クランクシャフト鉄型被覆砂型鋳造とその製造工程管理

クランクシャフトの鋳造にクランクシャフトコーティングサンドプロセスを採用することで、粘土砂プロセスが簡素化され、材料性能が向上するだけでなく、プロセスコストも削減されます。クランクシャフトのコーティングサンドプロセスは国内シャフト業界の発展トレンドとなっており、業界内で推進する価値がある。クランクシャフトはエンジンの重要なコンポーネントの 1 つであり、その性能はエンジンのサービスパフォーマンスと寿命に直接影響します。クランクシャフトが動作しているとき、クランクシャフトは交互に大きな荷重、曲げモーメント、トルク、衝撃に耐えます。一般的な破損形態は、曲げ疲労破壊とジャーナル摩耗です。したがって、クランクシャフトの材質には、高い剛性、疲労強度、耐摩耗性が要求される。特に近年、エンジンのターボ化に伴い、クランクシャフトの内部品質、ブランク精度、表面粗さに対する要求はますます高まっています。鉄型被覆砂型鋳造とは、成形した鉄型（図1）の内腔に熱硬化性鋳物砂を厚さ5～8mmで均一に塗布し、鋳型（図2）を形成する鋳造法です。 ）。鉄型被覆砂型の剛性が高く、被覆砂層が比較的薄いため、鋳物の冷却速度が速く、砂の粒度が細かい（通常200メッシュ）。そのため、鋳物の寸法精度、緻密性、表面品位、結晶粒微細化度、球状化率を大幅に向上させることができ、同時にライザーレス鋳造を実現することができます。

鉄型コーティングサンドラインの製造工程フローを図3に示します。 現在、鉄型コーティングサンドラインの工程レイアウトには様々な形態があり、オープン型ラインレイアウトが最も一般的です。複数種類のクランクシャフトの生産における異なる冷却時間の要件を満たすことができると同時に、生産プロセス中の鉄型の移動と推進の機械化と自動制御を便利に実現できるためです。

コーテッドサンド成型工程は、鉄型コーテッドサンド鋳造において重要な工程であり、クランクシャフトの生産工程全体と歩留まりに直接影響を与えます。当初、鉄型コーティング砂プロセスはホットボックスコアシューターを借用しており、機械化の度合いは低かった。現在、国内の鋳造機械メーカーの多くは、特殊な鉄型コーティングサンド装置を生産しており、型締めから砂打ち後の鉄型の取り外しまでの全プロセスPLCタッチスクリーン自動制御を実現できるメーカーもあります。

通常の製造では、鉄型の温度は一般的に230℃程度に管理されています。温度が低すぎると、コーティングされた砂を完全に硬化させることができず、シェルの強度が低下し、ガスの発生が多くなります。温度が高すぎると、モールドシェルが焼けて脆くなったり、流動過程でコーティング砂が硬化してモールドシェルの強度が損なわれ、クランクシャフトへの砂付着や砂混入が発生しやすくなります。初めて使用する鉄型を加熱する方法は大きく分けて２つあります。一つは、鉄型をまとめて中子窯に入れて加熱し、一つずつ成形する方法です。もう1つは、冷えた鉄型を1つずつ閉じて、パターンとテンプレート（テンプレートには電熱パイプが装備されています）を通して鉄型を加熱して成形する方法です。この方法は、最初の生産に新しい鉄型を使用する場合には比較的時間がかかります。通常の生産時は鉄型の余熱を利用してコーティングサンドを製造できるため、別途加熱する必要がありません。

サンドシュートは、流動化したコーティング砂を低圧圧縮空気（0.4MPa）でキャビティ内に吹き込む工法で、サンドシュート時間はわずか1～2秒です。このプロセスには 2 つの重要な関係があります。1 つは排気で、もう 1 つは砂の漏れです。サンドシューティングプロセスでは、コーティングされた砂が射出されると同時に、圧縮空気もキャビティに入ります。鉄型の排気がスムーズでないと射出不足やエアポケットなどの不具合が必ず発生します。一般的には以下のような解決策がとられています。 ① パーティング面付近の残留ガスは、テンプレートにテンプレートより 0.1 ～ 0.2mm 高いボスを 4 つ設け、テンプレートと鉄型の間に隙間を作り、ガスを排出します。残留ガス。 ② 行き止まり部分に排気プラグを追加したり、テンプレートに排気溝を刻んで残留ガスを排出します。この 2 つの方法は実際の生産において非常に有効です。砂打ちの際は、砂打ちヘッドの砂打ち穴と鉄型の砂打ち穴を合わせ、砂打ち板の下面を鉄型の上面に密着させて砂打ちを行います。実施した。しかし、実際の生産では、鉄型の鋳造・加工後の応力変形や、鉄型の継続的な加熱・冷却による変形、鉄型上面の凹凸などにより、隙間が発生します。砂打ちの際、鉄型の上面と砂打ち板の下面との間に隙間が生じ、その隙間から砂が流れ出ます。砂漏れは砂の無駄遣いや作業環境の悪化、キャビティ内への充填が不十分となり廃棄物が発生するだけでなく、砂の流速が速すぎるため作業者に怪我を負わせる可能性が非常に高くなります。現在よく使われている方法は、 ①砂打ち板の下面に、平面より5mm高いシリカゲルパッドをはめ込む方法です。 ②砂発射板の砂発射ノズルを可動・圧縮式とし、背面に圧縮バネを設置しています。これにより、砂噴射ノズルを鉄型の砂噴射孔の周囲に密着させることができ、砂漏れを防止することができる。鉄型が大きく変形すると、鉄型の上面から砂が漏れ出すだけでなく、鉄型の下面と型板の間に大きな隙間が生じ、このとき上下のみの隙間が生じます。鉄型の表面を研磨して使用することも可能です。

実際の生産では、生産効率を確保するため、クランクシャフトが約230℃まで冷えた状態で箱を開けることはできません（通常、注出後15～20分後に箱を開きます）。コーティングサンドの層が非常に薄いため、注湯後の鉄型の温度は急激に上昇します。 1サイクル後の鉄型の温度は約350～400℃となり、どんどん高くなり正常な生産ができなくなります。自然冷却は遅すぎるため、鉄型の冷却速度を速めるために鉄型に水をかけてしまうと、鉄型に割れが発生しやすくなります。現在、鉄型コーティングサンドラインを製造している国内メーカーは、鉄型冷却のための専用装置を製造していない。鉄型冷却の問題を解決するために、図 4 および図 5 に示すように、実際の状況に応じて特別に設計した冷却装置を開発しました。ノズルの構造を図 5 に示します。圧縮空気がパイプに入った後、流れは空気の流速は減速スリーブを通じて加速され、銅管開口部に大きな負圧が形成されます。銅管の他端を酸素チューブで水槽に接続し、水槽内の水中に置き、銅管内の水を吸い出す。高速空気流により水を霧化し、パイプ開口部のコーンとその下のコーンを通してミストを鉄型表面に円錐状に噴霧します。この冷却装置は多頭霧化冷却を採用しており、鉄型を均一に冷却し、鉄型の変形や割れを軽減し、鉄型の寿命を向上させます。同時に水ミストを鉄型の表面に吹き付けると、鉄型の表面に高温の水蒸気の膜が急速に形成されます。圧縮空気の高速気流が高温の水蒸気膜を適時に吹き飛ばし、鉄型の冷却速度を加速し、生産ラインの連続生産のニーズに応えます。

コーテッドサンドの硬化剤としてフェノール樹脂を使用しているため、溶鉄をキャビティ内に流し込む際に多量のガスが発生します。ガスの排出が間に合わないと、鋳造気孔や注湯不足の原因となります。そこで、上型パターンに排気穴を設け、サンドシューティングニードルを通して上型表面から約5mm離れたところにコートサンドを排出するとともに、パーティング面の四隅に厚さ0.5mmの鉄板を埋め込みます。型を閉じるとパーティング面に隙間ができてガスが排出されます。

鉄型コーティング砂プロセスは、鋳物の急速な冷却により、より微細な粒子、より高い球状化レベル、より良い表面品質、およびより優れた機械的特性を備えた鋳物を得るのに好ましい条件を提供します。ただし、溶融鉄の溶解、球状化、接種、および注入については、より高い要件も提示されています。

鉄型コーテッドサンド法では鋳物の冷却速度が速いため、キャビティ内に流入した溶鉄中の介在物やガスが浮き上がりにくく、スラグ介在物や気孔が形成されやすいと同時に、コールドシャットも形成しやすい。したがって、鉄型コーテッドサンドプロセスの製造には、高温で清浄な溶鉄が必要となります。現在、コークス価格の高騰により、中周波誘導炉の溶解コストはキューポラの溶解コストと比べて高くなくなりました。同時に、中周波誘導炉は、安定した化学組成、高温、清浄度の溶鉄を得ることができ、連続生産のニーズを満たすことができます。したがって、鋳造クランクシャフトの鉄型被覆砂プロセスにおける溶解には中周波誘導炉が最適です。一般的に中周波誘導炉の出湯温度は1500℃程度です。また、鉄型コーテッドサンド法は鋳物の冷却速度が速く、中周波誘導炉で溶かした溶鉄の過冷却度が大きいため、鋳物に白鋳鉄や遊離セメンタイトが生成する傾向が大きい。鋳物が冷却された後に形成される可能性があります。したがって、バッチ処理における炭素 - ケイ素当量は、粘土砂成形プロセスにおける炭素 - ケイ素当量よりも高くなければなりません。一般的に使用される化学組成を表に示します。

球状化処理はダクタイル鉄クランクシャフトの製造において重要な部分です。グラファイトの形態は、クランクシャフト本体の強度性能に直接影響します。現在、中国で使用されている主な球状化剤は、希土類、マグネシウム、ケイ素、鉄の複合球状化剤である。球状化剤のグレードの選択は、主に吸収速度と反応が安定であるかどうかを考慮して行われます。鉄型コートサンド法では電気炉溶銑の出銑温度が比較的高いため、FeSiMg6Re1.6などの低級球状化剤が適しています。硫黄とマグネシウムの反応によって形成される二次スラグを減らすためには、残留希土類マグネシウムが多すぎてはなりません。従来のプランジ法による球状化では煙や発塵が多量に発生するため、低マグネシウム芯線によるワイヤ送給方式を採用し、プランジ法よりも効果が安定しています。

鉄型コーテッドサンドプロセスの急速冷却と電気炉溶鉄の過冷却度が大きいため、鋳物は凝固過程で白鋳鉄を形成する傾向が大きくなります。したがって、溶融鉄は完全に接種されなければなりません。一般に、2 段階の接種処理が行われます。1 回目は、球状化処理中に 0.2% ～ 0.3% のシリコン - バリウム接種ワイヤを取鍋に入れます。 2回目では、注入中に0.1％のインストリーム接種が採用され、硫黄と酸素を含む複合高効率接種剤が使用されます。これにより、黒鉛の核が効果的に増加し、粒子が微細化され、接種の退色時間を遅らせることができます。接種剤の粒径は通常0.2～0.8mmで、湿気や酸化を避けるため長期間保存しないでください。注入温度は通常約 1420°C で、注入中はスラグの詰まりに注意する必要があります。溶融鉄はすぐに凝固し、介在物が浮き上がりにくいため、一般にフィルタープレートがゲートシステムに配置されます。

鋳物の急速凝固と中周波電気炉による高温で純粋な溶鉄は、鋳物粒子の微細化と球状化レベルの向上に好ましい条件を提供します。通常の製造条件では、パーライト含有量は一般に 65% ～ 75%、引張強さは 680 ～ 750N/mm²、伸びは 4% ～ 6% です。溶鉄処理プロセス中に、パーライト化を強力に促進する0.5％〜6％のCuと少量の微量元素Sbが添加されます。鉄型コーティングサンドラインを連続機械化または自動制御することにより、開函作業の制御が容易になります。鋳造温度が約 860 ～ 900°C になったら、箱を開け、鋳物をすぐに冷却室に移して噴霧冷却します。このようにして、パーライト含有率85%～90%、機械的特性QT800-3のダクタイル鋳鉄製クランクシャフトブランクを得ることができます。洗浄工場の高温環境を改善し、往復輸送と一次洗浄を削減できるだけでなく、さらに重要なことに、莫大な熱処理コストを節約し、生産コストを効果的に削減できます。現在の焼きならし熱に代わる合金化によるクランクシャフトの残留熱焼きならし処理は、クランクシャフト生産において避けられない開発トレンドとなっています。

鉄型被覆砂クランクシャフト鋳造は、粘土砂のプロセスを簡素化し、粘土砂の固有の弱点（膨大な砂処理、汚れた劣悪な作業環境、材料性能の低さ）を克服し、連続的で制御可能な生産を実現し、生産に有利な条件を提供します。高品質クランクシャフト生産の機械化と自動化。この先進的なプロセスは、鋳造生産においてますます広く適用されることは間違いありません。