奥贝球铁齿轮的金属型铸造

作者：信息来源:模具 2008-6-16

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摘要：指出了用一般砂型铸造生产奥贝球铁齿轮毛坯时难以克服的工艺因素对齿轮质量的不利影响，对比说明了用金属型铸造奥贝球铁齿轮毛坯的优点，并提出了金属型铸造工艺及在实施中应注意的问题。齿轮。用奥贝球铁代替锻钢制造齿轮的研究越来越多，现已部分进入实用阶段...

摘　要：　指出了用一般砂型铸造生产奥贝球铁齿轮毛坯时难以克服的工艺因素对齿轮质量的不利影响，对比说明了用金属型铸造奥贝球铁齿轮毛坯的优点，并提出了金属型铸造工艺及在实施中应注意的问题。
　　关键词：　奥贝球铁；齿轮；金属型
　　中图分类号：TG249.3　　　文献标识码：B　　　文章编号：1001-3814(2000)02-0047-03

Metal Mold Casting of Austente-Bainited Nodular Cast Iron Gear

　　近年来，奥贝球铁由于具有优良的综合力学性能而受到们的广泛关注。用奥贝球铁代替锻钢制造齿轮的研究越来越多，现已部分进入实用阶段。在内，奥贝球铁齿轮毛坯大部分用普通砂型铸造生产。而采用砂型铸造，除了工艺稳定性较差外，由于浇冒口的存在，使得该处附近齿部因物理热节增大而凝固缓慢，从而造成该处晶粒粗大，力学性能下降，以致于影响齿轮的整体力学性能。我们知道，齿轮的工作是靠所有齿共同完成的，若其中哪怕是一个齿出现问题，都会直接影响到整个齿轮的工作。所以，作为生产奥贝球铁齿轮的第一个环节，在铸造时应力求保证毛坯齿部的晶粒大小均匀一致或基本均匀一致。普通砂型铸造，即便是采用瞬时孕育技术也很难做到一点。而使用金属型铸造则可以比较容易做到。道理很简单，因为金属型的激冷能力是一般砂型的许多倍，以小四轮拖拉机变速箱中的齿圈为例，在浇注条件和球化孕育处理工艺完全相同的情况下，经粗略测算，使用金属型铸造，完全凝固时间为30～40s，而使用普通砂型铸造则达3～5min，而这3～5min时间就足以使瞬时孕育效果产生一定程度甚至很大程度的衰退。图1为在相同的铁水球化、孕育和浇注条件下使用金属型铸造和普通砂型铸造生产的齿轮毛坯在浇冒口附近齿部和距浇冒口最远处齿部的金相组织对比(图1b中的小白圆点为照片底板质量所致)。可见，无论从晶粒大小还是从晶粒的均匀程度看，使用金属型铸造都远好于使用普通砂型铸造所得铸件。而且实践证明，使用金属型铸造时铸件质量非常稳定，工艺出品率高，铸件废品率低至3%以下。另外，与砂型铸造相比，金属型铸造的毛坯由于表面粗糙度低、尺寸精度和位置精度较高，其加工余量可以小至1mm左右，从而可减小铸件重量，降低铸造成本。

a)金属型铸件浇口附近齿部组织b)金属型铸件远离浇口齿部组织　c)砂型铸件浇口附近齿部组织　d)砂型铸件远离浇口齿部组织

图1　金属型铸造齿轮毛坯与砂型铸造齿轮毛坯的金相组织对比　100×

1　金属型铸造工艺

　　图2所示为用金属型铸造成的小四轮拖拉机变速箱中的153齿圈毛坯。毛坯最大加工量不超过1mm，毛坯重7.2kg，与一般砂型铸件相比减少1.3kg；工艺出品率87.8%，与一般砂型铸造(一箱两件)相比提高了14%。图3为153齿圈毛坯的金属型简图。它由上、中、下三型组成，铁水由齿圈内法兰处引入。浇口杯(直浇道系统)是一次性的，由金属外套和内砂芯组成(兼作冒口)以增强直浇道的保温性能和补缩能力，这样做还便于浇注后的清理。在浇口杯和下型上的浇口窝之间放一片玻璃纤维质过滤网，以过滤铁水中的杂质。型腔中的气体由沿中型上缘圆周上均匀分布的六个排气槽(截面尺寸为30mm×0.3mm)排出。待铁水凝固后，先用撬杠从撬模凹槽处将上、中、下型与铸件撬松，拿去上型(浇口杯可能与上型一起与铸件分开)，再将中型连同铸件一起与下型分离后将中型翻转倒出铸件。然后喷涂料、合型，进入第二次浇注。

图2　153齿圈金属型铸件图

图3　153齿圈金属型结构简图

1-上型；2-中型；3-下型；4-直浇道；5-砂芯；6-浇口圈；
7-型腔；8-出气槽；9-撬模凹槽；10-抬杆；11-过滤网

2　金属型铸造应注意的问题

　　使用金属型铸造，对工人的技术要求不高，但其铸件的表面质量高、成品率高、生产效率高，深受人们欢迎。不过，金属型铸造并不像人们想像的那么简单。要生产出合格铸件，必须对生产的每一个环节严格要求，特别应注意以下几个问题。
2.1　孕育处理
　　对于生产奥贝球铁齿轮毛坯来说，用金属型铸造和用砂型铸造，在球化剂的用量和球化方法上二者是一样的。所不同的是，金属型铸造更重视孕育剂的种类和瞬时孕育处理。在生产球铁件时，尽管孕育处理的主要目的是促进石墨化，抑制白口组织和自由渗碳体，但由于金属型的激冷能力很强，铸件产生白口的倾向更大，所以，砂型铸造时，使用75SiFe进行瞬时孕育生产铸态球铁已经够用，金属型铸造时继续使用75SiFe进行瞬时孕育则很难满足要求，此时，应使用石墨化能力更强的孕育剂。某厂使用的是SRCB孕育剂，加0.2%于小端包中，接铁水后马上浇注，效果很好。
2.2　浇注温度
　　浇注温度的高低对金属型铸件的成品率有直接影响。铸铁的合适浇注温度一般为1300～1380℃。浇注温度过高没有必要，过低，则易产生浇不足、冷隔等缺陷。对球墨铸铁材质来说，浇注温度应适当偏高，一般以1350～1380℃为宜。浇注温度过低，还会导致铁水质量下降，容易产生气孔。
2.3　浇注方式
　　金属型铸造的浇注方式与砂型铸造一样，也是先小股浇注认流，接着大股快速浇注，最后小股追浇，以免浇注过快金属液溢出型外。这里要强调的是，用金属型铸造时，在浇注开始前应将浇包咀对准直浇道口，一旦开始浇注中间不能断流。因为与砂型相比，金属型的激冷能力很强，若刚浇一下即断流(那怕是间隔1秒钟)，这一股先进入型腔中的铁水就会即刻被金属型冷却成若干个铁豆，而且表层被氧化，这样即使是紧跟着再浇，这些小铁豆也不会再与后来铁水融为一体，而是以“冷豆”的形式残存在铸件的表面，造成废品。
2.4　金属型预热
　　为了减缓铸型对金属液的激冷作用，金属型在用于浇注之前必须保持一定的温度。否则，由于金属液冷却太快，流动性降低而使铸件产生冷隔、浇不足、气孔等缺陷。所以，未经预热的金属型不能进行浇注。一般预热温度为250～350℃。某厂采用的预热方法是，先将金属型放在专用加热炉上烘烤至一百多度，然后再往型腔中浇入原铁液将金属型烫热至250～350℃。
2.5　喷涂涂料
　　金属型用涂料与砂型用涂料是不一样的。因为砂型吸水，砂型上刷涂料一般是在常温下进行的，最常用的砂型涂料粘结剂一般为耐火粘土，有的甚至不用粘结剂而只用耐火骨料(如石墨粉)与适量水搅拌而成。金属型涂料则不然。首先，因为金属不吸水，常温下无法喷涂或刷涂，只有在铸型预热后方可喷涂(刷涂效果不好)。另外，金属型用涂料对粘结剂粘结性的要求比砂型涂料高，因为当涂料被喷涂在预热的金属型上后，涂料中的水份会立刻被蒸发掉，如果涂料的粘结性不好，涂料中的耐火骨料(如石墨粉、滑石粉或硅藻土等)即被后来的喷枪气流吹走，从而失去涂料作用。某厂使用的涂料中除加有粘结性一般的耐火粘土外，还加有适量乳胶，效果很好。其配比为：70%石墨粉+30%滑石粉+10%粘土+3～4%乳胶+适量水。加水量的多少，即涂料的粘稠以喷枪能将涂料喷出为宜。涂料层的厚度也很重要，一般来说，在每个金属型刚开始用于浇注4～5次内，由于铸型温度较低，对金属液的激冷能力较强，为防止铸件出现白口，涂料层的厚度应稍大些，以降低铸件的冷却速度。通过浇注几个铸件后，当铸型温度升高到一定程度，铸型激冷能力有些降低，此时，可让涂料层薄一些。另外，要保证铸件质量的稳定，铸型温度不能太高，此时，可将涂料配得稀一些，以便通过铸型对涂料中的水份蒸发来降低铸型温度。还有一点要强调的是，喷涂涂料要均匀，切忌局部漏喷，否则，将容易造成铸件与铸型粘连的现象，使铸件脱型困难，同时容易损坏铸型。
2.6　出型时间
　　浇注之后，铸件在铸型中的停留时间愈长，由于收缩量愈大，铸件出型愈困难，铸件的裂纹倾向愈大，所以，在确保铁水凝固后，应尽早将铸件从铸型中取出。对于153齿圈毛坯来说，某厂的出型时间为浇注后30～40s，铸件温度在800～950℃(红外线测温)。另外，铸件出型后，应及时埋在型砂或干石灰粉中保温，以利用铸件自身余热对其表面过硬组织进行退火。

3　结论

　　(1)金属型铸造球铁齿轮毛坯与砂型铸造相比，铸件组织均匀、晶粒细小，综合性能好。
　　(2)与砂型铸造相比，金属型铸造球铁件时，应使用石墨化能力更强的孕育剂进行瞬时孕育处理；浇注温度应更高些，一般为1350～1380℃。
　　(3)在用金属型浇注小件时，一旦浇注开始中间不能断流，特别在浇注刚开始时更应注意。
　　(4)金属型在用于浇注之前必须预热到一定温度，一般为250～350℃。
　　(5)金属型涂料中加入乳胶时喷涂效果好，而且喷涂料一定要均匀，切忌漏喷。
　　(6)金属型铸造时，在确保铁水凝固后应尽早将铸件从铸型中取出，一般铸件的出型温度为800～950℃。

作者简介：刘贯军(1963-)，男，讲师。
刘贯军（河南职业技术师范学院，河南新乡 453003）

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