振动浇注在精铸工艺中的试验研究--2.doc

振动浇注在精铸工艺中的试验研究肖海波 蓝勇（东风精密铸造有限公司，湖北十堰 442714）摘要：研究了熔模铸钢件在不同振动工艺下铸件缺陷及组织性能的变化，并对铸造缺陷、力学性能及微观组织进行了分析。结果表明：在浇注及凝固过程中施加合理的振动工艺，不一定能细化晶粒，提高力学性能，但可以有效的减少铸件渣气孔，降低裂纹、缩孔缩松倾向，改善铸件品质。关键词：振动浇注；熔模铸造；细化晶粒；裂纹；缩孔缩松；中图分类号：TG244+.2 文献标志码：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作者简介：肖海波，男，1984，湖北十堰，硕士，助理工程师，主要从事高性能精铸材料及工艺技术开发与应用工作，电话单位：东风精密铸造有限公司，E-mail:引言裂纹及缩孔缩松等缺陷是铸钢件生产中的两大难题，危害极大，严重影响铸件品质，长期以来困扰着广大铸造工作者。而且这两种缺陷的消除需要综合考虑产品结构、浇注系统、浇注温度、冷却速度等工艺因素，在精铸件生产中较为普遍，尤其在极端件、结构复杂件、多热节铸件中表现更为突出。自从1868 年切尔诺夫在钢锭凝固过程中施加简单的机械振动获得细化晶粒的结果以来，振动凝固技术已在晶粒细化、除气除渣、降低铸造残余应力、减少偏析、减少裂纹及缩孔缩松缺陷等方面取得了重大进展, 从而达到改善和提高铸件综合性能的目的1-3。由于该方法操作简便，设备精度要求低，提高铸件质量效果明显，在实际生产中，已引起了人们的广泛关注。 本文结合东风精密铸造有限公司高废、高返修产品实际情况，针对不同结构铸件，在浇注及凝固过程中施加振动工艺，研究了振动参数对铸件品质及性能的影响，从而有效的减少了渣气孔、裂纹及缩孔缩松缺陷。1试验方法公司59/60等极端件产品采用现有结构及浇注系统设计，渣气孔、缩孔缩松等缺陷噬待解决。59/60蜡模组数工艺及铸件缺陷情况如图1所示，渣气孔、裂纹等缺陷高达60%，而且该产品为公司长线产品，产量较高，返修浪费十分严重。图1 59/60蜡模及铸件Fig1 wax pattern and casting of 59/60试验在750kg中频感应炉按照ZGD410-700成分（见表1）熔炼钢水，选用59/60薄型壳，型壳采用熔模铸造方法制备，经焙烧后，放置于振动平台砂箱里，在正常浇注及凝固过程中实施振动工艺。完成清砂、落件、抛丸等工序后，对铸件进行X、磁粉探伤等缺陷检测，然后取样进行硬度测试、金相观察、基尔试棒热处理及机械性能测试，分析振动工艺对铸件缺陷及组织性能的影响。表1 ZGD410-700化学成分（质量分数，%）Table1 Chemical compositions of ZGD4100-700 (wt%)牌号CSiMnSPCr残余元素ZGD410-7000.27-0.340.8-1.10.9-1.20.0350.0350.5-0.81.02. 试验结果及分析2.1 振动频率对铸件缺陷的影响当浇注温度为1580-1620，振幅为0.5-1.0mm, 振动时间为4-6min时,不同振动频率对59/60铸件缺陷的影响如下图所示。从图2中标记中可以看出，未施加振动时，59/60铸件返修焊疤位置很明显，特别是拐角处缩松、裂纹等缺陷尤为严重，铸件整体表面粗糙，外观质量较差；当振动频率为25HZ时，如图3所示，铸件经抛丸后表面质量显著改善，在多处拐角极易出现渣气孔及缩松位置处过度圆滑，消除了铸造裂纹，并经X、磁粉探伤，铸件内部质量达到检验标准；当振动频率为50HZ时，铸件裂纹十分严重，从颜色上判断为铸造裂纹，应当是在凝固后期形成，而且位置比较固定，均在圆角过渡与筋交汇处，如图4所示。未施加振动时，合金熔体通过型壳单向散热，造成铸型四周熔体温度要低于内部的温度，先行凝固形成强度，而在合金熔体内部形成较大的温度梯度，特别是对于极端薄壁结构件，氧化夹渣、气体等难以上浮，就在拐角处聚集， 施加机械振动后，通过外部能量传输，合金熔体流动阻力减弱，提高了钢水的充型及浇冒口的补缩能力，渣气孔能够充分扩散、上浮至浇注系统，同时由于外部能量的作用在凝固过程中抵消掉铸造应力，从而减少了铸造渣缩松及裂纹缺陷。但是随着振动频率增加至50HZ，振动使固液界面前沿液相一侧的温度梯度下降, 其下降量随共振频率的提高而减少。振动使固液界面生长速度下降2，故在相同的振动时间内熔体在固液相转变界面能量富集，凝固强度难以形成，液相凝固薄膜随时被撕裂，直至凝固完成，形成裂纹。图4中裂纹产生位置为T型筋结构交汇处，冷却较慢，棱边首先凝固收缩产生拉应力，在外界振动附加作用下强化了裂纹敏感性。图2、静态时铸件Fig2 The casting in static state图3、振动频率为25HZ Fig3 Vibration frequency is 25 HZ图4、振动频率为50HZ Fig4 Vibration frequency is 50 HZ2.2 振动时间对铸件缺陷的影响当浇注温度为1580-1620，振幅为0.5-1.0mm，振动频率为50HZ时，不同振动时间对59/60铸件缺陷的影响如图3所示。从图5中可以看出，当振动时间为1 -3min时，与图2对比，铸件表面质量显著改善，在拐角减少了渣气孔，消除了缩松及裂纹缺陷，X探伤结果（见图6）表明铸件质量合格，达到检验标准；当振动时间为4-6min时，铸件不同位置分别出现了裂纹特别是拐角及圆弧过渡处，如图4所示，裂纹颜色为灰黑色，说明裂纹是在铸造凝固过程中产生的。当振动频率确定时，对于同种材质同种铸件同等生产条件下，冷却速度一致，随着振动时间延长，当铸件本体处在液相向固相转变后期时还在振动时，外界能量作用必然使刚由液相转变为固相的熔融态熔体局部发生撕裂，进而在凝固之后形成裂纹，特别是圆弧过渡较大或凝固较慢还处于液固两相区的位置。故在制定振动参数时，应当充分兼顾浇注速率及铸件凝固速率的影响。图5、振动时间为1-3minFig5 Vibration time for 1 to 3 minutes图6、铸件X探伤结果Fig6 Casting X inspection results2.3 振动凝固对组织性能的影响当浇注温度为1580-1620，振幅为0.5-1.0mm, 振动频率为50HZ，振动时间为1-3min时，图4和图5分别是静态和施加机械振动后试样在光学显微镜下100倍铸态显微组织。从图中可以明显看出，组织均为铸态组织，晶粒十分粗大，两种铸态组织对比，晶粒度大小相似，没有明显的区别，组织均匀程度相差不大，没有明显的组织偏析及微观夹杂缺陷，两者铸态组织上没有本质的差异。说明现有试验条件下施加机械振动与否对铸件铸态组织细化没有明显的作用，对于微观夹杂没有明显改善。 图4 静态铸态组织100 图5 振动后铸态组织100Fig4 casting microstructure in static state Fig5 casting microstructure after vibration表2列举了施加机械振动与未振动时的基尔试棒在热处理后的力学性能数据及金相组织，从表中数据可以看出，未振动的试样强度比振动后试样高30Mpa，延伸率相当；金相组织均为F+P，综合性能结果来看，在浇注凝固过程中施加机械振动与否并不一定能够提高铸件力学性能。表2 ZGD410-700力学性能Table2 The mechanical properties of ZGD4100-700编号抗拉强度屈服强度延伸率硬度(HB)热处理金相振动时间176551521.5211920正火F+P未振273048022189920正火F+P1-3min注：以上性能数据均为三个以上平均值。大野笃美1通过实验, 得出振动条件下，液面最易振动的结论，而随着离液面距离越远，振动越弱。因此认为，振动对浇注系统内合金液影响最大，补缩充型效果也较好，而对铸件本体在晶粒细化方面作用就相对较弱，而且机械振动频率较低，只有几十赫兹，振动能量有限，起到的作用距离也有限。另外由于机械振动通常为垂直振动，如果枝晶生长方向与振动方向平行，振动过程中树枝晶断裂可能性较小，即使断裂也是粗大块状，晶粒细化效果也难以显现。所以，在现有试验条件下，振动与否对铸件组织及性能没有明显作用，但是对于铸件缺陷及质量改善有显著作用。3. 结论1）在振动频率为25HZ，振动时间为4-6min时，或在振动频率为50HZ，振动时间为1-3min时，59/60铸件渣