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1、 下钳体的铸造工艺设计 1绪论1.1铸造技术发展现状中华文明大致经历了石器时代、铜器时代和铁器时代三个历史阶段，这三种材质的工具和技术的创造发明，随着人类的繁衍，不断推动人类文明向高级阶段发展，金属的应用使人类文明产生了根本性的飞跃，而铸造技术的运用和金属的发展紧密联系在一起。对古代很多务农的人来说，铸造技术是一门手艺。据历史考证，我国铸造技术开始于夏朝初期，迄今已有5000多年。到了晚商和西周初期，青铜的铸造技术得到了蓬勃发展，形成了灿烂的青铜文化，遗留到今天的有一批铸造工艺水平较高的铸造产品。中国古代的铸造方法有：石型即用石头或石膏制作铸型；泥型古称“陶范”；金属型古称“铁范”；失蜡型有出
2、蜡法、走蜡法、脱蜡法或刻蜡法；砂型这种方法是伴随泥型一起产生的。中国古代铸造中的精品有：沧州铁狮，司母戊方鼎，四羊方尊，曾侯乙尊盘，永乐大铜钟，大型铜编钟，铜车马仪仗队等。尽管近年来我国铸造行业取得迅速的发展,但仍然存在许多问题。第一,专业化程度不高,生产规模小 。我国每年每厂的平均生产量是815t,远远低于美国的4606t和日本的4878t。第二,技术含量及附加值低。我国高精度、高性能铸件比例比日本低约20个百分点。第三,产学研结合不够紧密、铸造技术基础薄弱。第四,管理水平不高,有些企业尽管引进了国外的先进的设备和技术,但却无法生产出高质量铸件,究其原因就是管理水平较低。第五,材料损耗及能耗
3、高污染严重。中国铸铁件能耗比美国、日本高70%120%。第六,研发投入低、企业技术自主创新体系尚未形成。发达国家总体上铸造技术先进、产品质量好、生产效率高、环境污染少、原辅材料已形成商品化系列化供应，如在欧洲已建立跨国服务系统。生产普遍实现机械化、自动化、智能化（计算机控制、机器人操作）。 在大批量中小铸件的生产中，大多采用微机控制的高密度静压、射压或气冲造型机械化、自动化高效流水线湿型砂造型工艺。 砂处理采用高效连续混砂机、人工智能型砂在线控制专家系统, 制芯工艺普遍采用树脂砂热、温芯盒法和冷芯盒法。熔模铸造普遍用硅溶胶和硅酸乙酯做粘结剂的制壳工艺。铸造生产全过程主动、从严执行技术标准，铸件
4、废品率仅2%-5%；标准更新快（标龄4-5年）；普遍进行ISO9000、ISO14000等认证。 重视开发使用互联网技术，纷纷建立自己的主页、站点。铸造业的电子商务、远程设计与制造、虚拟铸造工厂等飞速发展。自中国加入WTO以来,我国铸造行业面临机遇与挑战。其未来发展将集中在以下几方面。第一,鼓励企业重组发展专业化生产,包括铸件大型化和轻量化生产。第二,加大科技投入切实推动自主创新,实现铸件的精确化生产和数字化铸造。第三,培养专业人才加强职工技术培训。第四,大力降低能耗抓好环境保护,实现清洁化铸造。1.2我国铸铁发展现状我国铸铁业布局分散、企业规模小, 生产的社会化水平低, 技术水平不等, 技术
5、成果的生产转化率低。而冲天炉作为其基础工艺设施, 更是集中体现了这些特点, 大量低水平运行的小冲天炉造成的环境污染、资源浪费和低质铸件是不言而喻的。在操作技术方面, 由于长期以来自动化程度低,人工操作技术得以深入的发展。炉子的熔炼状态对操作者的依赖很大, 致使冲天炉的熔炼水平差别很大,甚至同一台炉子也会因为操作人员状态的变化和更换操作者, 而出现熔炼水平的波动。实现冲天炉操作的智能化、自动化才能从根本上避免操作者的随机不良影响, 使冲天炉按最佳状态稳定运行。我国冲天炉自动化研究起步虽晚, 但进展较快, 在自动优化配料、上料、熔炼过程优化控制方面取得了一些实用成果,使我国冲天炉的自动化操作水平提
6、高了一大步, 缩短了与世界先进水平的差距。加入WTO将在我们面前展现一个竞争激烈的世界铸件市场。我们不但要保持铸铁件生产大国的地位, 还要成为铸铁件生产的强国。因此, 冲天炉熔炼的发展将围绕强化管理、促进技术改造、提高规模效益进行。我国冲天炉技术的发展方向主要有以下若干方面:(1) 走专业化生产道路, 提高冲天炉作业率, 向大型化、智能化、长期作业方向发展;(2) 炉料供应专业化、规模化;(3) 大力发展冲天炉配套技术, 同时加强对冲天炉的控制和检测;(4) 发展冲天炉- 电炉双联熔炼技术;(5) 获得高温优质铁水是冲天炉熔炼的根本任务。1.3铸铁合金的发展高强化、薄壁化是我国灰铸铁的发展方向
7、我国高强度灰铸铁件与国外相比, 主要差距是强度低、耐磨性差、寿命低、断面敏感性大、加工性差。高强度灰铸铁的着眼点是提高碳当量, 在保证良好的铸造性能的同时获得高的强度。但为获得强度高、性能稳定和品质均一的铸铁件, 又必须严格控制碳当量, 并从熔炼、检测等方面来予以保证。目前国外对高强度灰铸铁的生产, 除作常规检测外, 还提出了十项新的检验指标, 即铁水温度、铁水纯净度、共晶团数、共晶度、相对硬度、相对强度、品质因数、弹性模数、过冷度、过冷度比。其中, 共晶度一般在018110左右较好; 相对强度为11151120时, 铸铁的性能最理想; 相对硬度在018110时, 切削性能良好。品质因数愈高,
8、 材质愈好。过冷度一般控制在68之间, 这时孕育效果最佳; 过冷度比通常控制在115215之间; 弹性模数之值愈大, 铸铁抗拉强度愈大; 共晶团愈细, 铸铁的强度愈高。通过对上述指标的严格控制可达到稳定的质量。我国高强度灰铸铁研究的重点是: 提高铁液温度, 改善铸铁冶金质量, 采用合成铸铁熔炼工艺; 加强孕育处理技术, 尤其是强化孕育铸铁的研究和推广; 研究和推广低合金化孕育铸铁; 调整化学成分、控制铸铁的Si/ C比, 以获得高强度低应力铸铁。国内的实践表明, 若使Si/ C比值在015019, 再加以适当的孕育和合金化, 可获得具有良好综合力学性能的高强灰铸铁。另外, 调整Mn、Si 含量
9、, 使含Mn量比含Si 量高012%113%或以上, 可以得到另一种高强度低应力铸铁。目前, 我国的工厂大多无炉前快速测定C、Si 含量的仪器, 因而不能及时掌握C、Si 的变化情况, C、Si 含量波动很大, 致使铸件质量难以稳定, 这是今后急需解决的一个问题。铸铁薄壁化、轻量化、强韧化是为了满足工程界对工程材料节能性、回用性两方面的要求, 适应“人类可持续发展战略”的需要。对汽车工业而言, 降低整车自重对节能、减少废气排放有关键性的意义。铸件的“薄壁高强”化正在工程界成为一种趋势, 其技术应用也将日益成熟并迅速拓展, 在可以预见的将来, 35mm的高强薄壁球铁件将会大量出现在一般机电产品中
10、。所谓“薄壁高强”, 即生产中所指壁厚为46mm(国外为310315mm) , 抗拉强度大于250MPa。而国内目前大多数工厂发动机仍使用HT200牌号材质标准。就材质而论, 其主要原因是大多数工厂采用冲天炉熔炼, 铁液指标达不到要求,特别是铁液温度低和化学成分波动大, 使该类产品铸件难以控制, 从而导致废品率高。其中属于材质方面的主要是性能达不到高牌号要求, 断面均匀性差, 渗漏严重, 热疲劳性能差。我国在“六五”至“八五”期间, 经过科研院所、大专院校与生产厂家的联合攻关, 对高强薄壁铸铁件的研究取得了较大进展, 缩短了与国外先进水平的差距。与国外同类产品相比, 在铸件的使用性能和品质稳定
11、性方面, 还存在着不小的差距。如在材料耐磨性方面, 国外汽车一般第一次大修里程, 汽油机为30万km, 柴油机大于50万km。而国内分别是1015万km和25万km。汽缸套使用寿命国外可达到60008000h, 而国内只有30005000h。由于耐磨性与材料的综合性能密切相关, 为满足发动机不断强化的要求, 改善缸体的组织与性能和研究缸体新材料与新工艺, 提高缸体耐磨性和使用寿命, 已成为当前国内外学者和工程技术人员研究的重点之一。1.3.1发展球铁新品种、采用新的球铁生产工艺 (1) 加强薄壁和大断面铸态球铁技术的开发和应用。要保证铸件的力学强度和切削加工等性能不致因壁厚减小而降低, 其基本
12、途径就是使球墨铸铁的力学性能得到改善。最重要的两个方面, 一是白口化倾向的减低和抑制, 二是石墨组织的改善。球化剂的合理选用和稀土(RE) 元素的加入是实现高强度薄壁球铁铸造的关键。该技术的核心是在铸造(熔炼) 工艺中要保证RE/ S=2215。球化剂要选用Fe2Si2Mg2RE2Ca系材料, 其中稀土元素(Ce、La、Pr) 的加入并使之与硫保持一定比例是球化技术关键, 同时严格控制P0104%0106%、Bi =01003%01007%。实验证实, 当Mg/ S5时, 易生成白口; 而RE/ S215时, 也易出现白口。故在一般情况下要求硫含量越低越好的铸铁, 此时(薄壁状态) 为了一定的
13、球化率、晶粒细化和减少白口, 则必须保持一定比例的硫含量。此点对于以废钢(S较少) 为主要原料的熔炼厂应特别予以注意。(2) 继续开发和应用奥2贝球铁。奥2贝球铁是近几十年来铸铁冶金研究的重大成就之一, 它是迄今为止具有最好综合性能的一种球铁, 尤其是高的弯曲疲劳性能和良好的耐磨性, 因而获得广泛的注目和开发应用。奥贝球铁的基体组织由板状或针状铁素体、25%50%的稳定残余奥氏体和碳化物组成, 有时有少量的马氏体存在, 一般通过850900奥氏体化后在300450等温淬火来获得, 其常规化学成分与通常的铁素体或珠光体球铁一样。采用等温淬火来获得奥2贝球铁, 其热处理费用高, 难以普及, 且因残
14、余奥氏体向马氏体转变这一加工硬化现象使得加工困难。国外出现了中断热落砂法、中断正火法等新的生产奥2贝球铁工艺, 这些生产工艺成本低、能耗少,且可行, 因而具有研究和推广的实际意义。(3) 发展奥氏体球铁。奥氏体球铁在石油、化工、海洋与船舶、仪器仪表、食品、动力与冷冻、以及核工程等许多领域都具有广阔的应用前景, 因而成为近年来球铁领域中的一个新的研究重点。尽管目前产量还不大, 但有些国家却发展很快, 尤其德国的产量每年以10%的速度递增, 并且, 一种以GGG2NiCrNb2022为牌号的可焊接奥氏体球铁已在德国问世, 其化学成分( %) 为: C310, Si115216,Mn015115,
15、P0104, Nb011012, Ni1822,Cr112215, Mg0108。瑞士Sulzer 研制的新型Ni2Mn奥氏体球铁在2196下仍具有很好的冲击韧性,最近又出现了15%Ni25%Mn、20%Ni24%Mn系的经济性很好、低温用奥氏体球铁。现在, GGG2NiMn137牌号也开始用于制造热核反应堆外壳承重结构、核潜艇高压壳体等。我国镍的贮量占世界第一位, 而奥氏体球铁的研究还是一个弱点, 因此有待开发, 尤其是高Ni 奥氏体球铁。(4) 采用新的球铁生产工艺。在熔炼方面, 最好采用感应电炉或冲天炉2电炉双联熔炼, 特别是冲天炉炉外脱硫电炉保温的工艺流程能为制取球铁提供优质的高温低硫
16、原铁液。在球化处理方面, 现在国内外已有的方法达8种以上, 国外广泛采用GF转包法和包盖法, 我国也正在推广使用。在孕育方面, 孕育剂的选择应在一定的铸件冷却速度下使球化孕育有一个最佳的搭配。孕育方法以瞬时孕育为佳, 近十多年来, 国内外已发展了五六种新的瞬时孕育工艺。此外, 近年来发展的铁液过滤净化技术也已得到推广应用, 成为提高球铁质量的一种很好的措施。1.3.2发展孕育技术孕育推动了高强度灰铸铁的发展, 并使球墨铸铁、蠕墨铸铁的生产更趋完美。凡是经过孕育处理的铸铁, 都具有石墨细化、组织均匀和壁厚敏感性小的特点。随着工业的发展, 势必有大量废钢要利用, 电炉熔炼在铸铁熔炼中的地位日益突出。在该种熔炼、炉料条
