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      球墨鑄鐵縮孔缺陷分析及控制

      來(lái)源: 發(fā)布時(shí)間:2020-03-20

        

        球墨鑄件已廣泛應用于大型模具鑄造領(lǐng)域,是毛坯件常用的生產(chǎn)工藝之一,隨著(zhù)汽車(chē)工業(yè)的迅速發(fā)展,裝備模具需求量逐年增長(cháng),鑄造缺陷的影響也逐步凸顯,常見(jiàn)缺陷有皺皮、變形、縮孔、夾砂和積碳等,本文主要針對球墨鑄件縮孔缺陷進(jìn)行研究。

        1.縮孔的形成及危害

        (1)縮孔產(chǎn)生機理液態(tài)合金鐵液由液態(tài)到固態(tài)過(guò)程中會(huì )出現體積變小現象,經(jīng)歷液態(tài)收縮、凝固收縮、固態(tài)收縮三個(gè)收縮過(guò)程。

        當液態(tài)收縮量與凝固收縮量大于固態(tài)收縮量時(shí)便會(huì )產(chǎn)生縮孔,形狀極不規則,孔壁粗糙并帶有枝狀晶,縮孔分為集中縮孔(簡(jiǎn)稱(chēng)縮孔)和分散縮孔(簡(jiǎn)稱(chēng)縮松)。

        (2)縮孔特點(diǎn)縮孔主要集中在鑄件的上部和后凝固的部位,以及鑄件壁厚懸殊處、凹角圓角半徑小及內澆道附近等凝固較晚或凝固緩慢的部位(稱(chēng)為熱節)?s孔表現出來(lái)的形式主要有4種,即明縮孔、夾角縮孔孔、芯面縮孔、內縮孔,如圖1所示。

      球墨鑄鐵縮孔缺陷分析及控制


        (a)明縮孔(b)夾角縮孔(c)芯面縮孔(d)內縮孔

        圖1 縮孔形式

        (3)縮孔在模具中的危害主要有以下4個(gè)方面:一是減少鑄件的有效承載截面積,甚至造成應力集中而大大降低鑄件的物理和力學(xué)性能;二是鑄件的連續性被破壞,使鑄件的氣密性、抗蝕性等性能顯著(zhù)降低;三是加工后鑄件表面的粗糙度提高,致使制件拉毛;四是縮孔在球墨鑄鐵缺陷中占據很大比例,往往成為不可修復的缺陷,直接造成鑄件報廢,給企業(yè)帶來(lái)巨大的經(jīng)濟損失。

        2. 縮孔缺陷位置

        通過(guò)對以往鑄件失效現象統計分析發(fā)現,球墨鑄鐵縮孔缺陷多發(fā)生于高牌號球墨鑄鐵的以下部位:鑄件的熱節和后凝固部位;承重部位或使用面部位;表面10mm以下部位。如圖2、圖3所示。

      球墨鑄鐵縮孔缺陷分析及控制

        圖2

      球墨鑄鐵縮孔缺陷分析及控制

        圖3

        3. 原因分析

        (1)鑄件熱節和后凝固部位的縮孔鑄件熱節部位多出現在鑄件三面夾角、拐角、直徑小的鑄孔以及壁厚懸殊部位,熱量散發(fā)緩慢或集中到某一點(diǎn),鐵液外層已凝固,但熱節點(diǎn)位置仍處于液態(tài),凝固層逐漸形成枝狀晶并不斷生長(cháng)將尚存的鐵液分割成若干個(gè)互不相同的熔池,隨著(zhù)溫度的降低熱節位置開(kāi)始出現收縮,體積變小,此時(shí)不能得到鐵液補充而凝固后的孔壁粗糙、排滿(mǎn)樹(shù)枝晶的疏松孔,形成大量分散縮孔。

        球墨鑄鐵以糊狀凝固方式由液態(tài)變?yōu)楣虘B(tài),在凝固過(guò)程中會(huì )發(fā)生共晶轉變而析出石墨,石墨的比容大于鐵液因而體積發(fā)生體膨脹,此時(shí)鑄件表面凝固層較薄使鑄型向外移動(dòng)(見(jiàn)圖4),內部空間不能得到鐵液的補充,在后凝固的地方形成不規則的集中縮孔,因此球墨鑄鐵本身的凝固特性使得其極易出現縮孔缺陷。

      球墨鑄鐵縮孔缺陷分析及控制

        圖4

        (2)承重部位或使用面部位目前較多的鑄造廠(chǎng)為了確保鑄件外觀(guān)質(zhì)量的提升,在進(jìn)行工藝設計時(shí),常將鑄件型面(加工面)朝上進(jìn)行造型,在鐵液澆注過(guò)程中,部分氣化不充分或卷入的砂粒等物質(zhì)會(huì )聚集在型面上層,這種方式主要考慮到型面在后期精加工過(guò)程中能夠將表面雜質(zhì)去除。當鑄件型面加工余量不足時(shí),部分鑄件缺陷將留在使用面甚至是重要的承重部位。模具設計中增加加工余量會(huì )給模具增加成本,往往通過(guò)鑄造工藝對縮孔進(jìn)行控制。

        (3)表面10mm以下部位 通過(guò)收集生產(chǎn)現場(chǎng)的16個(gè)班次的碳當量值進(jìn)行過(guò)程能力分析發(fā)現(見(jiàn)圖5),碳當量的調整均符合工藝要求,但整體數值集中在4.4﹪左右,接近下限值,對于無(wú)冒口設計的鑄件而言,含碳量偏低,共晶膨脹力不足,自補能力差,易在表面10mm以下出現內縮孔。

      球墨鑄鐵縮孔缺陷分析及控制


        圖 5

        4.縮孔控制措施

        (1)冒口工藝設計對于集中型縮孔缺陷可采取合理的冒口設計,冒口在澆注系統中的作用就是補償收縮帶來(lái)的體積變化。工藝設計應努力實(shí)現澆注時(shí)冒口處鐵液溫度高,遠離冒口位置溫度低,冒口本身后凝固,達到順序凝固的效果。因此冒口形狀設計應使體積與冷卻表面積的比值達到大,冒口高度大于直徑,同時(shí)還可選取保溫冒口,確保合理的溫度分布(見(jiàn)圖6)。鐵液凝固過(guò)程中因收縮出現的孔洞將由冒口處的鐵液源源不斷地進(jìn)行補充,從而得到致密性較好的鑄件。

      球墨鑄鐵縮孔缺陷分析及控制


        圖6

        (2)冷鐵放置汽車(chē)外形的多樣性決定了汽車(chē)模具的復雜性,因此在鑄造過(guò)程中會(huì )經(jīng)常出現厚大件結構、壁厚懸殊位置、熱節部位,這些位置是冒口和澆注系統難以補縮的地方,應用局部激冷的方式能有效控制縮孔的產(chǎn)生。冷鐵是目前使用較廣的一種方法,主要分為外冷鐵和內冷鐵。外冷鐵主要應用于厚大部位,冷卻速度慢且位置集中的地方,外冷鐵放置時(shí)應注意隔砂厚度,一般在15~30mm冷卻效果。雖然冷鐵自身厚度越大冷卻效果越好,但為了避免出現過(guò)冷現象,冷鐵厚度一般為冷卻位置壁厚的70%,在放置位置上主要應考慮冷鐵間距控制在20~25mm,形成溫度梯度。內冷鐵較多應用于凹角處或凹芯內側,應關(guān)注內冷鐵的除銹、除濕,否則澆注后與鑄件熔合會(huì )影響鑄件性能。

        (3)澆注溫度控制傳統的冒口設計方法提高了鐵液的使用量,增加了生產(chǎn)成本,一些生產(chǎn)企業(yè)開(kāi)始采用無(wú)冒口的工藝設計,這種方法成功避免縮孔的條件是:從澆注到凝固過(guò)程要實(shí)現膨脹量大于收縮量。通過(guò)控制澆注溫度,使鐵液從細薄部位引入,內澆道采用扁薄梯形截面,澆注完畢后能盡早凝固并封閉通道,鑄件內部共晶轉變析出石墨,石墨的比容大于鐵液因而體積發(fā)生體膨脹,砂箱及砂型強度使其產(chǎn)生內壓形成自補縮,進(jìn)而避免了內部縮孔。推薦澆注溫度:薄壁小件為1420~1450℃,中等壁厚件為1400~1420℃,厚大件<1380℃。

        (4)碳當量的控制不管是有冒口還是無(wú)冒口的鑄造工藝,在應用激冷方式的同時(shí)可提高碳當量或設定上限值,隨碳當量的增加,石墨析出量會(huì )加劇,促進(jìn)石墨化膨脹以加強補縮。

        結語(yǔ)

        綜上所述,球墨鑄鐵縮孔缺陷的出現是其凝固特性的結果,需采取適當的措施加以控制。在生產(chǎn)中不能簡(jiǎn)單地說(shuō)哪項控制措施有效,而應根據鑄件的結構特性,采取綜合措施,針對縮孔產(chǎn)生的機理從設計、工藝、生產(chǎn)及品質(zhì)等多方面進(jìn)行控制。


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