曲轴铁型覆膜砂铸造及其生产过程控制

采用曲轴覆膜砂工艺进行曲轴铸造，不仅简化了粘土砂工艺，提高了材料性能，而且降低了工艺成本。曲轴覆膜砂工艺已成为国内轴类行业的发展趋势，值得行业内推广。曲轴是发动机的关键部件之一，其性能直接影响发动机的使用性能和寿命。曲轴工作时承受交变的大载荷弯矩、扭矩和冲击。常见的失效形式是弯曲疲劳断裂和轴颈磨损。因此，要求曲轴材料具有较高的刚性、疲劳强度和良好的耐磨性。特别是近年来，随着涡轮增压发动机的应用日益增多，对曲轴的内部质量、毛坯精度、表面粗糙度等提出了越来越高的要求。铁型覆膜砂铸造是将5～8mm厚的热固性型砂均匀地涂覆在型铁型（如图1所示）内腔上，形成铸型（如图2所示）的铸造工艺。 ）。由于铁型覆膜砂型的刚度好，覆膜砂层比较薄，铸件冷却速度快，砂粒细（一般为200目）。因此，可以显着提高铸件的尺寸精度、致密性、表面质量、晶粒细化程度、球化率，同时可以实现无冒口铸造。

铁型覆膜砂线的生产工艺流程如图3所示。目前，铁型覆膜砂线的工艺布置形式有多种，其中以开放式线布置最为常见。因为它可以满足多个曲轴品种生产的不同冷却时间的要求，同时可以方便地实现生产过程中铁模运动和推进的机械化和自动控制。

覆膜砂造型工艺是铁型覆膜砂铸造的关键工序，直接影响整个生产过程和曲轴的成品率。最初，铁型覆膜砂工艺借用了热芯盒射芯机，机械化程度较低。现在，国内许多铸造机械厂家都生产铁型专用覆膜砂设备，有的可以实现从合模到射砂后铁型取出的全过程PLC触摸屏自动控制。

正常生产时，铁模温度一般控制在230℃左右。如果温度过低，覆膜砂不能完全固化，导致型壳强度低、发气量高。如果温度过高，型壳会烧焦变脆，或者覆膜砂在流动过程中固化，损害型壳强度，易造成曲轴粘砂、夹砂。铁模初次使用时的加热一般有两种方法。一种是将一批铁模放入芯窑中加热，然后逐个进行成型。另一种是将冷铁模逐一闭合，然后通过图案和模板（模板上装有电加热管）加热铁模进行成型。这种方法在第一次使用新铁模生产时速度比较慢。正常生产时，铁模的余热可用于覆膜砂，无需单独加热。

射砂是用低压压缩空气（0.4MPa）将流态化的覆膜砂吹入型腔的过程，射砂时间仅需1~2s。这个过程有两个关键环节：一是排气，二是漏砂。射砂过程中，在注入覆膜砂的同时，压缩空气也进入型腔。如果铁模排气不顺畅，必然会造成射门不足、气穴等缺陷。常用的解决办法有：①对于分型面附近的残余气体，在模板上制作四个比模板高0.1～0.2mm的凸台，使模板与铁模之间形成间隙，以排出气体。残留气体。 ② 在个别死角处加排气塞或在模板上刻排气槽，以排出残余气体。这两种方法在实际生产中都相当有效。射砂时，将射砂头上的射砂孔与铁模的射砂孔对齐，将射砂板的下平面紧压在铁模的上平面上，然后进行射砂。执行。但在实际生产中，由于铁模铸造加工后的应力变形，铁模不断加热和冷却引起的变形，以及铁模上表面的凹凸，会产生间隙。射砂时铁模上表面与射砂板下平面之间存在间隙，射砂时砂会从间隙中跑出。漏砂不仅浪费砂子，恶化工作环境，导致型腔填充不牢固，产生废品，而且由于砂子流速过快，极有可能对操作人员造成人身伤害。现在常用的方法有：①在射砂盘的下表面镶嵌一块高出平面5mm的硅胶垫。 ②射砂板的射砂嘴制成活动压缩式，背面安装压缩弹簧。这样可以使射砂嘴与铁模射砂孔周边紧密接触，避免漏砂。当铁模严重变形时，不仅铁模的上表面漏砂，而且铁模的下表面与模板之间也会产生较大的间隙，此时，只有上下表面漏砂。铁模表面可刨平后使用。

实际生产中，为保证生产效率，曲轴冷却到230℃左右时不能开箱（一般浇注后15-20分钟开箱）。由于覆膜砂层很薄，浇注后铁型温度急剧升高。一次循环后铁模温度约为350-400℃，并且会越来越高，无法正常生产。由于自然冷却太慢，如果在铁模上浇水以加快铁模的冷却速度，则非常容易导致铁模破裂。目前国内生产铁型覆膜砂线的厂家没有生产铁型冷却专用设备。为了解决铁模冷却问题，我们根据实际情况专门设计了冷却装置，如图4、图5所示。喷嘴结构如图5所示。压缩空气进入管道后，流动空气通过变径套加速，在铜管口处形成较大的负压。将铜管的另一端与带有氧气管的水箱连接并放入水箱中的水中，然后将铜管中的水吸出。高速气流将水雾化，通过管口处的锥体和下方的锥体，将雾气以圆锥形喷射到铁模表面。本冷却装置采用多头雾化冷却，使铁模冷却均匀，减少铁模的变形和开裂，提高铁模的使用寿命。同时，当水雾喷到铁模表面时，铁模表面很快形成一层高温水汽膜。压缩空气的高速气流及时吹走高温水汽膜，加快铁模的冷却速度，满足生产线连续生产的需要。

由于覆膜砂采用酚醛树脂作为固化剂，铁水倒入型腔时会产生大量气体。如果气体不能及时排出，必然会造成铸件气孔和浇注不足的缺陷。因此，除了在上模花纹上设计排气孔，通过射砂针将覆膜砂排出距上模表面5mm左右处外，还在分型面的四个角处垫上0.5mm厚的铁片。合模，使分型面形成间隙，排出气体。

铁型覆膜砂工艺由于铸件冷却快，为获得晶粒更细、球化程度更高、表面质量更好、机械性能更好的铸件提供了有利条件。但它也对铁水的熔化、球化、孕育、浇注提出了更高的要求。

由于铁型覆膜砂工艺中铸件冷却速度快，进入型腔的铁水中的夹杂物和气体不易浮出，极易形成夹渣和气孔，同时，也容易形成冷隔。因此，铁型覆膜砂工艺的生产需要高温、清洁的铁水。现在，由于焦炭价格上涨，中频感应炉的熔炼成本已不再高于冲天炉。同时，中频感应炉可以获得化学成分稳定、温度高、清洁的铁水，可以满足连续生产的需要。因此，中频感应炉是铸造曲轴铁型覆膜砂工艺熔炼的最佳选择。一般中频感应炉的出钢温度为1500℃左右。另外，由于铁型覆膜砂工艺铸件冷却速度快，中频感应炉熔炼的铁水过冷度大，铸件容易形成白口铸铁和游离渗碳体。铸件冷却后很可能形成。因此，配料中的碳硅当量应高于粘土砂造型工艺中的碳硅当量。常用的化学成分见表。

球化处理是球墨铸铁曲轴生产的重要环节。石墨的形貌直接影响曲轴体的强度性能。目前，国内使用的主要球化剂是稀土镁-硅-铁复合球化剂。球化剂牌号的选择主要考虑吸收率和反应是否稳定。由于铁型覆膜砂工艺要求电炉铁水的出钢温度较高，因此使用较低牌号的球化剂如FeSiMg6Re1.6是合适的。为了减少硫与镁反应形成的二次渣，残留稀土镁不宜过高。由于目前的切入法球化会产生大量的烟尘，所以现在采用低镁药芯焊丝的送丝方法，效果比切入法更稳定。

由于铁型覆膜砂工艺冷却速度快，电炉铁水过冷度大，铸件在凝固过程中形成白口铸铁的倾向较大。因此，铁水必须经过充分孕育处理。一般进行两级孕育处理：第一次球化处理时向钢包内放入0.2%～0.3%的硅钡孕育丝；第二次浇注时采用0.1%的流内孕育剂，采用含硫、氧的复合高效孕育剂，能有效增加石墨晶核，细化晶粒，延缓孕育褪色时间。孕育剂的粒度一般为0.2～0.8mm，不宜长期存放，以免受潮、氧化。浇注温度一般为1420℃左右，浇注时应注意堵渣。由于铁水凝固快，夹杂物很难上浮，所以浇注系统中一般放置过滤板。

铸件的快速凝固和中频电炉铁水的高温纯净，为铸件晶粒的细化和球化水平的提高提供了有利的条件。正常生产条件下，珠光体含量一般为65%～75%，抗拉强度为680～750N/mm²，伸长率为4%～6%。铁水处理过程中添加0.5%～6%的Cu和少量强烈促进珠光体化的微量元素Sb。铁型覆膜砂线的连续机械化或自动控制，使开箱操作更容易控制。当铸件温度约为860-900℃时，打开箱体，然后将铸件快速转移至冷却室进行喷雾冷却。这样可得到珠光体含量为85%～90%、力学性能为QT800-3的球墨铸铁曲轴毛坯。不仅可以改善清洗车间的高温环境，减少往返运输和初级清洗，更重要的是可以节省巨额热处理费用，有效降低生产成本。曲轴合金化余热正火取代目前的正火热处理已成为曲轴生产的必然发展趋势。

铁型覆膜砂曲轴铸造简化了粘土砂工艺，克服了粘土砂的固有弱点（砂处理量大、工作环境肮脏恶劣、材料性能低），可实现连续可控生产，为铸件生产提供了有利条件。高品质曲轴生产机械化、自动化。这种先进工艺必将在铸造生产中得到越来越广泛的应用。