轿车差速器壳铸件缺陷的研究和攻关

2016-07-30 08:39:15李长东一汽铸造有限公司特种铸造厂吉林长春130011

铸造设备与工艺 2016年2期

关键词：热节差速器缩孔

李长东（一汽铸造有限公司特种铸造厂，吉林长春 130011）

轿车差速器壳铸件缺陷的研究和攻关

李长东
（一汽铸造有限公司特种铸造厂，吉林长春 130011）

介绍了一汽大众轿车差速器壳铸件的质量要求和生产技术难点。通过对铸件缺陷的分析，进行试验研究，采取有效措施，解决了铸件材质不合格和内部缩孔缩松问题，使铸件质量达到了大众公司的技术标准，完成了国产化项目。

熔炼工艺；珠光体量；碳当量；孔隙率

一汽大众公司轿车MQ250差速器是国产化项目，主要部件差速器壳对材料性能和表面质量要求非常高。因该件结构复杂、中间空腔，用熔模铸造工艺生产技术难度非常大，所以一汽大众公司一直是从国外进口该件加工和装车。图1为该铸件和加工后零件。

图1MQ250轿车差速壳铸件

1　差速器壳的技术标准及生产中技术难点

1.1铸件材料质量

差速器壳铸件的材料技术标准如表1和表2.

表1 金相组织标准

表2　机械性能标准

因金相组织标准中珠光体量必须达到30%～50%，范围窄，难于控制。大众公司对差速器壳铸件材料的验收依据是机械性能合格，而铸件金相组织决定机械性能，所以生产中必须保证金相组织合格。熔模铸造因工艺的特殊性，型壳必须在高温下浇注，才能降低因型壳产生的废品。所以浇注时型壳温度一般在500℃以上，个别件必须达到600℃～800℃，导致铸件浇注后冷却速度慢，铁水孕育效果不好，金相组织中珠光体数量少。实际生产中仅能达到20%左右，机械性能达不到技术标准。

1.2铸件表面和内部质量

大众公司对差速器壳的表面和内部质量要求高，特别是对缩孔缩松缺陷要求非常严格，将其定义为孔隙率，技术标准定为D5级，即不允许有超过0.3 mm的缩松缺陷，3mm×4mm范围内缩孔≤5%.球孔与法兰连接处的热节部位单个缩孔直径≤0.3mm，集中缩孔累计直径≤0.5 mm.该件的结构特点是壁厚差别大，热节部位大，导致铸件内部易产生严重的缩孔缩松。而我厂按正常工艺生产达不到标准要求，缩孔缩松的废品率达到100%，不能通过大众公司的质量评审和供货条件。铸件内部缩孔和缩松状况见图2和图3所示。

图2　铸件缩孔缩松的CT扫描结果

图3　铸件解剖后可见的缩松缺陷

2　缺陷分析、试验研究及解决措施

2.1提高铸件材质合格率

2.1.1降低铸件浇注时的模壳温度

差速器壳铸件的基体组织是混合基体，对珠光体数量有一定要求。而熔模铸造工艺浇注时的高温型壳不利于形成珠光体。通过实验，在保证不增加铸件废品率情况下，将型壳温度降低到50℃～150℃，保证了金相组织中珠光量达到30%～50%，机械性能完全合格。模壳温度对珠光体数量的影响见图4.

图4　不同模壳温度对铸件珠光体数量的影响

2.1.2提高孕育处理中孕育剂加入量

由于熔模铸造的型壳特征和工艺特点，无法进行型内孕育，同时型壳温度高也易造成孕育衰退，导致金相组织中石墨粗大、数量少、不圆整，势必会降低铸件的机械性能。对差速器壳这样材质要求高的件，常规的孕育方法达不到性能要求。通过试验和改进，将孕育剂的加入量由原来的0.2%提0.6%，材料的抗拉强度达到500 MPa以上，保证了机械性能合格。图5为不同孕育量对铸件抗拉强度的影响。

图5　不同孕育量对铸件抗拉强度的影响

2.2减少和消除铸件缩孔缩松缺陷

2.2.1适当提高碳当量

球墨铸铁的铁液浇入型壳后，在凝固过程中直接影响铸件的缩孔、缩松，起决定性作用的是碳当量。碳当量直接影响球铁共晶转变时石墨的析出量，从而影响凝固过程的体积变化。由于石墨密度为2.2 g/cm3，铸铁的密度为7.0 g/cm3，同等重量的石墨所占体积是铁液的3.18倍，所以提高碳量析出石墨数量多、石墨球数多，增加了石墨化膨胀，减少了缩松体积，缩孔率也会减小。硅是促进石墨化元素，促进碳原子向石墨球积聚，减少铸件白口倾向，使石墨细化、圆整度好，也减小铸件缩松倾向。另外，提高碳当量还提高了球墨铸铁的流动性，利于补缩。所以，在其他条件相近的情况下，碳当量越高，铸件的缩孔、缩松就越少、越小。但提高碳当量的前提条件是不使铸件产生石墨漂浮。

试验中发现，受镁和稀土的影响，铁水的共晶点右移，碳当量高于理论值。当碳当量达到4.6%～4.8%时，最有利于铸件补缩。在保证铸件不产生石墨漂浮的条件下，采用不同碳当量的化学成分浇注差速器壳，铸件缩孔废品率如图6所示。可见，随着碳当量增加，铸件缩松废品率降低。碳当量在4.6%左右时缩松最少；在4.5%以下时，因铁液的收缩量超过膨胀量，缩松废品率明显升高；在4.6%以上时，缩孔废品率又有所回升，并且出现石墨漂浮，且越来越严重。最后将化学成分中C由3.5%～3.6%提高到3.6%～3.8%，Si由2.3%～2.4%提高到2.4% ～2.6%，碳当量CE由4.33%提高到4.53%.

图6　不同碳当量对铸件缩松的影响

2.2.2选用新型增碳剂和孕育剂

增碳剂和孕育剂的品质对石墨形态影响很大。增碳剂的增碳效果好，石墨球数量增多，球间距变小，缩短了碳原子扩散距离，加速奥氏体→铁素体+石墨的转化，使共晶晶粒数量多、直径小，明显减少了铸件缩松缺陷。

孕育剂的孕育效果好，可辅助石墨呈球状生长，增加了石墨球数量，使共晶晶粒更接近球状外形，减小共晶团界面粗糙程度，利于补缩液体流动，使铸件最后凝固区域明显减小。孕育剂促进共晶生核与长大，抑制离异奥氏体树枝晶的发展，延缓了补缩通道截死的时间。这些，都可有效减少铸件的缩孔和缩松。

通过试验对比，选用了新型高效的材料。增碳剂选用美国DESULCO产品，其很高的纯度、多孔的颗粒形态和石墨化的晶体结构，使碳的吸收率高，形核能力强，显著增加石墨核心数量。孕育剂一次孕育选用埃肯公司的产品，是一种含有钙和钡的硅铁基合金，在铁水中可产生更多的初生晶核，提高石墨球圆整度，还具有长效特性。二次孕育选用福士科公司的产品，含有铋，能显著提高单位面积的石墨球数，减少碳化物，细化石墨球。差速器壳铸件应用这三种材料，显著减少了铸件热节部位和其他部位的缩松、缩孔的数量和尺寸。

2.2.3确定合适的铁水浇注温度

铁水的浇注温度直接影响铸件的凝固收缩。浇注温度高，铁水流动性好，利于铁水的补缩，但温度过高增加液态金属的收缩量，使最终铸件的收缩率增大，反而增加缩孔缩松缺陷；浇注温度低，铁水流动性差，容易过早截死补缩通道，增加了铸件的缩孔和缩松。我厂熔模球铁件，一般浇注温度是1 350℃～1 380℃.根据差速器壳铸件的结构、壁厚、浇注时间等具体情况，在不增加其他废品的条件下，通过试验确定了合理的浇注温度是控制在1 380℃～1 450℃，可降低铸件缩孔缩松废品率。

2.2.4合理设计浇注系统

铸件的浇注系统决定铁水的充型和凝固顺序。设计合理的浇注系统，才能确保铁水凝固时补缩通道的畅通，增强外部补缩。熔模铸造的浇注系统体现于蜡模的组合方式。组合方式的设计原则是利用“温度梯度”的原理，实现铁液的顺序凝固。差速器壳产生缩孔缩松的原因之一，是铸件的热节部位凝固后期补缩通道被切断。所以确保热节部位的补缩通道始终畅通，才能有效减少缩孔缩松废品。在熔模铸造工艺设计中，组合方案还影响到生产效率，这点还要综合考虑。主要采取了以下措施：

1）浇注压头。模组中最上层铸件顶点与浇口杯顶面的相对高度差称为浇注压头，必须大于100 mm，以保证铁水在充型过程中有足够的静压力，提高铸件内部组织的致密性。

2）组合方式。差速器壳的外形结构如图7所示，热节较大，位于两端。球孔结构复杂，孔壁较薄，凝固过程中最先冷却，隔断了浇口对颈部的补缩通道。球孔内腔在制壳时已基本被型壳材料填充满，浇注后散热条件差，造成与球孔接触的颈部及法兰凝固时间变长，得不到有效补缩，于是这两部位产生缩孔和缩松缺陷。球孔与法兰接触处的热节部位是靠浇口棒（直浇道）进行补缩，需要建立良好的补缩通道，才能避免此处缩松缺陷的产生。因此，需要设计合理的组合方式，来优化凝固顺序，提高补缩能力，减少和减小缩松缺陷。为了了解铸件缩松趋势，优化浇注系统设计，应用计算机数值模拟技术，对充型、凝固过程中的流场、温度场进行模拟。经模拟验证，选定三种方案，如图8所示。