张立军
陕西法士特齿轮有限责任公司 陕西宝鸡 722409
摘要：要想预防球墨铸铁活塞环发生铸造缺陷，应当从实际情况出发，采取有效的工艺措施，减少贴水氧化膜的结膜温度，降低其干扰性。在发动机运行中，活塞环是不可缺少的重要部件之一，它应具备耐磨、强度高等优点。目前，随着发动机正呈现向高负荷方向的发展，人们对活塞环的使用性能也在逐渐提高，由于球墨铸铁性能相对较好，所以用球墨铸铁制造的活塞环也逐渐增多。鉴于此，本文主要分析球墨铸铁工艺。
关键词：球墨；铸铁工艺；措施
1、球墨铸铁的凝固特征
在球墨铸铁活塞环材料中，含碳质量分数为 4.9% 左右，它属于共晶成分的一种。众所周知，过共晶成分的铁水经过球化处理之后，在冷却作用下呈现球状的石墨晶核，并且逐渐长大。当铁水温度降到一定程度的时候，液态奥体体层便会随之凝固，铁水中的碳原子利用奥氏体壳进入石墨内，加快石墨的生长速度，与此同时，铁原子通过石墨界面分散开来，从一定程度上增加了奥氏体壳的厚度和性能。在这一运行期间，碳原子运行速度一般。
灰铸铁和球墨铸铁的冷却曲线如图 1 所示。
图1
图 1 明确显示了球墨铸铁的凝固情况。从中得出，在共晶凝固过程中，碳原子朝着石墨球扩散较为困难，并且球铁的导热系数和灰铸铁相比较而言，要小很多，散热慢，只有依靠增加过冷度来发展，进而扩大石墨球。从开始凝固到停止环节中，温度范围较宽，铸件表面凝固之后，仍然存有液体。从实际情况来看，整个铸件内部呈现糊形，它并不是完全固态的外壳。球铁的共晶转变过程，只能够在低温下开展，从中可以看出，这一球铁的特点是生长率不高，和共晶团相比较来说，要细得多，并且没有连贯性，整个铸铁断面呈现相互依存的现状，这就是所谓的糊状凝固。
从上面论述可以看出，球铁件的凝固特点，除了铸件表面层次之外，同时还在铸件内部凝固，这样一来，就导致铸件在凝固期间，通道堵塞，引起球铁铸造缺陷性问题。
2、球铁的热处理
球铁的机械性能主要取决于金属基体，通过热处理改变基体组织可以显著改善球铁的机械性能。控制不同的加热温度和保温时间可以获得不同比例铁素体和珠光体基体，从而可大幅调整球铁的机械性能。球铁主要热处理工艺有：退火、正火、调质和等温淬火。
2.1、高温退火
用 Mg 处理的球铁形成白口的倾向性大，铸态组织中常出现莱氏体和自由渗碳体，需进行高温石墨化退火。退火工艺：铸件加热到 900 ℃~950 ℃，保温1 h~4 h，进行第一阶段石墨化，然后炉冷至 720 ℃~780 ℃，保温 2 h～8 h，进行第二阶段石墨化。
2.2、低温退火
当铸态球铁组织只有铁素体、珠光体及球状石墨而无自由渗碳体时，为了获得高韧性铁素体球铁，可采用低温退火。退火工艺：720 ℃~760 ℃保温 3 h~6 h，随炉缓冷至 600 ℃，出炉空冷，使珠光体中渗碳体发生石墨化分解。
2.3、正火
正火的目的是使铸态下的铁素体 - 珠光体转变为珠光体球铁，并细化组织，以提高球铁的强度、硬度和耐磨性。分为高温正火和低温正火。高温正火：800 ℃~950 ℃保温 1 h~3 h，出炉空冷。正火冷却易产生内应力，故球化正火后需进行回火消除，一般 550 ℃~600 ℃保温 2 h~4 h 时空冷。低温正火：820 ℃~860 ℃保温 1 h~4 h。
2.4、调质处理
将球铁加热到 850 ℃~900 ℃保温 2 h~4 h 油淬，再经 550 ℃~600 ℃，回火 4 h~6 h 得到回火索氏体 + 球状石墨组织。目的是得到高强度和韧性的球铁，其综合性能比正火还高。一般适用于截面较大、受力复杂连杆、曲轴等重要机器零件。目的：得到高强度、高韧性的球铁。
2.5、等温淬火
将铸件加热到 850 ℃~920 ℃保温后立即投入250 ℃~350 ℃的硝酸盐中等温 30 min~90 min，使过冷奥氏体转变为下贝氏体。等温淬火后应进行低温回火，以进一步提高球铁的强韧性。等温淬火适用于截面不大但受力复杂的齿轮、曲轴、凸轮轴等重要机器零件。
3、铸造工艺设计
3.1、浇注位置和分型面的确定
为便于砂芯的固定、下芯后的壁厚尺寸检查、砂芯的通气以及保证铸件尺寸精度， 铸件浇注时水平放置，分型面设在铸件中部，见图1。
3.3、浇注系统设计
采用半封闭中间注入式浇注系统， 保证浇注时浇注系统能挡渣，
铁水充型平稳；设置 8 道扁薄分散的内浇道， 这样可避免因铁水冲击产生铸局部过热。 通过查表法[1]确定单个内浇道尺寸为 65mm×10mm，共 8 个内浇口，总截面积 52 cm2；横浇道总截面积为 71.5 cm2； 直浇道尺寸为 准90 mm， 截面积 63.6cm2；浇注系统截面比例 ΣA直: ΣA 横 : ΣA 内 =1.2 : 1.4 :1。 齿轮箱体砂芯及浇注系统见图2。
3.4、冒口和冷铁设计
为了铸件能均衡凝固， 防止铸件厚大部位产生缩孔、缩松缺陷，在铸件的厚大部分设置冷铁激冷，冷铁厚度取铸件壁厚的 0.6～0.8 倍， 冷铁放置位置见图2。因铸件尺寸和壁厚均较大， 符合不放冒口铸造的条件， 所以除各法兰顶部和铸件最高处设置出气冒口外，铸件未设置补缩冒口。
3.5、工艺参数
（1） 其他铸造工艺参数由于铸件尺寸较大， 铸件加工后可能造成法兰壁厚不均现象。 所以，在各法兰背面设置 4mm 的工艺补正量来防止此问题的出现。铸件缩尺为 1%，在铸型分型面上设置 1mm 的分型负数。（2） 浇注工艺与开箱工艺浇注温度控制在 1370～1400℃，浇注时间控制在 45～65s，浇注时人工挡渣，人工点火引气。 铸件浇注 1h 后松开砂箱的紧固螺栓，24h 后开箱落砂。按上述工艺批量生产铸件。 经过超声波探伤和机加工验证，未发现铸造缺陷，再经过水压试验，没发现有泵漏现象， 因此产品质量符合技术规定及客户的要求。
总之，球铁的生产主要难点是成分和温度的有效控制，通过合理的原材料配比和合理的球化工艺，就可以得到相应要求的球铁。
参考文献：
[1]武惠敏,张凤清.球墨铸铁工艺探析[J].铸造设备与工艺,2017(05):15-17+20.
论文作者:张立军
论文发表刊物:《防护工程》2018年第10期
论文发表时间:2018/9/19
标签：铸件论文; 正火论文; 石墨论文; 球墨铸铁论文; 球铁论文; 工艺论文; 珠光体论文; 《防护工程》2018年第10期论文;