车用QT800-2球墨铸铁件余热正火工艺及其机械化生产设备的应用研究

作     者：王晓磊 

作者单位：江苏大学 

学位级别：硕士

导师姓名：孙少纯

授予年度：2022年

学科分类：08[工学] 080204[工学-车辆工程] 0802[工学-机械工程] 080201[工学-机械制造及其自动化] 

主      题：车用QT800-2球墨铸铁 余热正火工艺 机械化设备 传热计算 

摘      要：球墨铸铁凭借着优异的性能被广泛应用于机械、汽车等行业。随着技术的发展,车用铸铁件越来越多地使用高牌号球墨铸铁,而传统的铸造方式所得到的球墨铸铁的性能越来越难以满足要求。近年来高性能球墨铸铁件的经济化生产开发,已逐渐成为研究热点。通常砂型铸造条件下,要达到QT800-2标准的珠光体球墨铸铁,需要进行铸件的热处理。这不仅增加了生产成本,加长了生产周期,且需要消耗大量的能源。本研究的目的是通过提前高温打箱,利用铸件余热对车用QT800-2球墨铸铁件进行余热正火,实现球墨铸铁件的高强度和高韧性。在国外,已经普遍采用利用计算机对铸件的温度和余热正火的工艺进行精确控制,获得稳定的余热正火球铁件。国内利用球铁件余热正火只有少数研究,还需进一步系统性地探索。本文以砂型铸造车用QT800-2球墨铸铁加强梁铸件为对象,针对利用铸件余热进行正火的工艺方案展开研究。通过选择合适的打箱温度、合理的冷却方式以及合金元素的添加,来实现铸件性能达到QT800-2标准,并分析了余热正火态的试块基体组织和力学性能之间的关系。为了保证该工艺在实际零件生产中的可实施性,采用Pro CAST模拟仿真进行了辅助验证,并设计开发了与之相适应的振动落砂机和鳞板冷却输送槽,完成了车用QT800-2球墨铸铁加强梁的实际生产验证。具体的研究过程和结果如下:首先在铸件浇注完成、冷却凝固后选择合适的打箱温度。在725℃～900℃之间以25℃为梯度选取8个温度,在打箱后空冷的冷却方式下,研究车用QT800-2球铁的打箱温度对其组织和性能的影响:当打箱温度825℃时,在空冷的冷却方式下,试块基体组织中石墨球形态良好,珠光体含量在80%以上,抗拉强度可以达到859 MPa以上,断后伸长率可以达到10.4%;当打箱温度低于800℃时,通常空冷条件下球铁的性能达不到QT800-2的要求。进一步研究改变冷却方式即加快冷却速度对其组织和性能的影响:10 m/s的风冷搭配喷雾冷却可以将800℃打箱球铁的抗拉强度提升到806 MPa,断后伸长率为7.3%,实现了加快冷却速度提高珠光体含量及力学性能的需求。其次,合金元素Cu的添加会促进珠光体的形成,对珠光体片间距细化,同时有促进石墨化的作用,使石墨球更均匀地分布于基体中。研究表明,在850℃时打箱再经过10 m/s风冷和喷雾冷却后,在Cu含量为0.5 wt.%时珠光体含量为80%,其抗拉强度能达到847 MPa,断后伸长率为10.6%。随着铜含量的继续增加,对珠光体的促进作用逐渐饱和,而配合进行余热正火工艺可以更好的发挥Cu元素的作用。最后,对加强梁铸件的砂型铸造进行ProCAST软件的模拟仿真,分析温度场确定铸件在砂型中冷却到850℃的时间,即在实际浇注完成2573 s后打箱。打箱后铸件采用高频(25 Hz)低振幅(±3 mm)的落砂机快速落砂,并通过鳞板冷却输送槽中进行风冷和雾冷进行铸件的余热正火,实现铸件的机械化生产。对于加强梁铸件而言,传热学计算结果表明,10 m/s的风冷和喷雾冷却,以1.5 m/s的输送速度通过90米长的鳞板输送槽冷却,可使850℃打箱的铸件在出口处的温度100℃,满足实际生产要求,以便进入后续的抛丸工序。研究结果表明,针对车用QT800-2球墨铸铁,利用余热正火工艺可以有效改善球铁基体组织和提高其力学性能,降低能源消耗,缩短生产周期,降低成本;同时将车用球铁QT800-2铸件的余热正火工艺真正在铸造车间实现机械化设备生产,保证了工艺的可实施性,提高国内高档球铁的生产水平。