先后为国内外100多家主机厂开发3000多种排气歧管，填补了国内外空白。特别是近十几年来，公司开始辐射排气管外的其他产品，差速器壳体就是其中一种，但是在差壳的加工过程中，出现尺寸超差，造成报废现象严重。我们对铸件加工余量进行分析，基本在2mm左右，不存在加工余量过大或不足现象。

2 问题描述

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

2）毛坯重量：4.5kg，差壳零件三维结构及加工图样如图1所示，在机加工φ50.05＋0－0.025mm尺寸后，经最终检验存在20%左右超差，且加工过程不稳定。

图1 差壳零件

3 铸造工艺

毛坯生产采用湿型砂造型，德国静压HWS生产线，每模8件（见图2），每箱浇注重量110kg，工艺出品率33%，造型硬度≥90。铁液采用中频感应电炉熔炼，自动浇注机进行浇注，浇注温度1410～1450°，每箱浇注时间8～10s。

图2 原铸造工艺

4 不合格原因分析

（1）铸件硬度 标准要求硬度为190～254HBW，经过对A、B位置（见图3）进行硬度检测，结果见表1。从表1可以看出，B位置硬度最大偏差42HBW，硬度不均匀现象较严重。

表1 硬度检测结果 （HBW）

图3 硬度检测

（2）化学成分 对铸造毛坯进行化学成分分析，结果见表2。从表2可看出，化学成分合格，排除因化学成分不合格而造成的影响。

表2 铸造毛坯化学成分（质量分数） （%）

（3）金相组织 对试样采用4%硝酸酒精腐蚀，对金相组织进行检验，结果如图4所示。从图4c可看出，局部出现碳化物。

图4 金相组织

（4）工艺模拟 采用PROCAST软件对铁液充型过程进行模拟[1，2]，结果如图5所示。从图5可看出，铸件圆周冷却不同步，冷铁液出现在问题部位，也就是金相分析中碳化物超标位置。

图5 模拟结果

原因分析结论：通过以上分析，主要问题是浇注时自上而下充型，初始冷铁液在缺陷部位聚集，部分铁液没有完全溢流到顶冒口里面，一是造成局部过冷而出现碳化物，二是造成四周冷却不一致，致使硬度偏差大。

5 改善措施

找到出现问题的原因后，我们对铸造工艺进行了优化，将硬度不均匀部位原有的“冷冒口”变为“热冒口”，以解决冷铁液聚集现象，提高问题部位铁液温度。优化后，避免了因温度低而出现高温碳化物现象，同时让圆周铁液凝固更加均匀，从而实现圆周硬度均匀。

优化后的铸造工艺方案如图6所示，内浇道位置改为顶冒口进铁液，来保证顶部冒口的温度。

图6 优化后铸造工艺方案

对优化后的工艺进行模拟分析（见图7），以前出问题的部位铁液温度得到提升，冷却速度基本实现同步。模具优化完成后，安排车间生产20箱共160件，浇注温度1415～1448℃，与前期浇注温度一致。清理后对硬度进行检测，结果见表3。从表3可看出，硬度最大偏差降低到12HBW，基本实现圆周硬度均匀的目的。

图7 优化后模拟分析

表3 工艺优化后的硬度检测结果 （HBW）

对优化后的产品进行金相组织检测，结果如图8所示。从图8可看出，碳化物含量降低。

图8 优化后金相组织

6 结果验证

经过批量制作5万余件，只有67件尺寸不合格，仅占生产总数的0.1%（见表4），使硬度不均造成的加工尺寸超差问题得到解决。

表4 差壳改善后验证结果 （件）

7 结束语

通过问题分析及工艺验证，铸件加工尺寸出现超差主要问题包括两个方面：一是加工部位硬度不均匀；二是加工部位局部出现碳化物。由于铸造是个复杂过程，因此无论是设计还是生产过程，都要认真考虑和严格控制，方可保证产品质量。当出现质量问题时，要从人、机、料、法、环等方面分析，借助专业的分析软件，采用对比的方法找出问题发生的根本原因。为了降低验证费用，利用PROCAST软件进行工艺模拟，确认可靠后方可进行生产验证。当材料方面出现问题时，不能一味地单纯从材料方面进行改善，铸造工艺也有较大的影响，如改变内浇道位置和温度场，同样达到解决问题的效果。