高牌号球墨铸铁差速器壳渣气孔铸造缺陷研究

2021-02-02商崇元焦燕妍

中国铸造装备与技术 2021年1期

商崇元，焦燕妍，李飞

（广西玉柴机器配件制造有限公司，广西玉林 537005）

差速器壳是汽车零部件中的一个关键零件，要求其强度高、延伸率大，所以在国产化之前国内汽车厂完全靠进口满足装车需求。随着近年来汽车市场的火爆，国外进口已经远远不能满足国内汽车厂商的需求，而且进口成本非常高，严重制约了国内汽车厂的产品升级和发展进度，因此关键零部件国产化成了国内汽车零部件制造商的当务之急。

公司受合作客户委托开发的某国产化高强度、高延伸率汽车差速器壳，材质要求QT880-5。在国内差速壳生产厂商中，很少能做到QT880-5材质，大多以QT450-10、QT600-10 为主，但在意大利等欧洲汽车工业发达国家生产技术较为成熟。为获得较高的性能，技术人员充分利用成熟且获得独立专利的QT800-6 为技术研发平台，深度挖掘铁型覆砂铸造工艺，通过技术创新和拓展，一举生产出性能完全满足客户要求的产品。但是在性能取得成功的同时，铸件的外观质量相对进口件来说较差，表面质量非常不稳定，而且有可能影响到产品的可靠性，生产成本代价过高，同时也受到下级客户的抱怨和不满。

1 现状

该汽车差速器壳单件重量约5.6kg，按照一箱12 件铁型覆砂工艺生产布局，每箱需铁水约110kg，开发以来废品率基本都维持在20%左右，一直未得到改善。零件抛丸后缺陷主要呈孔洞状（图1），大小不一，靠近内浇口成片分布，由气孔和渣眼组成，分布位置相对固定。

图1 渣气孔铸造缺陷

2 原因分析

在产品不良识别中，识别出来的不良缺陷较多，抓住问题重点，制定有效的措施才是关键。根据挑选数据统计，渣气孔占比80%～90%，成为问题攻克的关键点；渣气孔位置分布固定，类似于多年前不经意间改善的某轴承盖的缺陷，初步判定主导缺陷为渣气孔。

杂质的来源比较多，如炉料、合金材料、中频炉及浇注包的耐火材料等。经过研究对比，同样一包铁水浇注不同大小的产品，产品外观质量截然不同，这个结果让解决差速壳夹渣方案和思路更加清晰。产品的大小预示着铸件浇注降温的快慢，铸件越小预示着铁水降温凝固越快，浇注后期，随着铁水温度降低，铁水中的氧、硫、氮等元素溶解度降低，达到饱和析出，以低熔点共晶或化合物形式残留在铸件中[1]。孕育剂和合金添加是球墨铸铁铁水处理的必要手段，为确保获得更好的强度、硬度和延伸率，长久以来，企业在高牌号球墨铸铁生产上大多使用含Al、Ca、Ba 元素的抗衰退孕育剂替代传统的75#硅铁孕育，一直比较成功，但Al、Ca、Ba 这些元素与氧元素具有较强的亲和力，很容易形成非金属氧化夹杂物[1]。特别是在进入铸型前的铁水中的合金不能完全溶解或者析出[1]，与氧气等形成的非金属化合物夹渣风险极大，而Al、Ca、Ba 元素形成的非金属氧化夹杂物绝大部分都是熔点超过2000℃，在铸件上形成硬质点或渣点，造成铸件硬度不均匀，加工性能下降，同时导致铸件应力集中或应力变大，对铸件的力学性能影响较大。

气孔气体的来源比较多，我们结合企业自身产品的结构覆盖面大、结构特性覆盖宽等因素，主要考虑到二次孕育剂回潮，砂芯和铸型吸潮都会导致高温发气气体产生的机率加大。浇注后期，随着铁水温度的降低，气体在铁水中的溶解降低，产生析出性气孔。

通过以上分析认为：这种差速壳属于薄壁小件（6.5kg），铁型覆砂工艺的冷却快的特点，加上二次孕育使用了含Al、Ca、Ba 元素的抗衰退孕育剂，孕育剂中的Al、Ca、Ba 等元素析出或者未溶解形成氧化物的可能性比较大。

3 整改方案

（1）严格控制材料的仓库管理和使用管理，改变以往孕育剂开包即用，开一次用多天的方法，降低回潮和直接使用潮湿材料的风险。增加了原材料的进货把关和使用把关，加装防水、防潮措施，包括包装、贮存密封，使用前加热至50～100℃并保温半小时以上除潮。

（2）严格使用低发气量覆膜砂，改变以前一次性大批量生产，砂芯提前贮存长时间等待排产的现状。控制砂芯贮存周期，将砂芯的使用周期缩短到72 小时。

（3）严格控制铁水等待时间，减少铁水对有害气体的吸收。

（4）一次孕育继续使用3～8mm 含Al、Ca、Ba元素的抗衰退孕育剂装包球化。

（5）综合考虑二次孕育剂中Al、Ca、Ba 元素的活性，减少这些元素对渣气孔的影响[3]，二次孕育剂由0.2～0.8mm 含Al、Ca、Ba 元素的抗衰退孕育剂调整为自制过筛备用的0.5～1mm 的75# 硅铁粉。硅铁粉经过50～100℃充分加热烘烤，保温30min 左右冷却备用，加入量与之前随流孕育用的抗衰退孕育剂加入量相同。

（6）考虑到零件为薄壁件，且外观要求极高，为让孕育剂获得充分的溶解，改浇注随流孕育为球化后转包孕育浇注。

（7）产品不存在高温烧结粘砂问题，浇注温度适当调整，由1400～1440℃调整为1420～1440℃。

（8）充分利用铁型覆砂工艺的冷却特点，将衰退的风险预防控制在浇注前铁水的控制，铁水的浇注期严格控制在6min 内。

4 验证效果

根据以上整改方案完成样件和小批共20 包120 箱，共浇注1433 件（7 个废铸型）。为统一标准，体现整改成效，清理后由原负责半成品和毛坯挑选负责人挑选，并通过加工确认的方式得到反馈单位确认。从整改情况看，原来存在的渣气孔基本消失，产品外观质量大幅提升（如图2），不良率由原来的21.05%下降到整改后的4.85%，达到改进目的。

整改后产品金相检验及性能检验结果表1 所示。