汽车变速器壳体用感应炉熔铸技术

　　MC制造MC山西阳城华王通用离心铸管厂/袁东洲孙家聚高修启王张龙汽车变速器壳体用感应炉熔铸技术中频感应电炉是10多年来发展的一种用途广泛、技术先进的熔炼设备。由于中频感应电炉具有公认的在熔炼的冶金质量、成分和温度调节、改善劳动条件、起熔方便、熔化速度快、降低成本、提高经济效益等方面显示出的优越性，应用范围在不断扩大，而且容量向着大吨位和大功率、频率可调的方向发展。从20世纪90年代，在欧、美等发达国家几乎已停止对工频坩埚式感应电炉的制造。用中频感应电炉取代工频感应电炉和代替冲天炉已成为大势所趋，而且为汽车制造业生产高品质的铸件开创了一条新路。

　　变速器壳体是汽车的基础件之一，它既是多级齿轮的骨架，不仅要承重，还要经得起许多高强度螺栓在拧紧时所应起的局部较大压应力，铸件本身必须具有较高的耐压性及耐腐蚀性能，所以严格要求铸件不得有疏松、晶粒粗大，以免引起润滑与冷却作用油的渗漏。在材质选择上，传统上采用HT150或HT200的铸铁作壳体材料，其铸件质量显然不能适应快速发展的汽车工业不断提高整体质量的要求。

　　这就需要添加微量的Cr、Mo、Cu等合金元素，以致密的珠光体基体为主的高韧性适合于壳体的使用性能。为了生产高强度、高品质的铸铁汽车基础件，在铸造时采用中频感应电炉成为必然。

　　在使用中频感应电炉熔制高强度铸铁汽车变速器壳体铸造的实践中，炉前质量控制做法如下。

　　高强度合金铸铁成分设计为满足变速器壳体材质为HT250、硬度小于HB200、易切削加工的要求，进行油压试验不渗漏的使用性能以及铸造生产的经济性需要，在铸铁中添加微量多元合金成分，选择合理的工艺参数，使铸铁具有一定的化学成分和冷却速度，获得理想的金相组织和力学性能。要保证力学性能，就必须有好的基体组织和石墨状态。控制好的基体组织来源于合理的成分配置与合适的孕育处理。孕育处理能改变铁液的结晶条件，获得细片状石墨组织和细晶粒的珠光体基体。

　　现代零部件高强度低合金化孕育铸铁的成分设计，首先要充分考虑铁水碳当量对冷却速度的影响。铁水碳当量过高，铸件冷却速度缓慢，铸件厚壁处易产生晶粒粗大、严重则组织疏松，油压试验易产生渗漏；若碳当量过低，铸件簿壁处易造成硬点或局部硬区，导致切削性能不良。将碳当量控制在3.85%4.15%时，既可保证材质的力学性能，又接近共晶点，其铁水的凝固温度范围较窄，为铁水实现“低温”浇注创造了较为客观条件；而且有利于消除铸件的气孔、缩孔缺陷。

　　其次要考虑合金元素的作用。

　　只含一种合金元素，很难保证既要在共晶转变时不致有形成硬区的倾向，又要使合金元素在共析转变中起到稳定和细化珠光体的作用。若成分中含两种以上合金元素，让多种元素之间有适当的配合，则能达到理想的效果。如铬、铜元素在共晶转变中，铬阻碍石墨化、促成碳化物、促进白口；而铜则起促进石墨化作用，减少断面白口。两元素相互作用在一定程度上得到中和，避免了在共晶转变中产生渗碳体导致铸件簿壁处形成白口或硬度提高；而在共析转变中，铬和铜都可起到稳定和细化珠光体的复合作用，但各自的作用又不尽相同。以恰当比例配合，能更好发挥两者各自的作用。在含Cr0.2%灰铸铁中加入Cu2.0%，铜不仅促进珠光体转变，提高并稳定珠光体量和细化珠光体，促进A型石墨产生和均化石墨形态；铜还能少许提高Cr含量> 2%灰铸铁的流动性，这尤其对壳体薄壁类铸件有利。复合加入铬、铜可使铸件致密性进一步提高，因此对于要求耐渗漏的铸件。加入适量的合金元素铬、铜，有利于改善材质本身的致密性，提高其抗渗漏能力。

　　珠光体基体是生产中想方设法希望获得的组织，因为只有以珠光体为基体的铸铁强度高、耐磨性好。锡能有效增加基体组织中珠光体含量，并促进和稳定珠光体形成，当锡含量添加到0.1%时，铸铁的基体组织基本由珠光体组成。

　　锡是促进石墨呈A型分布的最佳元素。为保证基体为珠光体，尤其在高比例使用回炉铁的情况下，可加入微量合金元素锡。在生产实践中，发现不含锡的试样基体组织由铁素体和珠光体近似各半的组织。

　　只要加入微量的锡（0.01%），就能使铸铁中的铁素体减少近乎20%.随着锡含量的增加，铸铁的抗拉强度和抗弯强度都有明显提高。据资料介绍，当锡含量超过0.26%以上时，强度和硬度随呈上升趋势，但铸铁基体组织中明显出现碳化物，脆性同时增大，随之带来铸件切削加工困难的问题。所以我们生产实践的结论是，把锡含量控制在0.07%0.09%为佳。

　　原辅材料质量是高质量铸铁的基础我们从原辅材料抓起，入厂原辅材料必须进行取样分析，做到心中有数。不合格的原辅材料决不投入使用。要保证高质量的原铁水，必须选用高碳、低、低硫、低干扰（生铁供应商要有微量元素分析报告单）元素的生铁；选用纯净的中碳钢，对其所含成分Cr、Mo、Sn、V、Ti、Ni、Cu等微量元素以化验结果决定取舍，对能稳定珠光体的废钢优先选用。生铁和废钢只有经过除锈处理后方能允许使用，附着油污的要经250*C烘烤。对铁合金、孕育剂同样采用定点采购，力求成分稳定，块度（粒度）合格，分类堆放，避免受潮。这样的要求避免了铸铁炉料“遗传性”带来的缺陷。使用前的计量准确是熔炼合格铁液的质量保证。特别指出，严禁炉料中混有密封器皿和易爆物，尤其对于感应电炉更应该如此。

　　配料应遵循的原则坚持把理论配料（配料计算）和实践经验相结合无论采取试算法还是图解法，理论上计算的配料数据，不能确定为最终配比，还要掌握化铁炉熔化过程中元素变化规律。就中频炉而言，如果炉衬属酸性材料，铁液温度高于1500C，在Si的加入量上只能取下限，而C必须取上限。这就是根据感应炉冶金过程的特性所决定的，必须服从其冶金过程的物理化学规律。

　　现代零部件掌握各种入炉金属材料的化学成分和各元素烧损与还原规律这就对回炉铁、浇冒口、报废铸件的分类堆放、编号记载，提出成份明确的严格要求。炉内还原的元素在配料时减去，炉内烧损的元素配料时补上。

　　合金元素以一次性配入为原则除Si以外其他配料时取中限，合金（Mo、Cr、Cu、Sn等）可在熔清扒渣后加入，在酸性炉中烧损较少。C、Si在扒渣及孕育时还可以补充。就感应炉熔炼铸铁而言，先增碳后加硅的原则还是必须遵循。

　　对P、S含量的控制P、S量主要来源于新生铁，可以通过选择炉料将P、S量控制在范围内，所以必须要求使用新生铁的Wp低于0.06%；Ws含量低于0.04%，这样在配料计算时P、S量就可以不予考虑（因配件的技凡入炉的所有金属材料均严格要求准确计量。

　　感应电炉熔炼技术熔炼高强度铸铁目的是力求获得高强度的铁液成份和理想的铸造性能。因而要根据中频感应电炉的冶金特性编制合理的熔炼工艺，必须从装料、温度控制及在各不同温度下加入合金、增碳剂、造渣剂以及出铁温度各个环节严格控制，关键在力求用最短的熔炼时间、最小的合金烧损与氧化，达到控制和稳定金相组织，提高铸件质量的目的。

　　MC制造MC在生产实践中，我们将整个熔炼全过程分为三期温度进行控制。这里所谓的三期温度指：熔清温度、扒渣温度和出铁温度。

　　熔清温度，即取样温度以前的熔化期，决定着合金元素的吸收与化学成分的平衡，因此要避免高温熔化加料，避免搭棚“结壳”。否则铁水处于沸腾或高温状态，碳元素烧损加剧，硅元素不断在还原，铁水氧化加剧杂质增加。按工艺要求熔化温度控制在1365*C以下，取样温度控制在1420*C*10*C.取样温度低了存在铁合金未熔化完，取的试样其化学成分势必无代表性；温度过高，合金烧损或还原，还会影响到精炼期的成分调整。取样后应控制中频功率，在炉前质量管理仪对化学成分显示出结果后恰好进入到扒渣温度。

　　扒渣温度是决定铁水质量的重要环节，因为它与成份稳定、孕育处理的效果密切相关，并直接影响到出铁温度的控制。扒渣温度过高加剧铁液石墨晶核烧损和硅的还原，特别对酸性炉衬，从理论上铁水含Si偏高后将产生排C作用，影响按稳定系结晶，存在着产生反白口倾向；若温度过低，铁水长时间被裸露，碳、硅烧损严重。再次调整成分时，不仅延长熔炼时间使铁水过热，而且易使成分失控。浇注时因冷却增大铁水的过冷度，正常结晶受到破坏。

　　出铁温度，我们一般控制在（消失模铸造比砂型铸造浇注温度高），这是为保证浇注和孕育的最佳温度。出铁温度的高与低都会对铸铁的结晶和孕育效果带来影响，如果温度过高（超过工艺规定温度30C以上），尽管炉前快速分析结果C、Si也适中，但试浇三角试片白口深度会过大或中心部位显现麻口。出现此种情况即使采取措施向炉内补加碳或增大孕育量，笔者的实践经验是效果欠佳。则需在调低中频功率后，进行炉内降温处理。即向炉内加入铁水总量15%经烘烤的新生铁，这样试片断口心部麻口就转为灰口，顶尖的白口深度变小。若持续高温时间较长，采取如上方法后，炉前仍须按“加一去一”的经验方法给炉内补加FeSi75，把白口宽度控制在工艺规定范围。出铁温度是按浇注温度去控制，壳体类铸件消失模铸造合适的浇注温度为1440C*20*C，才能够实现“高温出铁，适温浇注”。严格掌握和控制住当然最好。因为出铁温度低将导致浇注温度低于1380C，既不利于脱硫、除气，而且特别影响孕育处理效果。随着温度的降低，冷隔、轮廓不清将明显增加。

　　铁液孕育处理技术对生产变速器一壳体用HT250的孕育处理，赖以提高材质的耐磨性，使铸件的组织性能得以明显改善，显著提高各端面上的硬度值，而且要在稳定厚端面上的珠光体量方面有相同作用，还可改善其壁厚的敏感性和铸件在机械加工时良好的切削性能，尤其是要对防止壳体铸件的疏松、渗漏有特殊作用。

　　孕育剂的加入量依据生产壳体铸件的壁厚、成分要求和浇注温度等因素确定，以壁厚处不出现疏松、渗漏，壁薄处不出现硬区为原则。在生产实践中证明，Sr、Ba、Ca、Si-Fe孕育剂是精炼高强度灰铸铁最为理想的孕育剂，此种孕育现代零部件剂发挥钡（Ba）抗衰退能力及提高A型石墨占有率和锶（Sr）消除白口能力特强，钙（Ca）和铁（Fe）所起的辅助孕育和渗透作用。这种强强组合的孕育剂，是当今生产高强度铸铁孕育处理中较为理想的选择。

　　孕育次数与孕育效果的关系。

　　随孕育次数增加，铸铁内部石墨分布均匀程度改善，A型石墨占有率和石墨长度区别较大。经两次以上孕育的高强度A型石墨占有率高，分布均匀，长度适中。更重要的是多次孕育促使生成非自发晶核数量增多，强化了基体，从而提高并稳定了铸铁的强度。

　　经瞬时孕育处理，并以漏斗式孕育包用BaSiFe+FeSi75作后孕育处理，避免铁液随流孕育后浇注时间长，后孕育是控制与稳定孕育效果的关键。孕育处理后的铁水应在限定时间内浇注完毕，一般不超过8min，包内二次孕育2 4min孕育效果最佳。硅钡孕育剂可消除HT250的白口，改善其石墨形状、分布，消除E、D型过冷石墨。因为E型石墨和铁素体组织，将使材质致密性降低，严重恶化抗渗漏性能。用钡硅铁孕育的铸件最薄处无白口产生，其抗拉强度均达到6，250N/mm2的要求，试棒硬度达到190230HB，壳体本体解剖，硬度在190HB左右，铸件的品质系数显著提高，金相组织达到国外样机壳体铸造水平，珠光体为85%90%以上，满足了汽车变速器壳体的强度要求与使用性能，其机械性能达到国外同类机型变速器壳体的材质水平。

　　MC文章查询编号：W1012