振動(dòng)澆注在精鑄工藝中的試驗(yàn)研究--2.doc

振動(dòng)澆注在精鑄工藝中的試驗(yàn)研究肖海波 藍(lán)勇（東風(fēng)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(dòng)工藝下鑄件缺陷及組織性能的變化，并對(duì)鑄造缺陷、力學(xué)性能及微觀組織進(jìn)行了分析。結(jié)果表明：在澆注及凝固過程中施加合理的振動(dòng)工藝，不一定能細(xì)化晶粒，提高力學(xué)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(guān)鍵詞：振動(dòng)澆注；熔模鑄造；細(xì)化晶粒；裂紋；縮孔縮松；中圖分類號(hào)：TG244+.2 文獻(xiàn)標(biāo)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(jiǎn)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(shù)開發(fā)與應(yīng)用工作，電話單位：東風(fēng)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(yán)重影響鑄件品質(zhì)，長(zhǎng)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(jié)構(gòu)、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(jié)構(gòu)復(fù)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(jiǎn)單的機(jī)械振動(dòng)獲得細(xì)化晶粒的結(jié)果以來，振動(dòng)凝固技術(shù)已在晶粒細(xì)化、除氣除渣、降低鑄造殘余應(yīng)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(jìn)展, 從而達(dá)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(jiǎn)便，設(shè)備精度要求低，提高鑄件質(zhì)量效果明顯，在實(shí)際生產(chǎn)中，已引起了人們的廣泛關(guān)注。 本文結(jié)合東風(fēng)精密鑄造有限公司高廢、高返修產(chǎn)品實(shí)際情況，針對(duì)不同結(jié)構(gòu)鑄件，在澆注及凝固過程中施加振動(dòng)工藝，研究了振動(dòng)參數(shù)對(duì)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(yàn)方法公司59/60等極端件產(chǎn)品采用現(xiàn)有結(jié)構(gòu)及澆注系統(tǒng)設(shè)計(jì)，渣氣孔、縮孔縮松等缺陷噬待解決。59/60蠟?zāi)＝M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(dá)60%，而且該產(chǎn)品為公司長(zhǎng)線產(chǎn)品，產(chǎn)量較高，返修浪費(fèi)十分嚴(yán)重。圖1 59/60蠟?zāi)＜拌T件Fig1 wax pattern and casting of 59/60試驗(yàn)在750kg中頻感應(yīng)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(dòng)平臺(tái)砂箱里，在正常澆注及凝固過程中實(shí)施振動(dòng)工藝。完成清砂、落件、拋丸等工序后，對(duì)鑄件進(jìn)行X、磁粉探傷等缺陷檢測(cè)，然后取樣進(jìn)行硬度測(cè)試、金相觀察、基爾試棒熱處理及機(jī)械性能測(cè)試，分析振動(dòng)工藝對(duì)鑄件缺陷及組織性能的影響。表1 ZGD410-700化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%）Table1 Chemical compositions of ZGD4100-700 (wt%)牌號(hào)CSiMnSPCr殘余元素ZGD410-7000.27-0.340.8-1.10.9-1.20.0350.0350.5-0.81.02. 試驗(yàn)結(jié)果及分析2.1 振動(dòng)頻率對(duì)鑄件缺陷的影響當(dāng)澆注溫度為1580-1620，振幅為0.5-1.0mm, 振動(dòng)時(shí)間為4-6min時(shí),不同振動(dòng)頻率對(duì)59/60鑄件缺陷的影響如下圖所示。從圖2中標(biāo)記中可以看出，未施加振動(dòng)時(shí)，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(yán)重，鑄件整體表面粗糙，外觀質(zhì)量較差；當(dāng)振動(dòng)頻率為25HZ時(shí)，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(dá)到檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)；當(dāng)振動(dòng)頻率為50HZ時(shí)，鑄件裂紋十分嚴(yán)重，從顏色上判斷為鑄造裂紋，應(yīng)當(dāng)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(dòng)時(shí)，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(qiáng)度，而在合金熔體內(nèi)部形成較大的溫度梯度，特別是對(duì)于極端薄壁結(jié)構(gòu)件，氧化夾渣、氣體等難以上浮，就在拐角處聚集， 施加機(jī)械振動(dòng)后，通過外部能量傳輸，合金熔體流動(dòng)阻力減弱，提高了鋼水的充型及澆冒口的補(bǔ)縮能力，渣氣孔能夠充分?jǐn)U散、上浮至澆注系統(tǒng)，同時(shí)由于外部能量的作用在凝固過程中抵消掉鑄造應(yīng)力，從而減少了鑄造渣縮松及裂紋缺陷。但是隨著振動(dòng)頻率增加至50HZ，振動(dòng)使固液界面前沿液相一側(cè)的溫度梯度下降, 其下降量隨共振頻率的提高而減少。振動(dòng)使固液界面生長(zhǎng)速度下降2，故在相同的振動(dòng)時(shí)間內(nèi)熔體在固液相轉(zhuǎn)變界面能量富集，凝固強(qiáng)度難以形成，液相凝固薄膜隨時(shí)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(jié)構(gòu)交匯處，冷卻較慢，棱邊首先凝固收縮產(chǎn)生拉應(yīng)力，在外界振動(dòng)附加作用下強(qiáng)化了裂紋敏感性。圖2、靜態(tài)時(shí)鑄件Fig2 The casting in static state圖3、振動(dòng)頻率為25HZ Fig3 Vibration frequency is 25 HZ圖4、振動(dòng)頻率為50HZ Fig4 Vibration frequency is 50 HZ2.2 振動(dòng)時(shí)間對(duì)鑄件缺陷的影響當(dāng)澆注溫度為1580-1620，振幅為0.5-1.0mm，振動(dòng)頻率為50HZ時(shí)，不同振動(dòng)時(shí)間對(duì)59/60鑄件缺陷的影響如圖3所示。從圖5中可以看出，當(dāng)振動(dòng)時(shí)間為1 -3min時(shí)，與圖2對(duì)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(jié)果（見圖6）表明鑄件質(zhì)量合格，達(dá)到檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)；當(dāng)振動(dòng)時(shí)間為4-6min時(shí)，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(dāng)振動(dòng)頻率確定時(shí)，對(duì)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(dòng)時(shí)間延長(zhǎng)，當(dāng)鑄件本體處在液相向固相轉(zhuǎn)變后期時(shí)還在振動(dòng)時(shí)，外界能量作用必然使剛由液相轉(zhuǎn)變?yōu)楣滔嗟娜廴趹B(tài)熔體局部發(fā)生撕裂，進(jìn)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(dòng)參數(shù)時(shí)，應(yīng)當(dāng)充分兼顧澆注速率及鑄件凝固速率的影響。圖5、振動(dòng)時(shí)間為1-3minFig5 Vibration time for 1 to 3 minutes圖6、鑄件X探傷結(jié)果Fig6 Casting X inspection results2.3 振動(dòng)凝固對(duì)組織性能的影響當(dāng)澆注溫度為1580-1620，振幅為0.5-1.0mm, 振動(dòng)頻率為50HZ，振動(dòng)時(shí)間為1-3min時(shí)，圖4和圖5分別是靜態(tài)和施加機(jī)械振動(dòng)后試樣在光學(xué)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(duì)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(yàn)條件下施加機(jī)械振動(dòng)與否對(duì)鑄件鑄態(tài)組織細(xì)化沒有明顯的作用，對(duì)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(dòng)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(jī)械振動(dòng)與未振動(dòng)時(shí)的基爾試棒在熱處理后的力學(xué)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(dòng)的試樣強(qiáng)度比振動(dòng)后試樣高30Mpa，延伸率相當(dāng)；金相組織均為F+P，綜合性能結(jié)果來看，在澆注凝固過程中施加機(jī)械振動(dòng)與否并不一定能夠提高鑄件力學(xué)性能。表2 ZGD410-700力學(xué)性能Table2 The mechanical properties of ZGD4100-700編號(hào)抗拉強(qiáng)度屈服強(qiáng)度延伸率硬度(HB)熱處理金相振動(dòng)時(shí)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(gè)以上平均值。大野篤美1通過實(shí)驗(yàn), 得出振動(dòng)條件下，液面最易振動(dòng)的結(jié)論，而隨著離液面距離越遠(yuǎn)，振動(dòng)越弱。因此認(rèn)為，振動(dòng)對(duì)澆注系統(tǒng)內(nèi)合金液影響最大，補(bǔ)縮充型效果也較好，而對(duì)鑄件本體在晶粒細(xì)化方面作用就相對(duì)較弱，而且機(jī)械振動(dòng)頻率較低，只有幾十赫茲，振動(dòng)能量有限，起到的作用距離也有限。另外由于機(jī)械振動(dòng)通常為垂直振動(dòng)，如果枝晶生長(zhǎng)方向與振動(dòng)方向平行，振動(dòng)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(xì)化效果也難以顯現(xiàn)。所以，在現(xiàn)有試驗(yàn)條件下，振動(dòng)與否對(duì)鑄件組織及性能沒有明顯作用，但是對(duì)于鑄件缺陷及質(zhì)量改善有顯著作用。3. 結(jié)論1）在振動(dòng)頻率為25HZ，振動(dòng)時(shí)間為4-6min時(shí)，或在振動(dòng)頻率為50HZ，振動(dòng)時(shí)間為1-3min時(shí)，59/60鑄件渣