振動澆注在精鑄工藝中的試驗研究--2.doc

振動澆注在精鑄工藝中的試驗研究肖海波 藍勇（東風精密鑄造有限公司，湖北十堰 442714）摘要：研究了熔模鑄鋼件在不同振動工藝下鑄件缺陷及組織性能的變化，并對鑄造缺陷、力學性能及微觀組織進行了分析。結果表明：在澆注及凝固過程中施加合理的振動工藝，不一定能細化晶粒，提高力學性能，但可以有效的減少鑄件渣氣孔，降低裂紋、縮孔縮松傾向，改善鑄件品質(zhì)。關鍵詞：振動澆注；熔模鑄造；細化晶粒；裂紋；縮孔縮松；中圖分類號：TG244+.2 文獻標志碼：AThe test research of Vibration casting on investment casting processXIAO Haibo LAN Yong(Dongfeng Investment Casting Co.,Ltd.,Shiyan Hubei 442714,China;)Abstract:Researching the changes of the casting defects and the structure and properties of investment casting steel parts on different vibration technology,and analysing the casting defects mechanical properties and microstructure.The results show that choosing reasonable vibration technology, can not refining grain sizes and improving the mechanical properties, but can effectively reduce casting slag holes, lower the crack and the shrinkage porosity tendency, improve casting quality in the casting and solidification process.Key words: vibration casting; investment casting; refining grain; crack; shrinkage porosity作者簡介：肖海波，男，1984，湖北十堰，碩士，助理工程師，主要從事高性能精鑄材料及工藝技術開發(fā)與應用工作，電話單位：東風精密鑄造有限公司，E-mail:引言裂紋及縮孔縮松等缺陷是鑄鋼件生產(chǎn)中的兩大難題，危害極大，嚴重影響鑄件品質(zhì)，長期以來困擾著廣大鑄造工作者。而且這兩種缺陷的消除需要綜合考慮產(chǎn)品結構、澆注系統(tǒng)、澆注溫度、冷卻速度等工藝因素，在精鑄件生產(chǎn)中較為普遍，尤其在極端件、結構復雜件、多熱節(jié)鑄件中表現(xiàn)更為突出。自從1868 年切爾諾夫在鋼錠凝固過程中施加簡單的機械振動獲得細化晶粒的結果以來，振動凝固技術已在晶粒細化、除氣除渣、降低鑄造殘余應力、減少偏析、減少裂紋及縮孔縮松缺陷等方面取得了重大進展, 從而達到改善和提高鑄件綜合性能的目的1-3。由于該方法操作簡便，設備精度要求低，提高鑄件質(zhì)量效果明顯，在實際生產(chǎn)中，已引起了人們的廣泛關注。 本文結合東風精密鑄造有限公司高廢、高返修產(chǎn)品實際情況，針對不同結構鑄件，在澆注及凝固過程中施加振動工藝，研究了振動參數(shù)對鑄件品質(zhì)及性能的影響，從而有效的減少了渣氣孔、裂紋及縮孔縮松缺陷。1試驗方法公司59/60等極端件產(chǎn)品采用現(xiàn)有結構及澆注系統(tǒng)設計，渣氣孔、縮孔縮松等缺陷噬待解決。59/60蠟模組數(shù)工藝及鑄件缺陷情況如圖1所示，渣氣孔、裂紋等缺陷高達60%，而且該產(chǎn)品為公司長線產(chǎn)品，產(chǎn)量較高，返修浪費十分嚴重。圖1 59/60蠟模及鑄件Fig1 wax pattern and casting of 59/60試驗在750kg中頻感應爐按照ZGD410-700成分（見表1）熔煉鋼水，選用59/60薄型殼，型殼采用熔模鑄造方法制備，經(jīng)焙燒后，放置于振動平臺砂箱里，在正常澆注及凝固過程中實施振動工藝。完成清砂、落件、拋丸等工序后，對鑄件進行X、磁粉探傷等缺陷檢測，然后取樣進行硬度測試、金相觀察、基爾試棒熱處理及機械性能測試，分析振動工藝對鑄件缺陷及組織性能的影響。表1 ZGD410-700化學成分（質(zhì)量分數(shù)，%）Table1 Chemical compositions of ZGD4100-700 (wt%)牌號CSiMnSPCr殘余元素ZGD410-7000.27-0.340.8-1.10.9-1.20.0350.0350.5-0.81.02. 試驗結果及分析2.1 振動頻率對鑄件缺陷的影響當澆注溫度為1580-1620，振幅為0.5-1.0mm, 振動時間為4-6min時,不同振動頻率對59/60鑄件缺陷的影響如下圖所示。從圖2中標記中可以看出，未施加振動時，59/60鑄件返修焊疤位置很明顯，特別是拐角處縮松、裂紋等缺陷尤為嚴重，鑄件整體表面粗糙，外觀質(zhì)量較差；當振動頻率為25HZ時，如圖3所示，鑄件經(jīng)拋丸后表面質(zhì)量顯著改善，在多處拐角極易出現(xiàn)渣氣孔及縮松位置處過度圓滑，消除了鑄造裂紋，并經(jīng)X、磁粉探傷，鑄件內(nèi)部質(zhì)量達到檢驗標準；當振動頻率為50HZ時，鑄件裂紋十分嚴重，從顏色上判斷為鑄造裂紋，應當是在凝固后期形成，而且位置比較固定，均在圓角過渡與筋交匯處，如圖4所示。未施加振動時，合金熔體通過型殼單向散熱，造成鑄型四周熔體溫度要低于內(nèi)部的溫度，先行凝固形成強度，而在合金熔體內(nèi)部形成較大的溫度梯度，特別是對于極端薄壁結構件，氧化夾渣、氣體等難以上浮，就在拐角處聚集， 施加機械振動后，通過外部能量傳輸，合金熔體流動阻力減弱，提高了鋼水的充型及澆冒口的補縮能力，渣氣孔能夠充分擴散、上浮至澆注系統(tǒng)，同時由于外部能量的作用在凝固過程中抵消掉鑄造應力，從而減少了鑄造渣縮松及裂紋缺陷。但是隨著振動頻率增加至50HZ，振動使固液界面前沿液相一側的溫度梯度下降, 其下降量隨共振頻率的提高而減少。振動使固液界面生長速度下降2，故在相同的振動時間內(nèi)熔體在固液相轉變界面能量富集，凝固強度難以形成，液相凝固薄膜隨時被撕裂，直至凝固完成，形成裂紋。圖4中裂紋產(chǎn)生位置為T型筋結構交匯處，冷卻較慢，棱邊首先凝固收縮產(chǎn)生拉應力，在外界振動附加作用下強化了裂紋敏感性。圖2、靜態(tài)時鑄件Fig2 The casting in static state圖3、振動頻率為25HZ Fig3 Vibration frequency is 25 HZ圖4、振動頻率為50HZ Fig4 Vibration frequency is 50 HZ2.2 振動時間對鑄件缺陷的影響當澆注溫度為1580-1620，振幅為0.5-1.0mm，振動頻率為50HZ時，不同振動時間對59/60鑄件缺陷的影響如圖3所示。從圖5中可以看出，當振動時間為1 -3min時，與圖2對比，鑄件表面質(zhì)量顯著改善，在拐角減少了渣氣孔，消除了縮松及裂紋缺陷，X探傷結果（見圖6）表明鑄件質(zhì)量合格，達到檢驗標準；當振動時間為4-6min時，鑄件不同位置分別出現(xiàn)了裂紋特別是拐角及圓弧過渡處，如圖4所示，裂紋顏色為灰黑色，說明裂紋是在鑄造凝固過程中產(chǎn)生的。當振動頻率確定時，對于同種材質(zhì)同種鑄件同等生產(chǎn)條件下，冷卻速度一致，隨著振動時間延長，當鑄件本體處在液相向固相轉變后期時還在振動時，外界能量作用必然使剛由液相轉變?yōu)楣滔嗟娜廴趹B(tài)熔體局部發(fā)生撕裂，進而在凝固之后形成裂紋，特別是圓弧過渡較大或凝固較慢還處于液固兩相區(qū)的位置。故在制定振動參數(shù)時，應當充分兼顧澆注速率及鑄件凝固速率的影響。圖5、振動時間為1-3minFig5 Vibration time for 1 to 3 minutes圖6、鑄件X探傷結果Fig6 Casting X inspection results2.3 振動凝固對組織性能的影響當澆注溫度為1580-1620，振幅為0.5-1.0mm, 振動頻率為50HZ，振動時間為1-3min時，圖4和圖5分別是靜態(tài)和施加機械振動后試樣在光學顯微鏡下100倍鑄態(tài)顯微組織。從圖中可以明顯看出，組織均為鑄態(tài)組織，晶粒十分粗大，兩種鑄態(tài)組織對比，晶粒度大小相似，沒有明顯的區(qū)別，組織均勻程度相差不大，沒有明顯的組織偏析及微觀夾雜缺陷，兩者鑄態(tài)組織上沒有本質(zhì)的差異。說明現(xiàn)有試驗條件下施加機械振動與否對鑄件鑄態(tài)組織細化沒有明顯的作用，對于微觀夾雜沒有明顯改善。 圖4 靜態(tài)鑄態(tài)組織100 圖5 振動后鑄態(tài)組織100Fig4 casting microstructure in static state Fig5 casting microstructure after vibration表2列舉了施加機械振動與未振動時的基爾試棒在熱處理后的力學性能數(shù)據(jù)及金相組織，從表中數(shù)據(jù)可以看出，未振動的試樣強度比振動后試樣高30Mpa，延伸率相當；金相組織均為F+P，綜合性能結果來看，在澆注凝固過程中施加機械振動與否并不一定能夠提高鑄件力學性能。表2 ZGD410-700力學性能Table2 The mechanical properties of ZGD4100-700編號抗拉強度屈服強度延伸率硬度(HB)熱處理金相振動時間176551521.5211920正火F+P未振273048022189920正火F+P1-3min注：以上性能數(shù)據(jù)均為三個以上平均值。大野篤美1通過實驗, 得出振動條件下，液面最易振動的結論，而隨著離液面距離越遠，振動越弱。因此認為，振動對澆注系統(tǒng)內(nèi)合金液影響最大，補縮充型效果也較好，而對鑄件本體在晶粒細化方面作用就相對較弱，而且機械振動頻率較低，只有幾十赫茲，振動能量有限，起到的作用距離也有限。另外由于機械振動通常為垂直振動，如果枝晶生長方向與振動方向平行，振動過程中樹枝晶斷裂可能性較小，即使斷裂也是粗大塊狀，晶粒細化效果也難以顯現(xiàn)。所以，在現(xiàn)有試驗條件下，振動與否對鑄件組織及性能沒有明顯作用，但是對于鑄件缺陷及質(zhì)量改善有顯著作用。3. 結論1）在振動頻率為25HZ，振動時間為4-6min時，或在振動頻率為50HZ，振動時間為1-3min時，59/60鑄件渣