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日本铸造的新技术推介

日本铸造的新技术推介

2017-02-24 发动机技术
 

 

日本素形材杂志每年的第一期都专门介绍上一年的新技术发展,称之为'杂志上的新素形材展览'。2002年铸造方面共介绍了22种,其中有2种获得了政府及有关部门的奖赏。现简介如下:


一.利用铸铁特性制成的高音质扬声器


扬声器的构成主要有:扩声部分、电路和外壳。特别是在外壳方面,为了彻底控制其达到不振动,利用了下述三种铸铁。


◆ 高碳片状石墨铸铁。石墨含量高,且石墨片长的铸铁。

◆ 共晶石墨铸铁。用连续铸造法制造的共晶石墨铸件,从内部到外部都具有细密组织。

◆ 铸铁粉。铸件抛丸清理的废弃物。


外壳部分用铸铁制成的部件有三项:


1.安装低音喇叭用的铸铁环。在喇叭与前板之间装高碳片状石墨铸铁环,既提高刚性又可减振。


2.铸铁制竖振子和铸铁制减振杆,在项板上装共晶石墨铸铁棒形振子,并用减振杆固定前板、侧板和里板。


3.铸铁粉夹层板。将铸铁粉制成片状夹在两配线板之间。 由于在以上三种构造上下了功夫,抑制了外壳的有害共振,低音喇叭振动板忠实按输入信号动作,从而使低音分辨能力达到前所未有的水平。



二.大型矩形球铁隧道结构段


采用矩形断面的框架,与圆形断面框架相比,隧道内空间可以有效利用,掘土量也可以减少。但比圆形结构段的弯矩大,因而要求有高的强度,也会有由于形状复杂而致费用高的问题。为了解决这个问题,日本京都地铁东西线上首先采用了大型矩形断面框架结构段。


隧道由无中柱的连接部分(57米)和有中柱的一般部分(703米)构成。一般部分采用球铁铸造的结构段。有中柱的矩形断面结构段,中柱与框架外围接连部有很大的弯矩。据此断面力来决定整体的断面是不经济的。


因此仅在中柱的结合部用抗弯曲强度高的波形断面,其他部位用经济的四柱梁 断面。经过实物的环形载荷试验,弯矩、轴向力及变形分布等实测值与分析值基本相近,证明构造是安全的。


三.耐磨的高合金麻口细晶粒铸铁轧辊


带材热轧机用的工作辊,前段到中段台架都可用耐磨性好的低合金钢轧辊。但后段台架用低合金钢轧辊就有可能发生事故的问题。现在也使用耐事故性好的高合金麻口细晶粒铸铁轧辊。


为保持其耐事故性同时进一步提高其耐磨性和保持表面质量的能力,开发了新型的高合金麻口细晶粒铸铁轧辊。新型轧辊的金相组织(面积比)是:30-40%的渗碳体,2-5%的石墨,其余为硬度HV480-520的基体。


新型轧辊中加入了原先高合金麻口细晶粒轧辊中没有、而低合金钢轧辊中含有的合金,并调整了化学成分。


低合金钢中的合金,能和碳结合结晶出高硬度的MC型碳化物。另一部分固溶于基体中,强化基体。基体的硬度由原来的HV512提高到新开发的HV568,提高了11%。


为提高耐磨性而添加的低合金钢中含有的合金,是白口形成元素,因而会阻碍石墨结晶析出,而石墨又是保持其耐事故所必需的,因此对成分进行了调整。


新开发的轧辊(轧钢2000吨)与过去的轧辊(轧钢1250吨)轧钢后,对表面进行了检查,确认新开发轧辊的磨损比过去的轧辊要少。而且过去的轧辊表面粗造度为11.9μm,新产品为Rmax6.9μm,表面质量也有了改善。耐磨性用每磨损1mm的轧辊量来评价,新轧辊是过去轧辊的130‰。


四.可焊接、可热处理的薄壁压铸摩托车架


摩托车的车架此前多是用板材、挤压的型材或者锻材制成的部件和重力铸造的铸件焊接组装构成的。但是,用板材和型材作出自由曲面受到一定的制约,重力铸造在大型化和薄壁化方面也受到限制。


从车架设计方面说来,最好能作出理想的自由曲面,在强度上必要的部分厚一些,不必要的部分尽可能薄些,达到轻量、高刚性构造。因此,研究开发了薄壁大件也可成形,通过热处理可获得充分的强度和伸长率,而且可焊接组合的压铸件生产技术,并应用于摩托车车架。



压铸是通过柱塞和缸体将铝液高速注入压型,能复制精度好的薄壁铸件而且成形效率高的铸造技术。不像板材、型材那样铸造后需要压伸、挤压等二次加工,压铸可以直接成形,从而可降低成本,能耗,对环境影响小。


但是,一般压铸时,烙液中易于卷入空气和氧化物,制品中含气量高、缺陷多,进行T6热处理和焊接有困难。而且,薄壁部分凝固快,大型薄壁化时在填充性上也受到制约。针对上述问题采用了以下措施。


1.压型密封和真空排气,压型内达到5Kpa程度的高真空时进行铸造,以抑制高速浇铸时卷入空气。


2.控制压型温度,薄壁时提高铝液流动性,可成形大件。


3.根据铸件的形状和壁厚,精确控制浇注速度,减少紊流。


4.铝溶液净化处理,减少活塞一缸体间的润滑剂,以极力控制产品中混入不纯物质。


5.用计算机对流动、凝固进行模拟分析以取得最佳的压型设计方案。


采用以上措施后,压铸件的含气量在3ml/100g以下,与重力铸造的铸件相当,可进行T6热处理和焊接。一般铸件壁厚以2.5mm左右为界限,现在壁厚1.5mm的也可成形,最大尺寸可到1.5m。


五.与透平罩壳成一体的排气岐管。


在世界规模的竞争中,汽车零部件降低造价是重要的议题。在铸造方面,重要任务之一就是从设计自由度着手,发展一体化、中空化,以达到轻量化,降低造价的目的。


将汽车发动机的透平罩壳和排气岐管一体化,从而省掉两者相连结的法兰等零部件,使重量减轻20%,造价降低30%。


透平罩壳铸件要求有耐高温氧化性和耐生长性,而排气岐管则主要是热疲劳的寿命问题。要解决这二个方面的要求。


在铸铁表面形成富硅层,可以提高耐高温氧化性,经试验加4%的硅即可达到此目的。而硅量在3.8%以上时,也可满足耐生长性的要求。


热疲劳寿命受制品形状和使用环境影响很大。大体上说,硅量在3.5-5%时(特别是最高时)在各种条件下均可达到提高热疲劳寿命。 球铁含硅在4%以上时,有过共晶的倾向,应注意铁水的流动性和产生石墨漂浮的问题。


对此,碳当量(C+1/3Si)宜在5%以下。 因此,硅量在4-5%,碳量在3-5%以下时,可满足两方面的要求,而达到透平顶罩壳与排气岐管整体铸造的目的。


六.纤维增强的发动机缸体


汽车的发动机要向轻量化、紧凑化、高性能化方向发展。


轻量化主要是发动机中最重的缸体使用铝合金,紧凑化主要是缩短缸体的各缸孔间的尺寸,以达到使缸体全长缩短。高出力是同样的缸体使缸径扩大从而增大排气量,这与简洁化是兼容的。高性能化是使缸体整体铝合金化,使缸孔的热传导好、变形小,从而提高发动机效率,节约能源。


原来的缸体多用铝合金压铸,镶铸铸铁缸套,不能满足上述要求。因而开发了整体铝合金发动机缸体,缸孔部分用纤维增强金属。


缸孔部分用陶瓷纤维预制品,其间隙中浸入铝合金液体,置换空气而形成。预制品在压型中定位,与过去用的铸铁衬套同样。将预制品进行预热,固定在支撑物上,支撑物在压型中定位。


另外,为使预制品的纤维间隙易于浸入铝液,采用层流压铸法。为防止铝液温度降低,向压射室涂敷粉状润滑剂,压型上涂敷粉状离型剂。铸造后可将支撑物回收反复使用。



七.降低制动噪声的高衰减制动鼓材料


近来对汽车制动噪声的要求愈来愈严,在开发高性能制动材料时,在要求改善其可信赖性和耐久性的同时,也要提高其衰减性能。首先在其化学成分的选定上要使其在衰减性、强度、耐热裂等方面都有优良性能。


材料的化学成分及力学性能



主要化学成分(%)抗拉强度Mpa硬度HB
新开发材料3.7C·2.05Si·Mn·Ca·Cu·Ni·Mo313207
原用材料3.2C·2.3Si·0.75Mn261212


选定的化学成分如上表所示。C当量高,强度降低,因而添加少量Mn,Cr,Cu等元素补偿。另外考虑了耐热裂性和耐热性,而加了Mo及Ni。


在控制片状石墨铸铁的组织方面,石墨形状为细长的A型石墨,石墨大小均一而 且多。在基体组织上为全珠光体,或者是珠光体和少量马氏体(M)或具氏体的混合组织。


这项材料的衰减率的测定结果表明,测定值是Fe250的三倍以上,从而降低了制动的噪声,在耐裂性方面,裂纹深度改善了40%左右,长度改善了15%左右。并成功地用于工业用车的制动鼓的批量生产。


八.高强度、高延性的球墨铸铁


控制球铁的基体组织,可改变其强度和伸长率,但要使两者同时满足要求则比较难。FCD700、800级高强度材料,延伸仅为2-4%。基体为贝氏体的FCAD900,是两方面都具备的材料,但切削加工困难,难以推广。


如果有了强度和伸长率高、又可快速切削的球铁,就可代替锻钢,使现在的产品轻量化,又可降低成本。过去也曾借助热处理得到二相组织的球铁,但有成本方面的问题。


此处介绍的新材料是用现有生产线生产,不经过热处理,或用成本低的热处理制得的球铁(高级球铁)。以FCD450的化学成分为基础,仅添加Ni即可达到高强度,高伸长率。


新开发的合金与过去用的合金的力学性能比较


材质名抗拉强度MPa屈服强度MPa伸长率硬度
开发合金(D80AS)750-820510-5607-12229-277
FCD450A470-530300-34012-20140-212
FCD800A8004802201-331
FCAD9009006008277-311


铸铁中加入少量的Ni可改善其对壁厚的敏感性,Ni是促进铁素体的元素,约在5%(质量比)以上,即出现马氏体。再增加Mn含量则析出贝氏体。Ni含量调到3%、铸态下球状石墨周围残存有铁素体,在其周围为珠光体。


此时,特别是距石墨远的部分,组织变成细微的珠光体,而提高了强度,铁素体的存在可以确保适当的延性,而成为高强度、高延性,也就是由于Ni的铁素体的促进作用,Mn则促进粒界偏析而生成细微的珠光体,从而使基体复合化,是此项合金的特点。


由于冷却条件是铸态的,壁厚受到限制,抗拉强度800Mpa、伸长率10%时,冷却速度约在0.1-1.0℃/sec范围,也就是壁厚在7mm-90mm左右,很多汽车、电力机械的部件都可包括在内。


九.球状碳化物合金材料 ——具有高韧性、高耐磨性的金属材料


建筑、电力、炼铁、水泥等行业使用的机械和装置,为了提高其耐久性多使用耐磨材料。此类耐磨材料的硬度愈高,耐磨性就愈好,过去多用白口铁和高铬铸铁,金属基体中有Fe—C系和Cr—C系高硬度碳化物析出。


但是,提高耐磨性的碳化物非常硬,因而有其脆的负面特性。在金属基析出的碳化物也表现为网状和片状,这种材料其本质都是脆性材料,有冲击性能差的缺点。因而要开发耐磨性和韧性兼备的新材料。


铸造工程中,对Fe—C—V系列或Fe—C—V—Si系的合金组成,适当加以控制,金属的基体中析出球状细小的(3—8μm)含V碳化物,可大幅度改善以前金属基体中所见到的碳化物。改善了由于片状和网状碳化物引起的应力集中所产生的脆性。此外,含V碳化物(VC)的硬度也比原来碳化物高(威氏显微硬度计硬度约为2700),耐磨性也更好。


这种金属基体可按要求而制出。其耐磨性可以和铸态马氏体基体的高铬铸铁相当,而韧性可以高于高铬铸铁。基体组织以贝氏体为主时,铸态的冲击韧度可达到20J/CM2以上。



十.建筑结构用高强度高韧性铸钢材料


建筑结构的柱、梁结合部位,通常用焊接结构。为了减少焊接工时,缩短工期,提高机能和设计水平,接口部位多采用铸钢件。近来,对这种铸钢接口部件的性能和轻量化要求日益严格,特别是阪神地震后,不仅要求强度,也要求有好的韧性。因而研究开发了韧性强度都好的铸钢材料。


要兼有高强度和高韧性,对材质的化学成分,热处理条件都必须重新进行研讨。如表1所示,建筑件用钢的力学性能与JIS焊接结构用铸钢件标准制定值相比,不仅0.2%屈服强度和抗拉伸强度高,0℃下的夏氏冲击值也是标准规定值的三倍以上。这可能是从建筑结构的安全性着眼的。


为了保证表1中的要求性能,选定的化学成分见表2。铸件应经切割、淬火和回火。淬火时的冷却速度应不低于90℃/min。回火后取样测定力学性能。


此材料已用于超大结构的柱梁结合部铸钢件,重6.9吨的中空结构,基本壁厚为100mm。要使冷却速度为90℃/min,必须水淬。


表1 SCW620材料的力学性能的标准值和建筑用部件的要求值。

材料0.2%屈服强度(Mpa)抗拉强度(Mpa)伸长率(%)夏氏冲击值(0℃)(J)
JISG5102标准≧430≧620≧17≧27
要求≧441≧637≧17≧47(min) ≧94(Ave)

表2 试验材料的化学成分范围(质量%)

CSiMnPSNiCaMoV碳当量PCM
0.4-0.160.25-0.50.8-1.250.005-0.0060.004-0.0061-2.10.1-0.40.15-0.250.09-0.11≦0.50≦0.30

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