5步识别铸件缺陷


铸 件缺陷的识别、诊断、最小化或消除是铸造企业在低成本、高效率模式下运行的重要环节。

这个过程可以反证传统经验是不正确的,并且证明意想不到的新方法才是解决问题的最佳方式。

为了达到目标,要记住3个要点:
1.重视根据外观识别铸造缺陷。
2.注意铸造工艺和变量的交互性。
3.使用严格的实验方法来研究铸件缺陷的复杂原因。

检验员可以在粗略检查的基础上快速标注缺陷原因。要用夹渣和冷隔等术语标定缺陷。国际铸件缺陷图谱根据外观制定了缺陷的特定代码/类别。这也表明铸造工人应该意识到,大多数铸件缺陷是由多个工艺变量的相互作用引起的,而不是温度或浇注系统设计等某一个因素造成。这就允许铸造工程师设计出挖掘复杂的缺陷原因的实验。美国铸造协会会员企业CWC Textron铸造公司(密歇根州马斯基根)通过对铸造缺陷的分类、识别、原因确定和减少缺陷的过程来解决凸轮轴铸件的缺陷问题。

铸件缺陷从铸型由人工浇注升级到自动浇注后开始出现。与人工浇注系统相比,自动浇注系统被认为是更安全、更可靠和更高效的。

然而,在早期测试中,将人工浇注的铸件与自动浇注的铸件进行比较,自动浇注的铸件废品率始终处于更高水平。而其他变量,如浇注温度和取件时间会影响废品率。

几十年来,这家铸铁厂一直生产合金和球墨铸铁凸轮轴。所有铸型均采用高压、水平分型有箱线湿型砂工艺生产。造型线上的砂箱通过传送带送到浇注区。

采用冲天炉熔炼,铁液在有芯感应电炉中保温。然后从感应电炉倒入大的中间包并加入了MgFeSi。在人工浇注作业中,铁液从中间包倒入浇包,采用铸型内孕育方式。铸件缺陷的主要原因被简单地归为“灰尘”或“夹渣”。

现在,自动浇注系统取代了人工浇注。为了使浇注更安全、更稳定,采购和安装了设备。自动浇注系统的浇包比人工浇注的浇包能够容纳更多的铁液。在从人工浇注到自动浇注的过渡期间,人工浇注区仍保持作业。

每当使用自动浇注系统浇注时,凸轮轴出现夹杂物缺陷的频率很高。这些缺陷很小,但足以使铸件成为废品。

为了解决夹渣、针孔和浮渣缺陷,CWC Textron公司采用了经过验证的分步方法。

5个步骤
以下是每个步骤需遵循的细节。针对不同的铸造企业,方法和工具可能会有所变化。

第1步:确定缺陷
铸造工人倾向于根据夹渣或夹砂等原因识别缺陷。虽然这是一种可接受的方法,但在检验完成后,根据国际铸件缺陷图谱的建议,即根据缺陷外观而不是原因对未知缺陷进行分类。根据图谱中的照片和描述,铸造厂判断这些缺陷似乎属于G121(夹杂物缺陷)或B123(针孔缺陷)(图2和图3)。

这种分类方法的优点主要是允许铸造厂选多个缺陷标签,并且使调查不同的缺陷原因有更多空间。

详细的光学显微照片证实了这些缺陷是与镁蒸气有关的浮渣和针孔。在调查原因和补救步骤之前,必须通过详细的分析来验证铸件缺陷。除光学显微镜外,还可使用SEM(扫描电子显微镜)和光谱分析仪。

第2步:实验设计
人工浇注铸件时,夹杂物缺陷的发生频率非常低。当使用自动浇注系统时,夹杂物缺陷的发生频率却非常高。此外,观察发现,在同一天的同一时间、湿砂参数类似的情况下,与人工浇注相比,使用自动浇注系统的夹杂物缺陷发生频率仍然更高。这表明金属液和型砂不是缺陷产生的主要原因。因此,没有进行调整铁液成分或改善砂型性能的试验。

然而,CWC公司专注于研究浇注温度、浇注时间和工艺、镁的处理和孕育方法(在人工浇注中是块状,自动浇注装置中是随流孕育)。表1概括了所需考虑的关键变量和因素。基于众所周知的统计方法设计了详细的分数因子设计实验。大多数铸件缺陷是由相互作用的变量引起的(例如,低浇注温度+特定化学成分)。

因子设计是一种允许同时对许多因素进行实验的工具。在本案例中,研究人员采用了2级因子设计方法,其中有3个影响因素需要进行8次实验。实验中需考虑的3个因素是:浇包类型(常规浇包和隔热浇包)、温度(较低的浇注温度和较高的浇注温度)和浇杯(D形杯:一侧扁平的锥形杯,以及曲线盆杯)。表2中提供了详细的因子设计/实验设计信息。

第3步:浇道设计和过滤检查

通常,铸造人员在发现夹渣/浮渣缺陷时,会仓促进行浇注系统的调整。虽然浇注系统中的紊流可能是一个重要因素,但浇注系统是铸造厂多变量生产环境中为数不多的常数之一。由于这种浇注系统在人工浇注中运行良好,因此铸造厂未提出任何大的改进。在实验中,还注意到浇道底座和浇道的横截面积非常大,浇注时间由人工浇注的操作来控制;而且强烈建议进行凝固和流动的计算机模拟,以检查浇注系统的性能。随着金属液的流动速度加快,铁的氧化和夹杂物的形成可能会增加。减慢流速并保持浇注系统充满状态可能会减少铸件表面的夹杂物。

过滤片应被视为“保险”措施,而不是为了去除外部炉渣和浮渣。低效的除渣操作会导致过滤器堵塞,从而很快导致滞流和浇注减慢。过滤片通常被认为是“流动改良器”,因为铸件中的夹渣主要与浇道和浇口系统中的紊流有关。

确定过滤片的尺寸有两方面因素:首先,尺寸与确保过滤片阻流截面不堵塞有关。标准的经验做法是过滤片的横截面积应至少是阻流截面的4-6倍。

其次,尺寸的要求与过滤金属液的能力、或在堵塞之前通过过滤片的球墨铸铁铁液的容量有关。通常情况下,过滤片的金属过滤能力约为20-40磅/平方英寸。

过滤片孔径可分为细孔、中孔和大孔。在大多数应用中,优选中型或大型孔径。过滤片供应商可以为特定的铸件和过滤类型提供合适的尺寸对照表。

在本实验项目中,过滤片足以满足特别应用,在浇注系统中确定过滤片的尺寸和放置过滤片都有非常好的指导。

第4步:初步试验
重要的是,只需很少的变量就可以进行试验。还需要有适当的实验设计以确保获得相互作用效果(例如,浇注时间、温度和化学作用的综合效果)。浇注按炉次分组、每个炉次至少浇铸10-20个铸型。测量和记录与铸件相关的所有变量非常重要。

第5步:生产试验
生产试验的数量和细节在质量保证计划中非常重要。汽车领域的生产试验通常需要生产数千个铸件。一些铸造厂可能要检查整个班次或多个炉次的数据,以确保质量的可重复性和可靠性。数据跟踪包括浇注温度、浇注时间、微观结构、化学反应过程、与力学性能相关的实验室检测结果及其他信息。

在初步和生产试验期间,采用自动浇注,但是金属液的运送采用了人工方式(通过叉车),因此花费了更多时间,导致温度的损失高于正常水平。5个步骤分析之后,得出下列减少铸件缺陷的方法:

•提高浇注温度。
•控制浇注温度(提高浇包隔热性能)。
•减少镁的添加量。
•球化处理后增加铋的添加量。
•提高自动浇注能力,倒入浇口中心。
•降低铸型中金属液的流速,减少紊流。
•使用全自动浇包充型操作方式的自动浇注系统。■