CN101585078A - 机车铸态高韧性球铁轴承盖铸造方法 - Google Patents
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Abstract
机车铸态高韧性球铁轴承盖铸造方法，其步骤包括混砂、造型、制芯、合型、炉料熔炼、出铁球化孕育处理、浇注、冷却、开箱、铸件清理。炉料熔炼步骤包括配置炉料和熔炼，炉料质量百分比：生铁35～45％、回炉铁25～35％、废钢25～35％；中频感应电炉熔炼。出炉球化孕育处理包括球化处理和硅钡二次孕育。在浇注时进行第三次硫氧孕育剂随流孕育。本发明生产出的机车轴承盖抗拉强度≥400MPa，延伸率≥18％，硬度HBS＝130～180，低温(－20℃)冲击值≥12焦耳/厘米2；铸件本体金相组织的球化率≥85％、铁素体含量≥95％；铸件壁厚差≤±1mm；铸件超声波及磁粉探伤检测结果达到国家二级标准。
Description
技术领域
本发明涉及铸造领域，特别涉及一种具有低温冲击性能的机车铸态高韧性球铁轴承盖铸造方法。
背景技术
球墨铸铁材料由于其石墨形态呈球状，不仅具有较高的抗拉强度和延伸率等力学性能，同时具有很好的动载荷下的常温力学性能-冲击韧性及疲劳强度，因此被广泛应用于各种工程机械。对于经常在寒冷地区工作的工程机械如飞机、火车、汽车及风力发电等动力机械所用的球铁材料，还要求有抵抗低温冲击性能的要求。
机车轴承盖球铁件一般要求为具有低温冲击性能的高韧性球铁件。用单铸试块浇注的试棒机械性能要满足抗拉强度≥400Mpa，延伸率≥18％，硬度HBS＝130～180，低温(-20℃)条件下冲击值≥12焦耳/厘米2；金相组织要求铸体本体的球化率≥85％，铁素体含量≥95％；铸件厚壁要求均匀，其壁厚差≤±1mm；铸件各部位不允许有任何铸造缺陷存在；铸件要进行超声波及磁粉探伤检测，其检测结果要满足国家二级标准。因此如何满上述技术要求，成了铸造轴承盖产品的关键。
传统的高韧性球铁生产工艺是在铸件生产以后再经过高温退火处理，才使铸件产品达到技术条件所要求的金相组织和机械性能。这种传统的生产工艺的缺点是生产周期长，并增加了产品的生产能耗。同时由于产品经过高温处理而产生变形缺陷，难以保证尺寸精度而产生废品；再者产品经热处理时，产生比较多的氧化皮，为了去除氧化皮又要增加一次抛丸清理工序，等等。所以，传统的生产工艺存在一系列问题及缺陷。
发明内容
本发明的目的是提供一种机车铸态高韧性球铁轴承盖铸造方法，具有生产周期短、能耗低、尺寸精度高、产品合格率高的特点。以使生产出的机车铸态高韧性球铁轴承盖能够满足上述技术要求。
为达到上述目的，本发明采用的技术方案是：
机车铸态高韧性球铁轴承盖铸造方法，其步骤包括混砂造型制芯、合型、炉料熔炼、出铁球化孕育处理、浇注、冷却、开箱、铸件清理；其中，
所述的炉料熔炼步骤包括，炉料成分质量百分比为：生铁35～45％、回炉铁25～35％，废钢25～35％；熔炼采用中频感应电炉进行铁液熔炼，熔炼温度为1450～1560℃；
所述的出炉球化孕育剂处理工序包括球化处理和硅钡二次孕育处理两个步骤；
所述的浇注工序采用快速浇注工艺，浇注速度≥6.7Kg/sec，浇注温度控制1320～1430℃，并在浇注时第三次用硫氧孕育剂进行随流孕育。
进一步，轴承盖的成分质量百分比为：C 3.5～3.9％、Si 1.5～2.2％、Mn 0.10～0.35％、P≤0.045％、S≤0.035％、Mg 0.025～0.08％、Fe余量和不可避免杂质。
所述的球化处理步骤加入的球化剂总量为熔炼出铁量的1.0～2.5％，球化剂的化学成分质量百分比为：Mg 5～8％、RE 0.5～2.0％、Si 35～48％、Ca 1.0～4.0％、Fe余量和不可避免杂质。
所述的球化剂的粒度为3～25mm。
所述的硅钡二次孕育步骤所用的硅钡孕育剂的加入总量为熔炼出铁量的0.5～1.2％，硅钡孕育剂的化学成分质量百分比为：Si 60～70％、Ca0.5～3.0％、Ba 1.0～6.0％、AL 1.0～3.0％、Fe余量和不可避免杂质。
所述的硅钡孕育剂的粒度为3～25mm。
浇注时第三次用硫氧孕育剂进行随流孕育的硫氧孕育剂加入总量为浇注铁液量的0.05～0.20％；硫氧孕育剂的化学成分质量百分比为：Si 68～76％、AL 0.5～1.5％、Ca 0.5～2.5％、Ce 1.0～3.0％、S 0.3～2.0％、O 0.2～1.5％、Fe余量和不可避免杂质。
所述的硫氧孕育剂的粒度为0.1～0.7mm。
所述的混砂造型工序中在铸件中心厚大部位放置一个事先加工好的冷铁芯子，在铸件的上部放置弧形排气片。
另外，本发明所述的合型工序中合型前，在直浇道底部放置有泡沫陶瓷过滤片。
在本发明轴承盖的成分中，
Si，是促进石墨化元素，提高Si含量虽然可以提高球铁的铁素体含量，但Si含量的提高会增加球铁在低温的脆性，Si含量＞2.2％，低温(-20℃)的冲击值达不到技术条件的12焦耳/厘米2要求，故Si不宜取高值，而该取低值，因而选择Si含量为1.5～2.2％；
Mn，是阻碍石墨化元素，当Mn含量＞0..35％时，铁素体含量不能达到95％，从提高铁素体量改虑Mn宜取低值，但含Mn量过低时，随着韧性的提高其抗拉强度会下降，当Mn＜0.18％时，材料的抗拉强度达不到400MPa综合考虑，Mn含量为0.1～0.35％；
P，对球铁来说是有害元素，磷高时由于产生磷共晶而产生脆性，当P＞0.04％时，低温冲击值达不到要求，料情况我们选取P≤0.045％；
S，对球铁也是有害元素，硫与镁化合形成MgS夹杂物，会影响球铁的机械性能，因此硫含量愈低愈好，根据材料状况，规定S≤0.035％；
C，根据保证球铁铁液具有良好的铸造性能原则来确定，取C含量为3.5～3.9％；
Mg，按铸件的壁厚状况保证产品具有良好的球化率改虑，选取Mg含量为0.025～0.08％。
本发明的稀土镁硅铁球化剂合金，其主要特点是镁与稀土匹配与一般球化剂不同，这种球化剂能发挥镁的球化作用强度和稀土对脱硫去气及中和有害元素效果好的特点，对轴承盖有低温冲击要求的高韧性铸态球铁件取得了良好效果。
本发明所述的球化处理工序是采用冲入法球化处理工艺，其过程是这样：
事先把称量好的球化剂放入球化反应室，并加入覆盖剂捣实。当熔炼的铁液达到规定化学成分和出铁温度时，先出2/3铁液，当球化作用完毕后进行扒渣，之后加入硅钡孕育剂进行第一次孕育，接着补加1/3铁液，再次扒渣后加入硅钡孕育剂进行第二次孕育，最后扒渣二次后进行浇注。在浇注过程中采用随流孕育方法进行第三次孕育，加入硫氧孕育剂。
加上第二次孕育后，起到了三次孕育效果叠加的作用，使铁液的孕育效果达到最优化。前二次孕育属于浇包孕育，这种孕育工艺存在一定程度的孕育衰退，孕育处理后5分钟时，其孕育效果大约损失一半左右。第三孕育是采用随流孕育方法把孕育剂随着铁液流直接加到铸型的浇口杯中，这种孕育方法叫做瞬时孕育方法，其意义在于：孕育处理和浇注铁液一起进行，在孕育效果最大的时候，铁液在型腔中开始凝固取得最好的孕育效果。所以，三次孕育中，第三次孕育量虽然是最小的，但是它的孕育作用是最大的。
本发明中采用的孕育工艺属于大剂量三次孕育工艺，其作用是：
1)通过大剂量三次孕育工艺，使孕育效果获得最大加强，达到石墨球数量多、增加共晶团数量、石墨球园整，从而提高球化率及机械性能，使这些指标达到技术要求。
2)孕育充分的结果使铁液凝固时石墨化充分，从而保证基体组织具有95％以上的铁素体含量。
另外，本发明在浇注系统的设计上采用了快速浇注工艺，其作用是：
1)减少铁液与空气的接触时间，从而减少产生氧化夹渣缺陷的机会；
2)保证铸件不产生冷隔缺陷。
本发明所述混砂造型工序中在铸件厚大部位放置冷铁，冷铁形状与铸件外形相吻合，其作用如下：
1)球铁件的厚大部分由于其凝固速度缓慢，导致石墨球化不圆整，加上冷铁后加快其部位的冷却速度，改善石墨球化效果，使铸件厚大部位的球化率满足技术要求；
2)用冷铁来调整铸件各部位的凝固顺序，达到铸件厚大部分先凝固，从而保证铸件厚大部分不产生缩孔、缩松缺陷。
另外，本发明所述混砂造型工序中在铸件的上部放置了三个弧形排气片，排气片厚度为8mm，弧度为110度，保证在浇注过程中型腔内的气体能够顺利排除，从而保证铸件不产生气孔缺陷。
本发明中保证壁厚的均匀性的技术措施是通过对冷铁芯进行全加工，保证冷铁对芯子支撑部位尺寸的精度，进而保证砂芯位置的正确性，从而保证铸件厚壁的均匀性能够满足技术要求。
再有，本发明在浇注系统中设置泡沫陶瓷过滤片，其作用如下：
1)铁液中的杂质通过过滤片时，由于机械黏附作用，将杂质档在铸件外；
2)铁液通过过滤片时，由于过滤片的阻流作用使铁液的流速减缓，减少铁液对铸型和泥芯的冲击，避免产生冲砂缺陷；
3)铁液通过过滤片后，平稳地进入型腔，从而减少铁液在流动过程中氧气的可能性，因而可以减少产生氧气渣的可能。
本发明的有益效果是：
采用本发明铸造方法生产出的机车轴承盖抗拉强度≥400MPa，延伸率≥18％，硬度HBS＝130～180，低温(-20℃)条件下冲击值≥12焦耳/厘米2金相组织轴承盖的球化率≥85％，铁素体量≥95％；轴承盖各部位没有任何铸造缺陷；产品超声波及磁粉探伤结果满足国家二级标准；完全满足机车轴承盖的各项技术要求。而且，本发明产品不经过热处理工序而直接达到技术标准要求的铸态工艺生产方法，完全避免了现有传统工艺所存在的问题和缺陷。
附图说明
图1为本发明机车轴承盖铸造工艺示意图；
图2为图1的A-A剖视图。
具体实施方式
实施例1
本发明机车铸态高韧性球铁轴承盖铸造方法，包括如下步骤：
(1)混砂造型、制芯及合型
轴承盖采用呋喃树脂自硬砂混砂造型时放置冷铁芯子，在造型及制芯后起模、修型、上涂料、表面烘干、合型前下泥芯2，在直浇道3底部放置泡沫陶瓷过滤片4，然后上下型合型，用螺栓紧箱后等待浇注参见图1、图2。
(2)炉料熔炼
先配置炉料，炉料的重量配比为：40％的生铁，30％的回炉铁，30％的废钢；然后把配置好的炉料投入中频感电炉进行铁液熔炼，熔化温度为1540℃，静置保温5～10分钟，让铁液中的杂质充分漂浮上来，用聚渣剂聚集后扒出炉外，不让这些杂质带到处理的铁液中。
(3)出铁球化孕育处理
包括球化处理和硅钡孕育处理两个步骤，其中球化处理采用冲入法球化处理工艺，球化剂粒度为4～20mm，球化剂加入量为1.5％，铁液出炉温度为1540℃，第一出铁量为总量的2/3，球化剂与铁液的反应时间为60～90秒，待反应结束后扒净铁液上的浮渣，加入0.60％硅钡孕育剂并进行搅拌，再后补加剩余的1/3铁液，再次扒净铁液表面的浮渣，然后第二次加入0.40％的硅钡孕育剂并进行搅拌；其中加入的球化剂的化学成分质量百分比为：含有Mg 7.5、RE 0.2、Si 42、Ca 3.5以及Fe余量；硅钡孕育剂的化学成分质量百分比为：Si 66、Ca 2.5、Ba 2.3、Al 2.2以及Fe余量。
(4)浇注
参见图1、图2，采用分型面进铁液浇注工艺，在直浇道3底部设置泡沫陶瓷过滤片4进行档渣，铁液经过横浇道5并通过二道内浇道6及二个补缩暗冒口7的冒口颈流入产品轴承盖的型腔。铁液的浇注温度为1390℃，在铁液浇注过程中，通过漏斗进行第三次孕育----随流孕育，孕育剂的加入量为0.10％，孕育剂粒度为0.2～0.7mm孕育剂的化学成分质量百分比为Si 73.2、Al 1.4、Ca 1.5、Ce 2.5、S1.8、O 1.4以及Fe余量。
(5)冷却开箱
(6)铸件清理
(7)质量检验
检验不合格的产品淘汰作废，合格的进入铸件毛坯合格品仓库。
产品牌号为QT400-18LT，要求单铸试棒抗拉强度≥400MPa，延伸率≥18％，硬度130～180HB，低温(-20℃)条件下冲击值≥12焦耳/厘米2；金相组织要求铸件本体的球化率≥85％，铁素体含量≥95％；铸件壁厚要求均匀，其壁厚差≤±1mm；铸件各部位不允许有任何铸造缺陷存在；铸件要进行超声波及磁粉探伤检测，其检测结果要满足国家二级标准。
表1本发明的几个实施例的主要工艺数
实施例2.3.4.5的工艺过程同实施例1不再阐述。
Claims (10)
1.机车铸态高韧性球铁轴承盖铸造方法，其步骤包括混砂造型制芯、合型、炉料熔炼、出铁球化孕育处理、浇注、冷却、开箱、铸件清理；其中，
所述的炉料熔炼步骤包括，炉料成分质量百分比为：生铁35～45％、回炉铁25～35％，废钢25～35％；熔炼采用中频感应电炉进行铁液熔炼，熔炼温度为1450～1560℃；
所述的出炉球化孕育剂处理工序包括球化处理和硅钡二次孕育处理两个步骤；
所述的浇注上序采用快速浇注工艺，浇注速度≥6.7Kg/sec，浇注温度控制1320～1430℃，并在浇注时第三次用硫氧孕育剂进行随流孕育。
2.如权利要求1所述的机车铸态高韧性球铁轴承盖铸造方法，其特征在于，轴承盖的成分质量百分比为：C 3.5～3.9％、Si 1.5～2.2％、Mn0.10～0.35％、P≤0.045％、S≤0.035％、Mg 0.025～0.08％、Fe余量和不可避免杂质。
3.如权利要求1所述的机车铸态高韧性球铁轴承盖铸造方法，其特征在于，所述的球化处理步骤加入的球化剂总量为熔炼出铁量的1.0～2.5％，球化剂的化学成分质量百分比为：Mg 5～8％、RE 0.5～2.0％、Si 35～48％、Ca 1.0～4.0％、Fe余量和不可避免杂质。
4.如权利要求3所述的机车铸态高韧性球铁轴承盖铸造方法，其特征在于，所述的球化剂的粒度为3～25mm。
5.如权利要求1所述的机车铸态高韧性球铁轴承盖铸造方法，其特征在于，所述的硅钡二次孕育步骤所用的硅钡孕育剂的加入总量为熔炼出铁量的0.5～1.2％，硅钡孕育剂的化学成分质量百分比为：Si 60～70％、Ca0.5～3.0％、Ba 1.0～6.0％、AL 1.0～3.0％、Fe余量和不可避免杂质。
6.如权利要求4所述的机车铸态高韧性球铁轴承盖铸造方法，其特征在于，所述的硅钡孕育剂的粒度为3～25mm。
7.如权利要求1所述的机车铸态高韧性球铁轴承盖铸造方法，其特征在于，浇注时第三次用硫氧孕育剂进行随流孕育的硫氧孕育剂加入总量 为浇注铁液量的0.05～0.20％；硫氧孕育剂的化学成分质量百分比为：Si 68～76％、AL 0.5～1.5％、Ca 0.5～2.5％、Ce 1.0～3.0％、S 0.3～2.0％、O 0.2～1.5％、Fe余量和不可避免杂质。
8.如权利要求6所述的机车铸态高韧性球铁轴承盖铸造方法，其特征在于，所述的硫氧孕育剂的粒度为0.1～0.7mm。
9.如权利要求1所述的机车铸态高韧性球铁轴承盖铸造方法，其特征在于，所述的混砂造型工序中在铸件中心厚大部位放置一个事先加工好的冷铁芯子，在铸件的上部放置弧形排气片。
10.如权利要求1所述的机车铸态高韧性球铁轴承盖铸造方法，其特征在于，所述的合型工序中合型前，在直浇道底部放置有泡沫陶瓷过滤片。
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