飛輪殼是汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)的一個(gè)重要基礎(chǔ)件，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)起著支撐和保護(hù)作用。在使用過(guò)程中，特別是在前置后驅(qū)的重型載貨汽車(chē)及大、中型客車(chē)中，飛輪殼裂損是汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)的一種常見(jiàn)故障。導(dǎo)致該故障的因素較多，材質(zhì)是其中的一個(gè)重要原因。由于生產(chǎn)工藝的問(wèn)題，柴油發(fā)動(dòng)機(jī)飛輪殼均采用灰鑄鐵。在使用過(guò)程中，灰鐵飛輪殼時(shí)有損壞，而且損壞處大多在同一區(qū)域，分析其原因發(fā)現(xiàn)：除使用、維修等方面的原因外，其材質(zhì)造成本體強(qiáng)度不夠高是很重要的一個(gè)原因。球墨鑄鐵飛輪殼一直沒(méi)有得到廣泛應(yīng)用，主要原因是其生產(chǎn)的鑄造毛坯工藝出品率和合格率都很低。我公司適應(yīng)市場(chǎng)的需要，對(duì)鑄件結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和材質(zhì)進(jìn)行了分析和研究，成功開(kāi)發(fā)了球鐵飛輪殼的無(wú)冒口鑄造工藝。

1工藝分析

1.1鑄件簡(jiǎn)介

圖l 為國(guó)產(chǎn)某型汽車(chē)柴油發(fā)動(dòng)機(jī)上的飛輪殼毛坯，材質(zhì)是QT450-10，重65kg。該鑄件結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，壁厚差比較大，薄的部位為8mm，較厚的搭子處達(dá)30mm，多且分散，極易產(chǎn)生縮孔、疏松等缺陷；外形結(jié)構(gòu)復(fù)雜，砂芯制作困難，尺寸難以控制；鑄件采用球墨鑄鐵，極易產(chǎn)生球化不良和夾渣缺陷。由于存在以上問(wèn)題，給鑄造工藝設(shè)計(jì)帶來(lái)了一定難度。

1.2無(wú)冒口工藝的可行性

該鑄件的壁較薄，且壁厚不均勻，要求鑄件表面無(wú)氣孔、砂眼等缺陷，內(nèi)部組織致密、無(wú)縮孔縮松缺陷，試棒的抗拉強(qiáng)度不得低于QT450-10 的標(biāo)準(zhǔn)。若采用傳統(tǒng)的澆冒口補(bǔ)縮的球墨鑄鐵生產(chǎn)方法，需要補(bǔ)縮的部位多且分散，造成工藝出品率低，而且易出現(xiàn)縮孔縮松等缺陷，無(wú)法滿足要求，故研究采用無(wú)冒口澆注工藝。

球鐵無(wú)冒口鑄造與鑄件特性、鑄件結(jié)構(gòu)、澆注系統(tǒng)等因素有關(guān)。首先分析鐵液的特性，球墨鑄鐵件，從鐵液澆人鑄型開(kāi)始，隨鐵液溫度下降就會(huì)產(chǎn)生收縮，稱(chēng)之為液態(tài)收縮；若凝固時(shí)產(chǎn)生奧氏體，還會(huì)產(chǎn)生凝固收縮；在液態(tài)或凝固時(shí)析出石墨球，由于石墨的密度只有奧氏體的三分之一左右，就會(huì)產(chǎn)生體積膨脹。所以，從靜態(tài)分析，若液態(tài)降溫時(shí)的體積收縮量與凝固時(shí)的體積收縮量之和小于石墨化膨脹的體積增加量，即可實(shí)現(xiàn)球鐵件的無(wú)冒口鑄造生產(chǎn)。

要滿足以上要求，必須具備以下條件：

①采用高剛度的鑄型，能夠在鐵液的進(jìn)出口凝固封閉后，型腔尺寸保持不變或者變化量極小；

②在不發(fā)生石墨漂浮的前提下，采用盡可能高的碳當(dāng)量，適當(dāng)?shù)脑杏_保充分石墨化，最大限度地增大石墨化膨脹的體積增加量；

③采用多道內(nèi)澆道，使鐵液分散進(jìn)入型腔，并配合冷鐵調(diào)節(jié)，盡可能使鑄件各部位同時(shí)開(kāi)始、并同步進(jìn)行冷卻和凝固；

④大量使用冷鐵，強(qiáng)化鑄件冷卻，使鐵液進(jìn)入型腔后，鑄件外層迅速冷卻、凝固，在內(nèi)澆道及鑄件心部的液態(tài)通道凝固封閉之前提早完成一部分收縮，形成體積空缺，及時(shí)從液態(tài)通道獲取補(bǔ)縮液體，增大內(nèi)澆道的流量（亦即增大外部補(bǔ)縮量），提高澆注系統(tǒng)的補(bǔ)縮效果；

⑤適當(dāng)降低澆注溫度，減少液態(tài)體積收縮。

另外，該鑄件壁較薄，必須增強(qiáng)鐵液的流動(dòng)性。根據(jù)以上技術(shù)要求，認(rèn)真分析了我公司生產(chǎn)的實(shí)際情況，采用呋喃樹(shù)脂自硬砂造型即可滿足“鑄型高剛度”的條件，其他條件可以根據(jù)具體情況具體沒(méi)計(jì)，故認(rèn)為對(duì)該鑄件采用無(wú)冒口澆注工藝是可行的。

2工藝設(shè)計(jì)

2.1成分分析

由于球狀石墨對(duì)基體的削弱作用很小，故球墨鑄鐵中石墨數(shù)量的多少，對(duì)力學(xué)性能的影響并不顯著，當(dāng)C 含量（質(zhì)量分?jǐn)?shù)，下同）在3.2%～3.9%的范圍內(nèi)變化時(shí)對(duì)力學(xué)性能無(wú)明顯的影響，故在確定C、Si 的含量時(shí)，主要考慮保證其鑄造性能，將CE 選擇在共晶成分左右，此時(shí)鐵液的流動(dòng)性能最好，形成集中縮孔的傾向大，鑄件組織的致密度高。由于鑄件較薄，CE 過(guò)高時(shí)產(chǎn)生石墨漂浮的傾向小，故CE 的選擇在共晶點(diǎn)附近，即4.6%～4.7%（由于球化元素的存在，球鐵的共晶點(diǎn)已移至4.6%～4.8%附近）。Si 含量的高低，直接影響球墨鑄鐵基體中鐵素體的含量。Si 能促進(jìn)石墨化、增加鐵索體含量、細(xì)化石墨、強(qiáng)化基體組織，但Si 提高韌性一脆性轉(zhuǎn)變溫度，降低沖擊韌性。因此，在選定高碳當(dāng)量的前提下應(yīng)采用高C 低Si 的原則，最終確定將Si 含量控制在2.6%～2.8%較合適。

鐵液中P 含量偏高，使凝固范剛廣大，同時(shí)低熔點(diǎn)磷共晶在最后凝固時(shí)得不到補(bǔ)給，并且使鑄件外殼變?nèi)酰虼擞性龃罂s孔、縮松產(chǎn)生的傾向，故P 含量應(yīng)控制在較低值。

RE 殘余量過(guò)高會(huì)惡化石墨形狀，降低球化率，因此RE 含量不宜太高。而Mg 又是一個(gè)強(qiáng)烈穩(wěn)定碳化物的元素，阻礙石墨化。由此可見(jiàn)，殘余Mg 含量及殘余RE 量過(guò)高會(huì)增加球鐵的白口傾向，使石墨膨脹減小，另外當(dāng)它們的含量較高時(shí)，亦會(huì)增加縮孔、縮松傾向，故殘留Mg 含量和RE 含量亦不宜過(guò)高。

根據(jù)以上分析，確定鐵液的成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）為：4.6%～4.8% CE、3.6%—3.8%C、2.6%～2.8% Si、Mn≤0.4%、P≤0.03%、S≤0.03%、0.025%～0.040%Mg 殘、0.020%～0.040% RE 殘。

2.2澆注系統(tǒng)

采用無(wú)冒口工藝澆注球墨鑄鐵，就要力求用盡量低的溫度在盡量短的時(shí)間內(nèi)充滿鑄型，且充型平穩(wěn)。電就是說(shuō)，低溫、底注、平穩(wěn)充型是保證球鐵飛輪殼鑄件品質(zhì)的基本條件，設(shè)計(jì)澆注系統(tǒng)的核心是控制內(nèi)澆道的充型速度。

為了達(dá)到上述目的，采用了半封閉式澆注系統(tǒng)，ΣF 直：ΣF 橫：ΣF 內(nèi)=1.5:2.0:1.0，其中橫澆道和內(nèi)澆道一分為四，呈十字形，鐵液由鑄件中部分散注入鑄型，鐵液進(jìn)入鑄型更加均勻。經(jīng)計(jì)算，ΣF 直=240px2，ΣF 橫=430px2，ΣF 內(nèi)=160px2。采用中間底注、鐵液分散進(jìn)入型腔，整個(gè)澆注過(guò)程中鐵液的流程最短，可縮短澆注時(shí)間，澆注過(guò)程中鐵液溫降最小，可以最大限度的降低澆注溫度，澆注溫度初步確定為(1,380±10)℃。

2.3輔助設(shè)計(jì)

由于采用呋喃樹(shù)脂自硬砂造型，而樹(shù)脂具有一定的發(fā)氣量，為了避免氣孔等缺陷，在鑄件四角處分別設(shè)有出氣孔，用以排氣、集渣，同時(shí)可以改善鐵液的充型狀態(tài)和作為鐵液注滿的標(biāo)志。

圖2 為該球鐵飛輪殼的模樣，基本工藝為中間底注、分散進(jìn)入、四角排氣。

3生產(chǎn)實(shí)踐

采用呋喃樹(shù)脂自硬砂造型、制芯，1t 中頻感應(yīng)電爐熔煉，分兩包澆注，每包6 件，鐵液出爐溫度為1,520～1,540℃，澆注溫度為(1,380±10)℃。采用FeSi Mg8RE5 合金、包內(nèi)沖人法進(jìn)行球化處理，加入量為1.3%。孕育劑為FeSi75，加入量為0.8%。鑄件的球化級(jí)別為3級(jí)，化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）為：3.74%C、2.65%Si、0.35%Mn、0.03%P、0.02%S、0.035% Mg殘，0.033%RE殘。按以上工藝試生產(chǎn)飛輪殼鑄件12 件，經(jīng)機(jī)加工后均未發(fā)現(xiàn)縮孔、縮松、氣孔等鑄造缺陷，試棒的抗拉強(qiáng)度為503.6MPa，伸長(zhǎng)率為14.4%，硬度為HB176，工藝出品率為87.5%。鑄件表面質(zhì)量、力學(xué)性能及內(nèi)在質(zhì)量等均滿足技術(shù)要求。圖3 為經(jīng)過(guò)打磨處理的鑄件，圖4 為機(jī)加工后的成品。

利用這種工藝現(xiàn)已生產(chǎn)該鑄件1,452 件，試棒抗拉強(qiáng)度均在500 MPa 以上，仲長(zhǎng)率最小為13.6%，廢品29 件，主要表現(xiàn)為氣孔、掉砂（砂芯碰撞破損造成）、敲擊損傷（敲擊內(nèi)澆道時(shí)帶傷本體）等，廢品率為2.0%。

4結(jié)束語(yǔ)

針對(duì)球鐵飛輪殼鑄件結(jié)構(gòu)復(fù)雜，壁厚相差較大，易產(chǎn)生縮孔縮松缺陷的特點(diǎn)，通過(guò)嚴(yán)格控制鐵液的化學(xué)成分，提高鐵液的流動(dòng)性，降低鑄件的澆注溫度；中間底注，鐵液分散進(jìn)入型腔。四角排氣，充分排除型腔內(nèi)及澆注過(guò)程中產(chǎn)生的氣體等有效措施，成功生產(chǎn)了柴油發(fā)動(dòng)機(jī)球墨鑄鐵飛輪殼鑄件，采用無(wú)冒口工藝實(shí)現(xiàn)了極高的工藝出品率和較高的產(chǎn)品合格率。