CN103215490A - 一种薄壁a型石墨铸件的制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种薄壁A型石墨铸件的制备方法，包括以下步骤：备料，制芯，造型，熔料，浇注，检验；备料过程按照以下质量配比配置熔炼炉料：抗拉强度大于等于300MPa的灰铸铁82份、中低碳钢18份、含硫量为35%~48%的硫化亚铁1.5份、含铬量为60%的铬铁3份、铜0.4~0.5份、石墨增碳剂5~8份。解决了目前的铸造工艺生产的薄壁A型石墨铸件达不到理想抗拉强度、硬度和气密性要求或者微观组织A型石墨达不到90%以上或者内腔油道易存在气孔、粘砂、结疤、脉纹等问题。

Description

一种薄壁A型石墨铸件的制备方法

技术领域

本发明涉及材料铸造领域，特别是一种薄壁A型石墨铸件的制备方法。

背景技术

铸件是用各种铸造方法获得的金属成型物件。铸件的用途非常广泛，例如大型机械、机床、船舶、航空航天、汽车、机车等行业。铸件质量对机械产品的性能有很大影响。例如，机床铸件的耐磨性和尺寸稳定性，直接影响机床的精度保持寿命；内燃机缸体、制冷压缩机机体、缸盖、缸套、活塞环、排气管等铸件的强度和耐激冷激热性，直接影响发动机的工作寿命。

灰铸铁是指具有片状石墨的铸铁，主要成分是铁、碳、硅、锰、硫、磷，是应用最广的铸铁，其产量占铸铁总产量80%以上。灰铸铁的力学性能决定于其基体组织和片状石墨的分布状况。灰铸铁中的石墨片，有切割金属基体、破坏其连续性、使其强度降低的作用。从强度考虑，应避免产生长而薄的石墨片和粗大的石墨片，具明显方向性的石墨片影响尤大。控制石墨片的分布状况，是保证灰铸铁性能的关键。A型石墨是在铸铁的石墨生核能力较强、冷却速率较低、在过冷度很小的条件下发生共晶转变时形成的。在光学显微镜下观察时，石墨呈均匀分布的弯曲片状，无方向性，其长度则因铸铁的生核条件和冷却速率而不同。高品质的结构铸件，都希望其具有中等长度的A型石墨。

本领域技术人员通常将壁厚小于10mm的A型石墨铸件称为薄壁A型石墨铸件。薄壁铸件的应用在减轻机械重量、增加机械的灵巧性、节约金属原料方面有着重要的意义。但同时由于厚度较小，这种铸件的强度、硬度和抗压气密性往往难以达到理想要求。

例如，制冷压缩机汽缸盖、制冷压缩机机体等是一种常见的薄壁A型石墨铸件，目前理想的压缩机汽缸盖需要同时满足如下几方面的技术要求：①￠30单铸试棒抗拉强度≥250MPa；②铸件微观组织至少含90%的A型石墨。③铸件指定位置硬度值HB180~240；④铸件表面不允许有砂眼、脏眼、气孔，铸件内在质量无缩松、缩孔；⑤直径Φ10内油道用电子窥镜检查，须无气孔、粘砂和结疤、脉纹等；⑥铸件加工后，做气密性试验，在测试压力大于20bar条件下无渗漏；⑦铸造尺寸公差CT7级以上；而目前现有的铸造工艺生产的压缩机汽缸盖总是难以同时满足上述要求。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，提供一种薄壁A型石墨铸件的制备方法，以解决目前的铸造工艺生产的薄壁A型石墨铸件达不到理想抗拉强度、硬度和气密性要求或者微观组织A型石墨达不到90%以上或者内腔油道易存在气孔、粘砂、结疤、脉纹等问题。

本发明解决上述技术问题所采用的技术方案如下：

1、一种薄壁A型石墨铸件的制备方法，包括以下步骤：备料，制芯，造型，熔料，浇注，检验；其特征在于：

所述备料过程按照以下质量配比配置熔炼炉料：抗拉强度大于等于300MPa的灰铸铁82份、中低碳钢18份、含硫量为35%~48%的硫化亚铁1.5份、含铬量为60%的铬铁3份、铜0.4~0.5份、石墨增碳剂5~8份。

其特征在于：所述熔料过程中炉温升至1380℃时，从炉中取出少量铁水测试其成分，如测试铁水成分达不到标准，则待铁水温度升至1400℃时，添加适量原料使其达到标准；

所述检验过程包括检测铸件元素含量是否达到标准；

所述标准为，含有元素的质量百分比：碳3.35%、硅1.8%~1.9%、锰0.8%~0.9%、磷≤0.05%、硫0.07%~0.09%、铜0.5～0.6%、铬0.2～0.3%。

所述制芯过程在配砂时加入0.5~0.8%的三氧化二铁。

在芯子表面涂刷含有滑石粉的棕刚玉醇基涂料。

铁水出炉温度为1500±10℃，出炉时加入0.4～0.5%的硅锶长效孕育剂。

所述浇注过程的浇注温度为1380~1350℃，浇注时在小浇包中加入0.05～0.1%的硅锶孕育剂进行瞬时孕育。

本发明的有益效果：

本发明薄壁A型石墨铸件，气密性测试压力大于20bar，硬度值达到180~240HBW，抗拉强度＞250MPa，石墨微观结构含A型石墨＞90%；内腔油道光洁。1）解决了目前的铸造工艺生产的薄壁A型石墨铸件达不到理想强度、硬度和气密性要求问题，解决了微观组织A型石墨达不到90%的问题。2）解决了内腔油道气孔、粘砂、结疤、脉纹问题。

其中关键技术：

一．原材料配比是第二项关键技术。

一般情况下，原材料主要组成为生铁、回炉铁、废钢，但生铁具有遗传性，其石墨形态一般比较粗大，在重熔过程中会将粗大的石墨组织带入铸件中，这会影响到铸件的A型石墨的形成。因此，为避免生铁石墨遗传性的影响，本发明确定原材料配比中不使用生铁，只采用HT300回炉铁和废钢。另外，由于原材料中硫含量较低，为保证孕育效果，确定硫的含量要达到0.07~0.09%。因此，在配料中加入适当的硫化亚铁。

二．铸件化学成分的选择是第一项关键技术。

碳和硅的选择：碳具有强烈促进石墨化的作用，碳高有利于A形石墨的生成，但碳过高则会使石墨过度长大，使石墨片过于粗大，就会造成组织疏松，影响铸件的强度、硬度和致密性。硅也具有促进石墨化的作用，其作用相当于碳的三分之一。一定量的碳和硅配合，可以增加A型石墨的含量，提高铸件强度，改善铸件切削性能。本发明确定的铸件碳和硅含量为：碳3.3~3.4%、硅1.6%~1.9%。

锰的选择：锰具有强化基体组织，促进生成珠光体，提高铸件强度和硬度的作用，一定量的锰与硫结合可以形成硫化锰质点，有利于孕育时作为异质核心，提高孕育效果，但锰是反石墨化元素，加入量过多不利于A型石墨的形成。本发明确定的锰含量为：0.6~1.0%。

磷：为有害元素，其含量为原材料中带入的，本发明要求磷控制在0.05%以下。

硫：也为有害元素，含量过高将增加铸件的脆性，但含量过低，则会影响孕育效果，不利于形成A型石墨，且强度也会受影响。本发明确定的硫含量为0.07~0.09%。

合金加入量：由于为保证A型石墨的生成，确定的碳、硅含量较高，这样将会影响铸件的强度和硬度，为此，需要添加适当的合金元素来提高强度和硬度，但又不至于对A型石墨的生成造成大的影响，本发明确定加入的合金为铜和铬。

铜的作用：1）具有促进铸铁共晶阶段石墨化的作用，其能力约为硅的1/5；2）降低铸铁奥氏体转变临界温度，细化并增加珠光体含量；3）有弱的细化石墨的作用。

铬的作用：为中等反石墨化元素，共析转变时稳定灰铸铁的珠光体，加入量过多会产生渗碳体，因此加入量要控制。

本发明选定其含量分别控制在铜0.5~0.8%，铬0.2~0.45%。

三．炉前采用硅锶孕育剂及浇注时采用瞬时孕育是第五项关键技术。

孕育的好坏对A型石墨的形成有着关键的影响，一般的孕育剂为普通75硅铁，其孕育效果持续时间短，易产生孕育衰退，而本发明选用的硅锶孕育剂是一种长效孕育剂，其孕育效果持续时间长，可以保证A型石墨达到要求的含量。另外为进一步强化孕育效果，本发明又在浇注时进行瞬时孕育。

四．在油道芯砂中加入三氧化二铁是第三项关键技术。

由于油道芯采用的是强度较高的覆膜砂，较细小，排气困难，为解决气孔问题，在芯砂中加入三氧化二铁，加入比例为砂量的0.5~0.8%

五．在油道芯子表面刷含有滑石粉的棕刚玉醇基涂料是第四项关键技术。

由于油道芯较细小，且处于铁水的包围中，易造成内腔烧砂缺陷，无法清理，在表面刷一层涂料可以减轻或避免烧砂缺陷，但一般涂料难以完全避免，经过多次试验，本发明确定采用涂刷含有滑石粉的棕刚玉涂料，可有效的避免内腔粘砂及结疤、脉纹现象的发生。

附图说明

图1为具体实施例1所得铸件的金相图。

图2为具体实施例2所得铸件的金相图。

具体实施方式

下面以薄壁A型石墨制冷压缩机汽缸盖的铸造过程为例，进一步说明本发明的技术方案及其有益效果。

1、备料。按照以下质量配比配置熔炼炉料：抗拉强度≥300MPa的灰铸铁82%、中低碳钢18%、含硫量为36%的硫化亚铁为灰铸铁及中低碳钢总量的1.3%、含铬量为55%的铬铁为灰铸铁及中低碳钢总量的3%、铜为灰铸铁及中低碳钢总量的0.6%、石墨增碳剂为灰铸铁及中低碳钢总量的6%。

2、熔料。入炉料块控制在长度小于炉径的1/4，重量小于 30公斤。按照以下顺序将熔炼炉料入炉：先将80%的石墨增碳剂压入炉底，而后加入体积较小的料块、再加入比较密实的料块，最后加入剩余料块。这种加料顺序可以使炉温更快升高，利于节约电能。

升温熔炼，待炉温升至1390℃时，从炉中取出少量铁水测试其成分，如测试铁水成分达不到标准，则待铁水温度升至1450℃时，添加适量原料使其达到标准。所述标准为，含有元素的质量百分比：碳3.3~3.4%、硅1.6%~1.9%、锰0.6%~1.0%、磷≤0.05%、硫0.07%~0.09%、铜0.5~0.8%、铬0.2~0.45%。

当炉中铁水达到标准后，升温至1480℃±10℃即可出炉。出炉温度控制对A型石墨形成至关重要，因为只有在出炉温度合适、碳量适中的条件下，才可以形成金相结构好的A型石墨。

出炉前预先将占铁水总质量0.3%~0.6%的硅锶孕育剂预热至200~400℃。待铁水出炉体积达到1/3时开始加入预热好的硅锶孕育剂，进行随流孕育，要求铁水出炉体积达到3/4时将所述硅锶孕育剂添加完毕。

3、制芯。壳型芯采用粒度为70~140目、检验强度为1.7~1.9MPa的覆膜砂；油道内腔芯采用强度2.8~3.0MPa的覆膜砂。为消除氧化气孔，油道芯配砂时加入0.5~0.8%的三氧化二铁。

制芯后在油道内腔芯表面施涂含有滑石粉4%~6%的棕刚玉粉醇基涂料后160℃~300℃烘干。

4、造型。造型面砂选择标准：粒度70~140目、湿态强度0.9~1.2MPa、透气性≥60、水份6%~6.75%、紧实率50%~60%、型砂表面硬度85~90。

5、浇注。浇注前使用硅锶孕育剂进行二次瞬时孕育，所述二次孕育剂粒度为0.6~1.1㎜，添加量为铁水总质量的0.05~0.1%。

浇注温度控制在1350℃~1380℃，每个铸件的浇注时间控制在3~5秒。浇注温度的控制对铸件的成型非常重要，温度太高容易出现缩松，温度太低时铁水冷凝无法成型。

6、清理。

7、检验。包括外观及油道内腔检验和元素含量检测；所述元素含量检测是指采用光谱法检测铸件化学成分是否达到标准。所述标准同上，即含有元素的质量百分比：碳3.3~3.4%、硅1.6%~1.9%、锰0.6%~1.0%、磷≤0.05%、硫0.07%~0.09%、铜0.5~0.8%、铬0.2~0.45%。

实施例1：

2012年4月7日按照上述方法生产50237500型铸件八件，经检测铸件成分：碳3.35%，硅1.9%，锰0.89%，硫0.08%，铬0.226%，铜0.516%，A型石墨＞90%。

本体硬度为194HBW、抗拉强度为260 MPa、气密性测试压力大于20bar。

实施例2：

2012年4月17日按照上述方法生产50234700型铸件八件，经检测铸件成分：碳3.34%，硅1.82%，锰0.908%，铬0.259%，铜0.551%，A型石墨＞90%。

本体硬度为205HBW、抗拉强度为263 MPa、气密性测试压力大于20bar。

实施例3：

2012年5月4日按照上述方法生产50237100型铸件八件，经检测铸件成分：碳3.36%，硅1.8%，锰1.09%，铬0.254%，铜0.6%，A型石墨＞90%。

本体硬度为198HBW、抗拉强度为259 MPa、气密性测试压力大于20bar。

并且，由说明书附图可以看出，按照本发明方法制得的A型石墨铸件金相结构更均匀，石墨分布更均匀无方向性，达到国家规定的A型石墨标准。

Claims (6)

1.一种薄壁A型石墨铸件的制备方法，包括以下步骤：备料，制芯，造型，熔料，浇注，检验；其特征在于：

所述备料过程按照以下质量配比配置熔炼炉料：抗拉强度大于等于300MPa的灰铸铁82份、中低碳钢18份、含硫量为35%~48%的硫化亚铁1.5份、含铬量为60%的铬铁3份、铜0.4~0.5份、石墨增碳剂5~8份。

2.如权利要求1所述的薄壁A型石墨铸件的制备方法，其特征在于：所述熔料过程中炉温升至1380℃时，从炉中取出少量铁水测试其成分，如测试铁水成分达不到标准，则待铁水温度升至1400℃时，添加适量原料使其达到标准；

所述检验过程包括检测铸件元素含量是否达到标准；

所述标准为，含有元素的质量百分比：碳3.35%、硅1.8%~1.9%、锰0.8%~0.9%、磷≤0.05%、硫0.07%~0.09%、铜0.5～0.6%、铬0.2～0.3%。

3.如权利要求1所述的薄壁A型石墨铸件的制备方法，其特征在于：所述制芯过程在配砂时加入0.5~0.8%的三氧化二铁。

4.如权利要求1所述的薄壁A型石墨铸件的制备方法，其特征在于：在芯子表面涂刷含有滑石粉的棕刚玉醇基涂料。

5.如权利要求1所述的薄壁A型石墨铸件的制备方法，其特征在于：铁水出炉温度为1500±10℃，出炉时加入0.4～0.5%的硅锶长效孕育剂。

6.如权利要求1所述的薄壁A型石墨铸件的制备方法，其特征在于：所述浇注过程的浇注温度为1380~1350℃，浇注时在小浇包中加入0.05～0.1%的硅锶孕育剂进行瞬时孕育。

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