一种薄壁铸件轻量化铸造成型及控制工艺的制作方法

本发明涉及铸造质量控制，尤其是一种薄壁铸件轻量化铸造成型及控制工艺。

背景技术：

1、液压系统所用灰铸铁、球墨铸铁等薄壁阀体铸件属于工程机械、农用机械领域的常用零件，主要包括多路换向阀中间体、齿轮泵泵体、液压转向器端盖、梭阀阀体、溢流阀阀体等常规结构件，对其生产质量的控制主要依托铸造成型工艺进行调控。

2、目前，该类薄壁阀体铸件普遍采用覆膜砂重力铸造成型工艺进行生产，通过管控浇注温度、充型流速、砂型冷却条件等宏观工艺参数控制，实现铸件成型质量的控制，上述生产方式生产的常用件基本可以满足常规设备作业需求，能够满足农用机械日常短时、间歇式耕作的使用需求。

3、然而，在微耕机连片土地深耕、秸秆还田设备持续作业等常态化持续工作的恶劣工况下，液压系统需要长时间不间断供油、频繁换向、持续带载工作，油压处于高频循环切换、长时间连续满载状态，现有铸造工艺体系生产的薄壁铸件往往存在如下隐患：

4、一方面，现有凝固理论已明确，灰铸铁共晶凝固过程中，固液两相交界处存在固液界面温度，该温度既不同于铁液本体温度，也不同于热力学平衡共晶温度，而是介于二者之间的一个随凝固进程动态变化的物理量。然而，现有铸造工艺在实际生产中普遍以铁液整体测温数据或平衡共晶温度作为工艺控制的依据，导致晶粒生长速率的估算与实际凝固前沿状态存在偏差，难以实现对共晶凝固过程的精细化调控。

5、另外，在现有粗放控温模式下，薄壁区域微小过冷度波动会引发全域晶粒生长速率离散，形成方向性金相织构；在高频交变油压持续作用下，金相各向异性会转化为微观应力差，诱发晶间微裂纹与隐蔽微渗漏，容易导致精密保压工况下压力衰减超标，出现液压内泄、保压不稳、机具动力衰减等常见故障。

6、另一方面，阀体自带油路交汇热节与厚薄过渡异形结构，会造成不同结构区域散热热阻存在固有差异，在常规工艺成型中会导致各区域共晶相变启动时序无法同步，铁液中低熔点杂质元素必然在厚薄过渡界面持续富集滞留，在农机长时间连续满载作业工况下，富集杂质区域会持续诱发微观缩松与晶间剥离疲劳缺陷，直接降低阀体耐久使用寿命。

7、因此，有必要针对标准化薄壁液压阀体铸件在高频交变、精密保压、长时耐久的恶劣工况下运行的稳定性问题进行优化，用以更好地提升标准化薄壁阀体铸件的产品质量与服役稳定性。

技术实现思路

1、本发明为解决上述技术问题之一，所采用的技术方案是：一种薄壁铸件轻量化铸造成型及控制工艺，包括以下步骤：

2、s1、铁水熔炼完成后，对铁水进行复合稀土钝化改性处理，通过炉前光谱检测并实时获取铁水低熔点杂质元素含量数据，根据检测结果调控溶质分布状态，将铁水低熔点杂质含量限定在预设冶金控制区间内；

3、s2、承接处理后的铁水并执行浇注，浇注前采集铸型对应铸件不同结构区域的空载散热温度参数，预测各区域凝固过冷度并构建初始成型控制数据集，浇注后采集实际温度参数计算实际过冷度并对该数据集进行修正，形成适配薄壁铸件异形结构的全域差异化成型控制数据集；

4、s3、充型过程中，调用初始成型控制数据集，根据各区域预测过冷度匹配对应孕育剂投加参数，执行时序差异化随流孕育工序，同时实时监测充型过程参数并据此修正孕育剂投加时序；

5、s4、当铸件进入共晶凝固成型阶段后，基于型腔温度实时监测数据锁定共晶凝固持续时长，同时计算全域晶粒生长速率并统计其离散参数，根据时长偏差与晶粒速率离散程度反馈调节砂型冷却风量；

6、s5、当铸件进入至固液共存成型末期时，关闭型腔排气通道使内部形成密闭环境，根据型腔压力实时监测结果并维持腔内微正压，以抑制固液界面低熔点溶质的二次迁移与局部富集；

7、s6、铸件完成凝固成型后，随即执行分区梯度缓释冷却，冷却全程实时采集各区域温度衰减速率并据此调节冷却强度，最终得到成型薄壁铸件。

8、优选的，步骤s1按照如下步骤执行：

9、a1、按稀土硅铁合金与硅钙合金质量比3:1配制复合钝化剂，其中钝化剂粒度控制在1mm～5mm，并在200℃～300℃温度下烘干1h～2h；

10、a2、铁水出炉前采用氧探头检测铁液氧活度，将氧活度控制在2×10-6～8×10-6区间内，当氧活度超出该区间时通过补加钝化剂调节氧活度；

11、具体而言，氧活度偏高时，若硫含量低于控制区间下限则优先补加硅钙合金，若硫含量高于控制区间上限则优先补加稀土硅铁合金，若硫含量处于控制区间内则补加步骤a1配制的复合钝化剂；

12、a3、同时采用炉前激光诱导击穿光谱仪检测铁水硫、铅低熔点杂质质量分数，每炉次检测不少于2次，对于关键批次则采用在线连续监测模式，监测间隔20s～40s；

13、将硫质量分数控制在0.05%～0.08%，铅质量分数控制在0.002%～0.005%，当杂质含量超出控制区间上限时按铁水质量的0.05%～0.10%补加步骤a1配制的复合钝化剂，且单次补加量不超过铁水质量的0.15%，直至杂质含量回落至控制区间。

14、优选的，步骤s2按照如下步骤执行：

15、b1、在铸型型腔内壁对应铸件热节区域、薄壁平面区域、厚薄过渡区域分别预埋k型铠装热电偶，其中热电偶测点距型腔表面距离控制在2mm～5mm，响应时间不大于0.5s，测温范围满足0℃～1600℃短期测温需求；

16、b2、浇注前执行空白测温工序，采集各区域空载冷却曲线，考虑到覆膜砂热扩散系数随温度升高呈非线性衰减的特性，按200℃以下、200℃～600℃、600℃以上三个温度区间分别采用不同的热扩散系数修正值分段修正冷却速率，建立各区域砂型散热特性修正模型，在此基础上预测各区域凝固过冷度及相变起始时刻并构建初始成型控制数据集；

17、浇注后采集各区域温度曲线，基于该散热特性修正模型反推铁水冷却曲线，提取平衡共晶温度与实际共晶凝固起始温度的差值计算实际凝固过冷度，过冷度计算值范围为5k～40k，根据实际过冷度对初始成型控制数据集进行修正；

18、修正后的数据集既用于本炉次后续冷却工序控制，也用于下一炉次成型控制数据集迭代；

19、b3、随后按照过冷度数值将铸件划分为高过冷区（25k～40k）、中过冷区（15k～25k）、低过冷区（5k～15k）三个等级，并分别对应设定各区域孕育剂投加速率区间与冷却风量区间，最终形成全域差异化成型控制数据集。

20、优选的，步骤s3按照如下步骤执行：

21、c1、首先调用初始成型控制数据集，分别为高过冷区、中过冷区、低过冷区匹配铁水质量流量0.20%～0.30%、0.10%～0.20%、0.05%～0.10%的75硅铁孕育剂投加速率，其中孕育剂粒度控制在0.2mm～1.0mm；

22、c2、由于铁液在充型温度范围内表观黏度约2mpa.s～6mpa.s，且随充型降温析出初晶相后表现为表观黏度随剪切速率增大而降低的非牛顿流体特性；在充型紊流区剪切速率可达100s-1以上，导致孕育剂颗粒跟随性下降；

23、根据铁水流股流速实时修正孕育剂投加速率，具体为流速每增大0.1m/s，孕育剂投加速率对应上调1%～3%；

24、c3、同时，根据各区域铁液到达时间，将对应区域孕育剂投加起始时刻提前0.5s～1.0s触发，以保证孕育剂与铁液同步进入型腔各区域；

25、c4、充型结束后，通过各区域预埋热电偶实时采集共晶相变起始温度拐点，计算各区域实际相变起始时刻；

26、当监测到某区域实际相变起始时刻与数据集预测时刻偏差大于5s时，判定为孕育控制参数存在偏差，记录偏差数据，并根据偏差方向对应增大或减小孕育剂投加速率，修正生产数据库中对应区域的控制参数，用于下一炉次成型控制数据集迭代；

27、此外，当相邻区域实际相变起始时刻偏差大于5s时，记录该全域凝固均匀性偏差数据并关联存入生产数据库，作为下一炉次数据集迭代优化的依据。

28、优选的，步骤s4按照如下步骤执行：

29、d1、通过型腔预埋热电偶实时采集温度曲线，将共晶再辉温度平台持续时长锁定在20s～60s，当监测时长低于20s时降低砂型表层吹扫冷却风量，反之高于60s时增大吹扫风量；

30、d2、同时控制共晶阶段冷却速率维持在0.5℃/s～2.0℃/s范围内；

31、d3、采用薄壁阀体共晶凝固晶粒生长速率预测模型计算晶粒生长速率，其中界面曲率半径根据当前冷却速率与过冷度数值推算，且冷却速率越大、过冷度越大则曲率半径越小，推算取值范围为1μm～100μm，当推算值超出该范围时则按边界值代入计算：

32、；

33、模型中温度决定生长快慢，曲率决定有效过冷度，两者共同决定晶粒生长速率；

34、式中，为晶粒生长速率计算值，单位μm/s，在本工艺参数范围内计算值一般为5μm/s～40μm/s，用于统计全域各点位相对离散参数；

35、为频率因子，单位μm/，取值范围1.0×104μm/～1.5×104μm/，参考灰铸铁凝固动力学数据范围并按需结合现场工艺经验确定，可由本领域技术人员按需微调；

36、为凝固激活能，单位j/mol，取值范围1.0×105j/mol～1.5×105j/mol，参考铁碳合金共晶相变激活能数据范围并按需结合现场工艺经验确定，可由本领域技术人员按需微调；

37、为气体常数，单位j/，取8.314j/，为国际通用物理常数；

38、为固液界面温度，单位k，取值范围1390k～1425k；

39、为实际共晶凝固过冷度，单位k，取值范围5k～40k；

40、为gibbs-thomson系数，单位k.μm，取值范围0.1k.μm～0.5k.μm，根据铁碳合金凝固界面能与熔化潜热参数确定，具体计算式为；

41、其中为铁碳合金固液界面能，为灰铸铁平衡共晶温度，为单位体积熔化潜热；

42、为凝固界面曲率半径，单位μm，取值范围1μm～100μm；

43、根据计算结果统计全域各点位晶粒生长速率相对离散参数，当各点位晶粒生长速率与全域平均值的相对偏差超过+15%时，减小对应区域砂型吹扫风量0.1m3/min～0.5m3/min；

44、反之，当各点位晶粒生长速率与全域平均值的相对偏差超过-15%时，增大对应区域砂型吹扫风量0.1m3/min～0.5m3/min，使全域晶粒生长速率偏差收敛至平均速率的±15%以内。

45、优选的，步骤s5按照如下步骤执行：

46、e1、在砂型分型面铺设耐高温硅酸铝密封垫，其中密封垫厚度控制在2mm～4mm，压缩量控制在30%～50%，以保证分型面密封间隙不大于0.1mm；

47、e2、当型腔温度降至平衡共晶温度以下5℃～20℃时，判定铸件进入固液共存凝固末期，并关闭全部排气通道使型腔内部形成密闭环境；

48、e3、通过设置的型腔压力传感器实时监测腔内压力，将型腔微正压维持在5kpa～15kpa，该压力由惰性气体补压、覆膜砂残余发气与型腔排气之间形成动态平衡；

49、当压力低于5kpa时通过惰性气体进气阀补压，反之高于15kpa时开启微量排气阀泄压；

50、e4、密闭稳压维持时间控制在8min～15min，期间禁止开启砂型或扰动铸件。

51、优选的，步骤s6按照如下步骤执行：

52、f1、首先按照步骤s2标定的全域过冷度基准分区执行梯度缓释冷却，其中，高过冷区采用保温缓冷，冷却速率控制在0.05℃/s～0.1℃/s；

53、中过冷区采用0.1℃/s～0.3℃/s的弱风冷却；

54、低过冷区则采用0.3℃/s～0.8℃/s的强制风冷；

55、f2、冷却全程通过各区域预埋热电偶实时采集温度衰减数据，考虑到灰铸铁弹性模量随温度降低呈非线性增大的特性，按200℃以下、200℃～600℃、600℃以上三个温度区间分别采用不同的弹性模量温度系数并结合灰铸铁热膨胀系数计算因相邻区域温差导致的热应力，当相邻区域温差大于80℃时，暂停该温差超限区域对中冷却强度较高一侧的冷却工序，待温差回落至50℃以内后再恢复该侧冷却工序；

56、f3、当铸件整体温度降至200℃以下时解除分区冷却控制，转为空冷至室温，且铸件开箱温度不高于150℃。

57、优选的，步骤s6完成后还包括铸件凝固稳定度评价工序，按照如下步骤执行：

58、g1、汇总成型全过程采集的过冷度偏差、晶粒生长速率最大绝对离散偏差、低熔点杂质局部富集浓度增量、相变起始时刻偏差四项监测参数；

59、g2、随后采用凝固稳定度几何平均评价模型计算凝固稳定度：

60、；

61、式中，为凝固稳定度评价指数，无量纲，取值范围0～1；

62、、、、为各缺陷因子敏感系数，无量纲，取值范围均为0.65～0.75，参考灰铸铁各缺陷因子对铸件服役性能影响程度的文献数据，结合现场工艺试验标定确定；

63、为全域过冷度最大偏差，单位k，取值范围0k～50k；

64、为过冷度参考偏差，单位k，取50k，根据灰铸铁过冷度允许最大偏差确定；

65、为晶粒生长速率最大绝对离散偏差，单位μm/s，取值范围0μm/s～20μm/s；

66、为晶粒速率参考偏差，单位μm/s，取20μm/s，根据灰铸铁晶粒生长速率允许离散范围确定；

67、为低熔点杂质局部富集浓度增量，单位ppm，取值范围0ppm～200ppm，指凝固末期晶界及最后凝固区域杂质浓度相对于基体平均浓度的偏聚增量；

68、为杂质参考浓度，单位ppm，取200ppm，按需根据灰铸铁低熔点杂质允许偏聚增量确定；

69、为相变起始时刻最大偏差，单位s，取值范围0s～30s；

70、为时序参考偏差，单位s，取30s，根据薄壁铸件相变起始时刻允许偏差范围确定；

71、上述参考值可根据铸件壁厚、结构特征在投产前通过工艺试验结合空白测温结果标定调整；

72、当任一监测参数超过对应参考值时，凝固稳定度直接判定为不合格，不再执行公式计算；

73、g3、根据计算结果，当判定为一级合格，当判定为二级合格，当则判定为不合格品转入回炉重熔工序；

74、g4、将评价结果与铸件批次编号关联后存入生产数据库，形成可追溯的凝固质量参数记录，用于后续成型控制数据集迭代更新。

75、优选的，步骤s4中所述反馈调节砂型冷却风量采用凝固协同偏差收敛控制逻辑执行，按照如下步骤执行：

76、h1、实时获取全域过冷度最大偏差、晶粒生长速率最大绝对离散偏差、相变起始时刻最大偏差三项参数，分别除以各自标定基准值进行归一化处理，再按预设权重加权求和（三项权重之和归一化为1）后开平方，得到当前凝固协同偏差指数，该偏差指数取值范围0～1，越接近0表示凝固状态越均匀；

77、其中所述预设权重取值范围均为0.2～0.5，根据各偏差因子对铸件质量的影响程度确定，且设备投产前通过工艺试验结合空白测温结果标定；

78、所述标定基准值则根据灰铸铁各参数允许偏差上限确定，具体为过冷度标定基准40k～50k，晶粒速率标定基准15μm/s～20μm/s，相变起始时刻标定基准25s～30s；

79、h2、根据炉前检测的铁水低熔点杂质含量计算自适应控制增益，杂质含量越高则预测凝固末期偏聚倾向越大、增益越大，增益取值范围0.1m3/min～0.5m3/min，根据砂型热惯性与风量响应滞后时间确定；

80、结合凝固协同偏差指数与偏差变化率，叠加微分超前调节量，其中微分作用时间系数取0.5s～2.0s，根据冷却系统响应时间常数确定，计算得到风量调节增量，调节增量取值范围-1.0m3/min～1.0m3/min；

81、此外，对于结构热节区域，还需叠加0m3/min～0.3m3/min的前馈补偿量，根据铸件热节体积与结构特征预设；

82、h3、将风量调节增量叠加基准风量后，经上下限幅与单步变化率约束输出至变频风机，调节砂型表层吹扫冷却强度；

83、其中，基准风量取0.5m3/min～1.5m3/min，风量输出范围0m3/min～3.0m3/min，单步最大变化率控制在0.1m3/～0.3m3/；

84、h4、每间隔1s～5s重复执行h1至h3步骤，直至铸件进入固液共存凝固末期时停止控制逻辑运算，转为步骤s5的密闭稳压控制。

85、优选的，所述工艺的各工序由工业计算机按预设控制逻辑依次执行，其中计算机内置步骤s2构建的全域差异化成型控制数据集，实时接收各传感器采集的杂质含量、型腔温度、型腔压力、铁水流速数据，每1s～5s执行一次数据采集与控制指令更新；

86、当监测数据超出预设控制区间时触发分级报警，所述偏差比例以对应参数预设控制区间宽度为基准计算：

87、一级报警为参数偏差超出允许范围且不超过10%，计算机自动微调对应工艺参数并记录调整日志；

88、二级报警为参数偏差超出允许范围10%以上且不超过30%，计算机暂停当前工序并弹出人工确认界面，待操作人员复核后决定继续或终止；

89、三级报警为参数偏差超出允许范围30%以上，计算机终止浇注流程并启动应急回炉工序，同时向管理人员发送告警信息；

90、此外，各工序工艺数据按铸件批次编号自动存档，保存周期不少于3年，支持后续质量追溯与成型控制数据集迭代优化。

91、优选的，所述薄壁铸件为液压阀体薄壁铸铁铸件，包括多路阀壳体、液压转向器壳体、齿轮泵壳体、柱塞泵壳体、液压马达壳体中的任意一种；

92、其中铸件毛坯结构尺寸、油路布局及成型模具均采用现有定型设计，且铸造成型过程中不改动铸件结构与模具型腔。

93、与现有技术相比，本发明的有益效果如下：

94、1.本发明通过空白测温建模与浇注后修正构建全域差异化成型控制数据集，结合时序差异化随流孕育和共晶凝固阶段晶粒生长速率离散参数反馈调节砂型冷却风量，使铸件全域晶粒生长速率偏差收敛至平均速率的±15%以内，有效消除了因薄壁异形结构散热差异导致的晶粒生长速率离散和定向金相织构，避免了高频交变油压作用下晶界微裂隙的产生，显著提升了液压阀体的耐压保压性能和连续满负荷作业的可靠性。

95、2.本发明通过复合稀土钝化改性处理结合炉前光谱实时检测，将铁水低熔点杂质含量控制在预设冶金区间内，并在固液共存凝固末期采用关闭排气通道维持腔内微正压的方式，抑制低熔点溶质向固液界面的二次迁移与局部富集，从熔炼源头和凝固末期两个阶段协同控制溶质偏聚，消除了厚薄过渡带晶界杂质富集引发的晶间剥离和微观缩松缺陷，提高了铸件致密度和力学性能，延长了服役寿命。

96、3.本发明将传统覆膜砂重力铸造依赖经验的宏观参数调控，升级为基于微观凝固冶金行为的精准量化控制，通过型腔温度实时监测、晶粒生长速率计算与离散统计、风量闭环反馈调节以及凝固稳定度几何平均评价模型，实现了从过冷度预测、孕育控制、凝固调节到质量评价各环节的数据驱动，使各炉次铸件的成型质量稳定可控，批次间性能离散度显著降低，有效提升了批量生产的一致性和成品率。

97、4.本发明在不改动现有定型液压阀体铸件结构尺寸、油路布局、壁厚设计和成型模具的前提下，仅通过优化铸造成型及控制工艺参数即可实现微观冶金质量的提升，适用于多路换向阀壳体、液压转向器壳体、齿轮泵壳体、柱塞泵壳体、液压马达壳体等多种标准薄壁铸铁铸件，无需额外投入模具改造成本，工艺调整简便易行，具有良好的工程通用性和批量生产落地性。