基于減速器殼體鑄件在鑄造過程中出現(xiàn)的質(zhì)量問題，系統(tǒng)研究了消失模鑄造工藝。結(jié)合減速器殼體結(jié)構(gòu)特點和鑄造技術(shù)要求，優(yōu)化了白模制備、鑄造材料選擇及工藝參數(shù)。通過實際生產(chǎn)發(fā)現(xiàn)了以疏松和碳化物夾雜為主的缺陷，并綜合利用電鏡掃描、金相分析及力學(xué)性能試驗，明確了缺陷成因。據(jù)此對鑄造工藝進(jìn)行優(yōu)化，優(yōu)化后產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)效率均得到顯著提升。

1.引言

鑄造生產(chǎn)是獲得機(jī)械產(chǎn)品毛坯的主要手段之一，也是汽車制造過程中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。傳統(tǒng)鑄造工藝通常依賴于經(jīng)驗設(shè)計，通過試澆注和反復(fù)改進(jìn)工藝來消除缺陷，直至生產(chǎn)出合格的鑄件。減速器作為汽車傳動系統(tǒng)的核心部件，其性能直接影響整車的傳動效率和零部件壽命。減速器殼體是減速器的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)件，須承受多軸轉(zhuǎn)矩和較大反作用力，因此必須具備優(yōu)異的抗沖擊性、耐磨性，并且具有高強(qiáng)度、高硬度和均勻致密的內(nèi)部組織結(jié)構(gòu)。已有研究表明，通過選用合適的鑄鐵材料并優(yōu)化鑄造溫度和冷卻速率等工藝參數(shù)，可顯著提升材料的強(qiáng)度和延展性。

然而，實際生產(chǎn)中仍會引入增碳、澆不足、冷隔、氣孔、縮孔和縮松等缺陷，這些缺陷多與金屬液的充型和凝固過程密切相關(guān)。消失模鑄造是一種特殊工藝，可通過泡沫模型氣化實現(xiàn)復(fù)雜件的一體化成形，具有設(shè)計自由度高、成本低、精度高、環(huán)保節(jié)能的優(yōu)點。該工藝中的充型和凝固過程對鑄件質(zhì)量起到?jīng)Q定性作用。

因此，通過優(yōu)化成形工藝提高鑄件質(zhì)量，進(jìn)而提升減速器殼體的性能，已成為當(dāng)下的研究熱點。本研究基于減速器殼體的技術(shù)要求，系統(tǒng)規(guī)劃和設(shè)計鑄造工藝，具體包括材料選擇、澆注溫度、澆注時間等關(guān)鍵參數(shù)的確定與優(yōu)化。通過對鑄造缺陷進(jìn)行電鏡表面分析、金相組織分析和硬度分析，研究缺陷成因并據(jù) 此提出有針對性的工藝改進(jìn)措施。

2.試驗方案

材料要求：

減速器殼體的主要材料為球墨鑄鐵(牌號為QT450)，其生產(chǎn)過程中的主要技術(shù)要求如下。力學(xué)性能要求：抗拉強(qiáng)度≥550MPa，屈服強(qiáng)度≥350MPa，材料伸長率≥10%，硬度為180～250HB。金相組織要求：球化級別為1～4級；珠光體含量為35%～75%；表層碳化物含量≤3%，芯部碳化物含量≤5%。化學(xué)成分含量要求見表1。

圖1　減速器殼體毛坯

效果檢測：

鑄件成品檢驗是鑄造過程中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，通過全面檢查鑄件尺寸、外觀和性能，能夠及時剔除不合格產(chǎn)品，確保出廠產(chǎn)品符合質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)，從而提升客戶滿意度，并為生產(chǎn)工藝的優(yōu)化和改進(jìn)提供依據(jù)。目前常見缺陷包括氣孔、縮孔與縮松、夾渣與夾雜、裂紋、變形和粘砂。本研究中澆注的減速器殼體主要存在縮松和碳化物夾雜兩種缺陷，如圖2所示。

圖2　減速器殼體缺陷

采用水壓試驗法對減速器殼體進(jìn)行壓力測試，將減速器殼體各接口密封后加壓并浸入水中，通過觀察氣泡，判斷泄漏情況。試驗中發(fā)現(xiàn)有氣泡產(chǎn)生，因此對減速殼體開展表面質(zhì)量檢測，對缺陷區(qū)域進(jìn)行取樣，標(biāo)記試樣1和試樣2。用酒精清洗試樣初步去除油污后，再用超聲波清洗儀對試樣進(jìn)行細(xì)致清理，隨后通過掃描電鏡分析試樣表面形貌。

對試樣1進(jìn)行掃描電鏡分析，結(jié)果如圖3所示。通過低倍鏡觀察可知缺陷部位的特點：以空洞的形式離散的圓形和不規(guī)則形不均勻地分布于表面。通過高倍鏡觀察發(fā)現(xiàn)，這些空洞較為明顯且分布相對較廣，空洞周圍的基體組織呈現(xiàn)粗糙不平、不連續(xù)、晶粒較為粗大的特征，空洞中局部出現(xiàn)較小的球狀結(jié)晶。綜上可確定缺陷類型為疏松。

圖3　試樣1疏松缺陷形貌

缺陷區(qū)域能譜分析結(jié)果見圖4和表2。3個缺陷區(qū)域的圖譜均表明檢測到鋁、硅、錳、鐵和碳元素，其中圖譜3對應(yīng)缺陷區(qū)域的碳和氧元素含量較高，說明該區(qū)域存在嚴(yán)重脫碳現(xiàn)象。脫碳是碳元素與爐氣中氧化性氣體在高溫下發(fā)生反應(yīng)的結(jié)果，溫度越高，該現(xiàn)象越明顯。

圖4　試樣1疏松缺陷能譜分析

表2　試樣1疏松缺陷區(qū)域能譜分析結(jié)果 單位：%

對試樣2進(jìn)行掃描電鏡分析，結(jié)果如圖5所示，可確定缺陷類型為碳化物夾雜。低倍鏡下可見缺陷在基體組織中分布較為集中，凹陷處呈現(xiàn)與周圍基體組織不同的顏色和對比度，明顯更明亮，如圖5a所示；高倍鏡下可見明亮的缺陷區(qū)域與基體組織之間存在明顯的分界，且在缺陷區(qū)域可見若干較小的凹坑，如圖5b所示。對兩個缺陷區(qū)域進(jìn)行能譜分析(圖6)，其中圖譜1對應(yīng)缺陷區(qū)域，圖譜2對應(yīng)正常基體組織區(qū)域，分析結(jié)果見表3。由表3可知，圖譜1對應(yīng)缺陷區(qū)域的碳元素、氧元素和硅元素含量較正常基體組織區(qū)域較高，其中硅元素含量較高會影響球墨鑄鐵的球墨形態(tài)。

圖5　試樣2碳化物夾雜缺陷形貌

圖6　試樣2碳化物夾雜缺陷能譜分析

表3　試樣2碳化物夾雜缺陷能譜分析結(jié)果 單位：%

對所取下的試樣進(jìn)行拋光但不進(jìn)行腐蝕處理，通過金相分析結(jié)果發(fā)現(xiàn)試樣1的疏松缺陷(圖7a)以空洞形式離散、不規(guī)則、不均勻地分布于組織中，在空洞邊緣存在明顯的脫碳現(xiàn)象；正常基體組織中的球墨大小不均(圖7b)。

圖7　試樣1疏松缺陷與正常基體組織金相分析結(jié)果

根據(jù)GB/T 9441—2021《球墨鑄鐵金相檢驗》對球墨鑄鐵的評定標(biāo)準(zhǔn)可知，試樣1球化級別為3級，球墨的圓整度P=0.8。試樣2中，碳化物夾雜缺陷處存在脫碳現(xiàn)象(圖8a)，還存在黑色條紋(圖8b)，遠(yuǎn)離缺陷部位的正常基體組織中，球墨形狀較正常。

圖8 試樣2碳化物夾雜缺陷與正常基體組織金相分析結(jié)果

采用4%硝酸-酒精溶液作為腐蝕劑對試樣進(jìn)行腐蝕后作金相分析，結(jié)果如圖9所示。由圖9可知，試樣1中疏松缺陷區(qū)域存在較大球墨，較小球墨分布在珠光體周圍，還有部分球墨分布在珠光體中；正常基體組織中的球墨大小不均且存在一定量的碳化物。

圖9　試樣1經(jīng)腐蝕后疏松缺陷與正常基體組織金相分析結(jié)果

試樣2經(jīng)腐蝕后的金相分析結(jié)果如圖10所示，可知臨近碳化物夾雜缺陷的球墨的形態(tài)與正常基體組織中的球墨的形態(tài)沒有明顯區(qū)別；缺陷處的碳化物呈現(xiàn)蠕蟲狀，且存在脫碳痕跡。根據(jù)GB/T 9441—2021對球墨鑄鐵的評定標(biāo)準(zhǔn)可知，試樣1和試樣2中的珠光體含量為35%。

圖10 試樣2經(jīng)腐蝕后碳化物夾雜缺陷與正常基體組織金相分析結(jié)果

采用布氏硬度計對缺陷區(qū)域進(jìn)行硬度測試，結(jié)果見表4。由表可知，缺陷1和缺陷2處平均硬度值分別只有106.14HB和106.44HB，均遠(yuǎn)低于產(chǎn)品技術(shù)要求。

表4　缺陷部位硬度測試 單位：HB

針對疏松缺陷，通過掃描電鏡分析和能譜分析發(fā)現(xiàn)其以空洞形式離散、不均勻地分布于表面，碳和氧元素含量較高，空洞周圍組織不均勻且呈海綿團(tuán)狀。針對碳化物夾雜缺陷，通過掃描電鏡分析和能譜分析發(fā)現(xiàn)其微觀形態(tài)與正常基體組織有明顯區(qū)別，且存在凹坑，碳、氧元素含量較高；通過金相分析發(fā)現(xiàn)碳化物夾雜缺陷呈現(xiàn)條狀且存在脫碳現(xiàn)象。疏松缺陷可能是由原材料存在雜質(zhì)、澆注溫度過高、澆注速度過快或澆注系統(tǒng)設(shè)計不合理引起的，尤其在澆冒口附近，高溫和快速澆注導(dǎo)致鐵水凝固時體積劇烈收縮，易形成疏松。QT450含碳量較高(3.4%～3.9%)，鑄造中使用EPS白模高溫裂解(C8H8→8C+4H2↑)，產(chǎn)生的氣體和固態(tài)碳為碳化物夾雜提供了物質(zhì)基礎(chǔ)，導(dǎo)致缺陷形成。

4.改進(jìn)措施及檢測

改進(jìn)措施:

針對減速器殼體存在的疏松和碳化物夾雜缺陷，提出以下改進(jìn)措施。

（1）優(yōu)化澆冒口設(shè)計。在熱節(jié)處設(shè)置澆冒口，補(bǔ)充凝固收縮所需的金屬液，以避免疏松缺陷。

（2）調(diào)整澆注參數(shù)。將澆注溫度控制在1420℃左右，同時將澆注時間縮短至26s，確保鐵水能夠平穩(wěn)、 均勻地填充鑄型，從而消除縮孔問題。

（3）增加工藝余量。針對碳化物夾雜缺陷，可通過增加工藝余量聚集夾雜物，并在后續(xù)加工中將其去除，以獲得無碳化物夾雜缺陷的鑄件。

檢測:

在實際生產(chǎn)中實施上述改進(jìn)措施，并對改進(jìn)后鑄造的產(chǎn)品進(jìn)行質(zhì)量檢測，其結(jié)果：表面宏觀檢測未發(fā)現(xiàn)缺陷；三維尺寸和密封性檢測結(jié)果顯示，各項指標(biāo)均滿足要求。對產(chǎn)品進(jìn)行取樣并進(jìn)行金相分析，結(jié)果如圖11所示。產(chǎn)品硬度檢測結(jié)果見表5。

圖11　改進(jìn)后產(chǎn)品試樣金相分析結(jié)果

表5　改進(jìn)后產(chǎn)品表面硬度 單位：HB

根據(jù)GB/T 9441—2021對球墨鑄鐵的評定標(biāo)準(zhǔn)可知，改進(jìn)后產(chǎn)品材料組織為鐵素體+珠光體+球墨，其中球化率為80%，球墨等級評定為3級，珠光體含量為40%，滿足材料組織要求。此外，力學(xué)性能試驗結(jié)果顯示，產(chǎn)品平均硬度為194.3HB，抗拉強(qiáng)度為586MPa，屈服強(qiáng)度為365MPa，平均延伸率為11.2%，各項力學(xué)性能均滿足技術(shù)要求。

5.結(jié)論

本研究針對減速器殼體在消失模鑄造過程中出現(xiàn)的疏松與碳化物夾雜缺陷，開展了一系列工藝優(yōu)化研究，具體如下。

（1）優(yōu)化澆冒口設(shè)計以利于補(bǔ)縮。

（2）將澆注溫度從1450℃調(diào)整至1420℃左右，并適當(dāng)延長澆注時間至26秒以促進(jìn)平穩(wěn)充型。

（3）增加了工藝余量以富集并去除夾雜物。經(jīng)驗證，上述優(yōu)化措施效果顯著，優(yōu)化后鑄件表面質(zhì)量完好，密封性合格。同時改進(jìn)后的鑄件內(nèi)部組織與力學(xué)性能均達(dá)到技術(shù)要求：金相組織為鐵素體+珠光體+球墨，球化率達(dá)80%，球墨等級為3級，珠光體含量為40%；硬度提升至194.3HB，抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度和延伸率分別達(dá)到586MPa、365MPa 和11.2%。

綜上所述，本研究通過缺陷成因分析、工藝參數(shù)優(yōu)化與效果驗證，有效提升了減速器殼體鑄件的質(zhì)量與一致性，為類似復(fù)雜結(jié)構(gòu)件的消失模鑄造生產(chǎn)提供了可行的工藝控制方案，具有明確的工程應(yīng)用價值。

參考文獻(xiàn)：略。

作者簡介：白浩龍(2000—)，男，碩士研究生在讀，研究方向為鎂合金磷化成膜。