CN108515149B - 一种薄壁耐热钢排气歧管铸造方法 - Google Patents

一种薄壁耐热钢排气歧管铸造方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种薄壁耐热钢排气歧管铸造方法，属于耐热钢排气歧管铸造技术领域，包含以下步骤：制芯、造型、熔炼、浇注、落砂。本发明通过浇道进铁水量及浇注系统各单元截面比的合理设计，及铁模覆砂层厚度、型腔排气系统和浇注温度、落砂开箱时间的严格控制，制得的排气歧管的厚度为3.2‑3.6mm，壁薄，晶粒度为5.5级，各项技术性能均达到要求的指标。本发明制备的排气歧管壁薄、质轻，性能稳定，解决了普通湿砂工艺很难成型的难题，有效的减轻了整体的重量，实现了发动机轻量化设计。

Description

一种薄壁耐热钢排气歧管铸造方法
技术领域
本发明属于耐热钢排气歧管铸造技术领域，具体涉及一种薄壁耐热钢排气歧管铸造方法。
背景技术
随着汽车轻量化技术的发展，发动机排放温度不断提高，耐温950℃的镍奥氏体球铁排气歧管已不能满足排放要求。目前，耐热钢排气歧管在高档车型中已投入使用，耐温温度达1050℃，热疲劳性好。耐热钢排气歧管与涡轮增压器在发动机上装配使用，汽车尾气排放已大大降低。
为满足排气歧管轻量化技术要求，设计壁厚由4.5-4.0mm降低到3.6-3.2mm，型壁阻力大，钢液粘度大流动性差，普通湿砂型工艺，很难保证管壁成型。为保证薄壁耐热钢排气歧管铸造成型，采用大流量快速充型的浇注系统设计及铁模覆砂铸造工艺生产。
公告号为CN103357821B的专利公开了一种用铁型覆砂铸造箱式复杂水冷排气管的方法，用不含水的覆膜砂造型，实现了快速冷却和充型，消除了水冷排气管常有的过钉孔组织疏松和铸件变形等缺陷，但是，该方法制备的排气管的壁厚为5mm，不能满足轻量化技术要求，凝固时间为50分钟，时间较长，晶枝生产较快，抗拉硬度最大为379MPa，机械性能有待提高。
公告号为CN100391656C的专利公开了一种汽车排气歧管技术领域的高镍奥氏体球墨铸铁汽车排气歧管及铸造方法，该排气歧管为高镍奥氏体球墨铸铁排气歧管，其铸造方法经过制芯、造型、合型、熔炼、浇注、开箱落砂和铸件清理检验入库工序，制芯采用低氮高温度覆膜砂，排气歧管的内砂芯为内流通砂芯，外腔砂芯在两管卡档处位置镶冷铁；采用侧冒口，由潮模砂提供浇注时的静压头；熔炼温度1600～1700℃，采用镁硅合金为球化剂进行球化处理，用硅铁和硅锶孕育剂两次孕育，并用采用大流量、高温快浇而成。铸造出的排气歧管具有良好的耐腐蚀性、耐高温性、抗氧化性、延展性、无辐射，可广泛应用于中、高档轿车上。但是，该排气歧管的内砂芯为内流通砂芯，外腔砂芯在两管卡档处位置镶冷铁，工艺复杂，且生产出来的排气歧管壁厚，不能满足轻量化技术要求，有待改进。
发明内容
有鉴于此，本发明提供一种机械性能好，壁薄，耐高温的薄壁耐热钢排气歧管铸造方法。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：
一种薄壁耐热钢排气歧管铸造方法，包含以下步骤：
S1：制芯：用覆膜砂作为型腔芯原材料，将芯盒温度加热到220-240℃，通过射砂口向芯盒内射砂3-5秒，结壳固化2-4秒，震动倒去砂芯内腔没有固化的覆膜砂，180秒砂芯固化结束，从芯盒中取出；
S2：造型：将铁砂箱温度加热到130-150℃，型腔芯盒温度加热到220-240℃，合模覆砂， 120秒砂壳固化结束后，开模后合上下铁砂箱，待浇注；
S3：熔炼：将制备耐热钢排气歧管的原料加入感应电炉中进行熔炼；
S4：浇注：浇注温度控制在1650-1700℃之间；
S5：落砂：浇注的铁液冷却后，进行开箱落砂，开箱时间为15-20min。
优选地，所述步骤S1中，每支砂芯重量为2.5-3.0kg。
优选地，所述步骤S2中，覆砂厚度为10-12mm。
优选地，所述步骤S3中，耐热钢排气歧管由以下原料制备：回炉料59％-62％，废钢12-15％，铬铁16-17.5％，铌铁1％，电解镍5-7％，硫铁0.01-0.02％，电解锰0.45-0.5％，硅铁0.4-0.65％，增碳剂0.04-0.06％。
优选地，将原料按铬铁-废钢-回炉料-铌铁-电解镍-电解锰-硅铁-硫铁-增碳剂的顺序加入感应电炉中进行熔炼。
优选地，所述步骤S4中，浇注流量为10-12kg/s，浇注系统截面比F直：F横：F内＝1：0.75：0.8。
本发明的有益效果是：
本发明选用耐热钢专用覆膜砂作为型腔芯原材料，芯盒温度加热到220-240℃，通过射砂口向芯盒内射砂3-5秒，结壳固化2-4秒，震动倒去砂芯内腔没有固化的覆膜砂，保证每支砂芯单重2.5-3.0kg，降低砂芯发气量，避免铸件气孔缺陷，180秒砂芯固化结束，从芯盒中取出。
铁模覆砂铸造工艺特点是铁砂箱蓄热系数大，液态收缩阶段铁砂箱保温效果好，有利于薄壁成型；凝固收缩及固态收缩阶段，铁砂箱激冷效果好，有利于铸件补缩。将铁模覆砂层厚度设定为10-12mm，保证铸件表面光洁，防粘砂缺陷。
耐热钢多元合金材质过冷度大，浇注温度高，钢液流动性好，有利于充型，可以消除薄壁区冷隔缺陷，故将浇注温度控制在1650-1700℃之间。
耐热钢排气歧管，壁薄、温降快，本发明设定浇注流量为10-12kg/s，浇注系统截面比F直：F横：F内＝1：0.75：0.8，浇注系统设计大流量快速充型，保证薄壁区域成型。
本发明设定开箱时间为15-20min，防止薄壁耐热钢排气歧管，浇注完保温时间过长，枝晶生长快，西格玛相过多，影响本体机械性能。
薄壁耐热钢排气歧管，型腔砂芯发气量大，排气不畅会阻碍钢液充型，薄壁耐热钢排气歧管的芯头定位及冷冒口区域设计排气孔，引出型腔气体。
本发明含有镍、铬等元素，提高材料的机械性能和耐腐蚀性能，铬、锰等元素与碳元素形成碳化物降低石墨含量，硅具有一定的保护作用，阻止腐蚀作用的进行，硅、铬同时也起到了稳定奥氏体机构的作用。
本发明提供一种大流量快速充型的浇注系统设计及铁模覆砂铸造工艺方法。通过浇道进铁水量及浇注系统各单元截面比的合理设计，及铁模覆砂层厚度、型腔排气系统和浇注温度、落砂开箱时间的严格控制，制得的排气歧管的厚度为3.2-3.6mm，壁薄，晶粒度为5.5 级，各项技术性能均达到要求的指标。本发明制备的排气歧管壁薄、质轻，性能稳定，解决了普通湿砂工艺很难成型的难题，有效的减轻了整体的重量，实现了发动机轻量化设计。
附图说明
下面结合附图对本发明做进一步的说明。
图1是本发明实施例一腐蚀前的金相组织图。
图2是本发明实施例一腐蚀后的金相组织图。
图3是本发明实施例一的西格玛相图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合说明书附图，对本发明实施例的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于所描述的本发明的实施例，本领域普通技术人员所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例一
一种薄壁耐热钢排气歧管铸造方法，包含以下步骤：
S1：制芯：用覆膜砂作为型腔芯原材料，将芯盒温度加热到220℃，通过射砂口向芯盒内射砂3-5秒，结壳固化2-4秒，震动倒去砂芯内腔没有固化的覆膜砂，保证每支砂芯重量为 2.5kg，180秒砂芯固化结束，从芯盒中取出；
S2：造型：将铁砂箱温度加热到130℃，型腔芯盒温度加热到220℃，合模覆砂，覆砂厚度为10-12mm，120秒砂壳固化结束后，开模后合上下铁砂箱，待浇注；
S3：熔炼：耐热钢排气歧管由以下原料制备：回炉料59％，废钢15％，铬铁16.9％，铌铁 1％，电解镍7％，硫铁0.01％，电解锰0.45％，硅铁0.6％，增碳剂0.04％；
将原料按铬铁-废钢-回炉料-铌铁-电解镍-电解锰-硅铁-硫铁-增碳剂的顺序加入感应电炉中进行熔炼；
S4：浇注：浇注温度控制在1650-1700℃之间，浇注流量为10kg/s，浇注系统截面比F直： F横：F内＝1：0.75：0.8；
S5：落砂：浇注的铁液冷却后，进行开箱落砂，开箱时间为15min。
所述薄壁耐热钢排气歧管的芯头定位及冷冒口区域设计排气孔。
实施例二
本实施例提供的一种薄壁耐热钢排气歧管铸造方法，步骤同实施例一，但与实施例一不同的是，本实施例步骤S3中，采用的耐热钢排气歧管由以下原料制备：回炉料60.4％，废钢 15％，铬铁17.5％，铌铁1％，电解镍5％，硫铁0.01％，电解锰0.49％，硅铁0.55％，增碳剂0.05％。
实施例三
一种薄壁耐热钢排气歧管铸造方法，包含以下步骤：
S1：制芯：用覆膜砂作为型腔芯原材料，将芯盒温度加热到230℃，通过射砂口向芯盒内射砂3-5秒，结壳固化2-4秒，震动倒去砂芯内腔没有固化的覆膜砂，保证每支砂芯重量为 2.8kg，180秒砂芯固化结束，从芯盒中取出；
S2：造型：将铁砂箱温度加热到140℃，型腔芯盒温度加热到230℃，合模覆砂，覆砂厚度为10-12mm，120秒砂壳固化结束后，开模后合上下铁砂箱，待浇注；
S3：熔炼：耐热钢排气歧管的制备原料同实施例一；
将原料按铬铁-废钢-回炉料-铌铁-电解镍-电解锰-硅铁-硫铁-增碳剂的顺序加入感应电炉中进行熔炼；
S4：浇注：浇注温度控制在1650-1700℃之间，浇注流量为11kg/s，浇注系统截面比F直： F横：F内＝1：0.75：0.8；
S5：落砂：浇注的铁液冷却后，进行开箱落砂，开箱时间为17min。
所述薄壁耐热钢排气歧管的芯头定位及冷冒口区域设计排气孔。
实施例四
本实施例提供的一种薄壁耐热钢排气歧管铸造方法，步骤同实施例三，但与实施例三不同的是，本实施例步骤S3中，采用的耐热钢排气歧管的制备原料同实施例二。
实施例五
本实施例提供的一种薄壁耐热钢排气歧管铸造方法，步骤同实施例三，但与实施例三不同的是，本实施例步骤S3中，采用的耐热钢排气歧管由以下原料制备：回炉料61％，废钢 14.1％，铬铁16％，铌铁1％，电解镍6.92％，硫铁0.02％，电解锰0.5％，硅铁0.4％，增碳剂0.06％。
实施例六
一种薄壁耐热钢排气歧管铸造方法，包含以下步骤：
S1：制芯：用覆膜砂作为型腔芯原材料，将芯盒温度加热到240℃，通过射砂口向芯盒内射砂3-5秒，结壳固化2-4秒，震动倒去砂芯内腔没有固化的覆膜砂，保证每支砂芯重量为 3kg，180秒砂芯固化结束，从芯盒中取出；
S2：造型：将铁砂箱温度加热到150℃，型腔芯盒温度加热到240℃，合模覆砂，覆砂厚度为10-12mm，120秒砂壳固化结束后，开模后合上下铁砂箱，待浇注；
S3：熔炼：耐热钢排气歧管的制备原料同实施例一；
将原料按铬铁-废钢-回炉料-铌铁-电解镍-电解锰-硅铁-硫铁-增碳剂的顺序加入感应电炉中进行熔炼；
S4：浇注：浇注温度控制在1650-1700℃之间，浇注流量为12kg/s，浇注系统截面比F直： F横：F内＝1：0.75：0.8；
S5：落砂：浇注的铁液冷却后，进行开箱落砂，开箱时间为20min。
所述薄壁耐热钢排气歧管的芯头定位及冷冒口区域设计排气孔。
实施例七
本实施例提供的一种薄壁耐热钢排气歧管铸造方法，步骤同实施例六，但与实施例六不同的是，本实施例步骤S3中，采用的耐热钢排气歧管的制备原料同实施例二。
实施例八
本实施例提供的一种薄壁耐热钢排气歧管铸造方法，步骤同实施例六，但与实施例六不同的是，本实施例步骤S3中，采用的耐热钢排气歧管由以下原料制备：回炉料62％，废钢 12％，铬铁16.77％，铌铁1％，电解镍7％，硫铁0.02％，电解锰0.5％，硅铁0.65％，增碳剂0.06％。
对比例一
本对比例提供的一种薄壁耐热钢排气歧管铸造方法，步骤同实施例一，但与实施例一不同的是，本对比例步骤S3中，采用的耐热钢排气歧管由以下原料制备：回炉料65％，废钢10％，铬铁18％，铌铁2％，电解镍4％，硫铁0.03％，电解锰0.6％，硅铁0.32％，增碳剂0.05％。
对比例二
本对比例提供的一种薄壁耐热钢排气歧管铸造方法，步骤同实施例四，但与实施例四不同的是，本对比例步骤S4中，浇注流量为8Kg/S。
对比例三
本对比例提供的一种薄壁耐热钢排气歧管铸造方法，步骤同实施例五，但与实施例五不同的是，本对比例步骤S2中，覆砂厚度为20mm，且本对比例芯头定位及冷冒口区域未设计排气孔。
对比例四
本对比例提供的一种薄壁耐热钢排气歧管铸造方法，步骤同实施例八，但与实施例八不同的是，本对比例步骤S5中，开箱时间为30min。
性能测试：
表1实施例与对比例的测试结果
表2技术要求
表3化学成分百分含量(％)
表1给出了八个实施例和四个对比例测试的结果，表2给出了排气歧管的技术要求，结合表1和表2可以看出，本发明对比例的测试结果全部符合技术要求，而对比例测试的各项性能都有不符合技术要求的。表3给出了排气歧管技术要求的化学成分的百分含量，其他成分为铁。经测试，实施例的化学成分含量均符合技术要求，排气歧管的厚度为3.2-3.6mm，壁薄，晶粒度为5.5级，技术性能达到要求的指标，说明本申请的配方和工艺步骤及参数适配性好。图1为本发明实施例一的试样腐蚀前的金相组织图，图2为腐蚀后的金相组织图，由图2可以看出，试样表面没有气泡，没有出现点腐蚀等现象，说明本发明具有很好的耐腐蚀性。从图3的西格玛相图可以看出，本发明的组织相图中出现少量的西格玛相，碳化物细小，杂质较少，晶间纯净度相对较高。
最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，本领域普通技术人员对本发明的技术方案所做的其他修改或者等同替换，只要不脱离本发明技术方案的精神和范围，均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (3)

1.一种薄壁耐热钢排气歧管铸造方法，其特征在于：包含以下步骤：
S1：制芯：用覆膜砂作为型腔芯原材料，将芯盒温度加热到220-240℃，通过射砂口向芯盒内射砂3-5秒，结壳固化2-4秒，震动倒去砂芯内腔没有固化的覆膜砂，180秒砂芯固化结束，从芯盒中取出；
S2：造型：将铁砂箱温度加热到130-150℃，型腔芯盒温度加热到220-240℃，合模覆砂，120秒砂壳固化结束后，开模后合上下铁砂箱，待浇注；
S3：熔炼：将制备耐热钢排气歧管的原料加入感应电炉中进行熔炼；所述耐热钢排气歧管由以下原料制备：回炉料59%-62%，废钢12-15%，铬铁16-17.5%，铌铁1%，电解镍5-7%，硫铁0.01-0.02%，电解锰0.45-0.5%，硅铁0.4-0.65%，增碳剂0.04-0.06%；将所述原料按铬铁-废钢-回炉料-铌铁-电解镍-电解锰-硅铁-硫铁-增碳剂的顺序加入感应电炉中进行熔炼；
S4：浇注：浇注温度控制在1650-1700℃之间；所述浇注流量为10-12kg/s，浇注系统截面比F直：F横：F内=1：0.75：0.8；
S5：落砂：浇注的铁液冷却后，进行开箱落砂，开箱时间为15-20min；
所述薄壁耐热钢排气歧管的芯头定位及冷冒口区域设计排气孔。
2.如权利要求1所述的一种薄壁耐热钢排气歧管铸造方法，其特征在于：所述步骤S1中，每支砂芯重量为2.5-3.0kg。
3.如权利要求1所述的一种薄壁耐热钢排气歧管铸造方法，其特征在于：所述步骤S2中，覆砂厚度为10-12mm。
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