生产球铁磨球铁型覆砂层厚度的研究

生产球铁磨球铁型覆砂层厚度的研究

夏兴川，刘金海，李日

摘要：铁型覆砂生产球墨铸铁磨球工艺中，覆砂层的厚度是一个重要的参数。利用华铸CAE软件，在固定磨球成分、铁型厚度、温度和覆砂层温度的前提下，对中120mm磨球不同的浇注温度、覆砂层厚度进行了模拟，通过分析不同参数下不同覆砂层厚度的凝固温度梯度、温度曲线和缩孔、缩松倾向，得出生产少120mm磨球时覆砂层厚度应选择3~8mm，不宜超过9mm,浇注温度不宜低于1320℃。

关键词：覆砂铁型；覆砂层；球墨铸铁；磨球；模拟

磨球是广泛应用在冶金、矿山、钻探、电力等工业领域球磨机设备中的主要磨损件，每年全国磨球的消耗量已超过100万吨，一直以来许多的学者都致力于改善磨球的抗磨性能，降低成本及降低球耗等方面的工作。目前磨球的生产工艺主要集中于锻造、金属型铸造、砂型铸造以及铁型覆砂技术。

铁型覆砂技术，是在金属型型腔内覆上薄砂层而 形成铸型的一种新型铸造工艺。这种工艺融合了金属型的激冷作用和砂型退让性好的优点，为生产高质量 的磨球创造了条件。根据磨球的工况一般要求磨球要 具有较高的冲击韧性，较高的硬度以及性能的均一性，这就要求在磨球生产过程中首先要保证没有缩孔、缩松。在铁型覆砂工艺中，铁液同时受覆砂层和铁型的影响。目前对铁型覆砂工艺中覆砂层厚度的研究很少，本文中利用华铸CAE软件就不同浇注温度、覆砂层厚 度和相同的铁型厚度、温度下对少120mm (考虑缩尺，模拟所用为少123 mm，下同）磨球凝固温度梯度、温度曲线及缩孔、缩松的影响进行研究，以期得到适合铁型覆砂工艺生产球铁磨球覆砂层范围，为生产提供参考。

1铸造工艺图及相关参数设置

1.1铸造工艺图

参照其他试验的铸造工艺布局,详细工艺设计过程将另行介绍，铁型覆砂采用一模四球，一个浇道一个补缩块，考虑了实际生产中射砂口的开设及浇道窝覆砂等问题。为减小计算量，模具中四个磨球的覆砂层厚度各不相同，可同时得到四个覆砂层厚度数据。

1.2凝固温度梯度、温度曲线选取

铸件凝固温度梯度、温度曲线的选取：过磨球中心面将磨球切开，相应的中心面作为凝固温度梯度分布面；按着从内浇口中心到磨球中心，等距离选取六个点（内浇口中心处标号为1,磨球中心标号为6)作 为测验点。

1.3相关参数设置

模拟参数的选择，对于模拟结果具有重要的影响， 在模拟过程中对参数设置进行了统一，主要参数为: 覆砂层厚度分别为0.5 mm、2 mm、3 mm、4 mm、 5 mm、6 mm、7 mm、8 mm、9 mm、10 mm,浇注温度为1320℃、1350 ℃、1380℃、1420℃,铁型为灰口铁，型砂为树脂砂，铸型温度、砂壳温度为25 ℃。 在相应模拟过程中，整个试验过程按纯凝固传热计算进行。

化学成分的变化，会导致磨球凝固特性的变化， 合理地设定磨球的成分至关重要，在参考相关文献的 基础上，充分考虑磨球具有足够的抗冲击疲劳性能、硬度和韧性以及足够的淬透性，本试验确定了主要元素成分，见表1。

表1铁液主要化学成分

2结果分析

降温速率按下式计算:

式中：V为降温速率，℃/s；T1为浇注温度，℃；T2为选取温度，℃；选择T2=1180℃；t为浇注结束开始到磨球中心冷却到1180℃所用的时间，S。

图1 铁型与不同覆砂层降温速率

2.1铁型、砂型与不同覆砂层厚度对磨球中心降溫 速率的影响

对比铁型、砂型与不同覆砂层厚度对磨球中心降温速率的影响，对覆砂层厚度的选取具有重要意义。 图1为铁型与不同覆砂层厚度对降温速率的影响。

从图1可知，覆砂层为0.5 mm时，降温速率同铁型基本一致；覆砂层增加到2 mm时，降温速率同铁型相比明显下降，相当于铁型降温速率的1/2,并且随浇注温度的不同，降温速率波动较大；覆砂层厚度为3 mm 时，降温速率随浇注温度不同波动较小，趋于平稳， 有平行于砂型降温速率的趋势。此时覆砂层开始发挥砂型铸造的优势。

覆砂层厚度达到10 mm时，磨球中心的降温速率 同砂型基本一致；当覆砂层为9 mm,浇注温度为 1 380℃B寸，磨球中心降温速率同砂型基本一致，•当覆 砂层为8 mm时，磨球中心的降温速率均高于砂型。说 明当覆砂层达到10 mm时，铁型覆砂铸造中，铁型的 激冷作用基本消失，所以0120 mm球铁磨球覆砂层的 厚度不宜达到10 mm。

2.2不同覆砂层厚度对磨球中心降温速宰和冷却时 间的影响

研究覆砂层厚度对磨球降温速率和冷却时间的影 响，对于保证磨球质量、提高生产效率、降低生产成本具有重要意义。

由图2可知，随着覆砂层厚度的增加，磨球中心降 温速率逐渐降低。覆砂层为3 mm和4 mm时，降温速率 总体变化不大；当覆砂层增加到5 mm时，降温速率下 降较多；覆砂层增加到6 mm时，降温速率同5 mm相比下降较多；覆砂层为6 mm、7 mm和8 mm时三者总体变化不大。

图2 不同覆砂层厚度的降温速率

从图2可以看出，在覆砂层厚度为0.5 mm和2 mm 时，冷却时间变化较大；覆砂层为2 mm、3 mm、 4 mm时浇注温度高于1 320 T：时冷却时间变化相对平 稳，浇注温度为1 320 ℃时，2 mm和3 mm时间变化较 大，3 mm、4 mm、5 mm时变化较为平稳；当覆砂层 厚度超过6 mm后，冷却时间变化又趋于平稳。

2.3铁型、砂型和铁型覆砂层厚度对磨球凝固温度 梯度、温度曲线和缩孔、缩松的影响 凝固温度梯度、温度曲线可以很直观地预测磨球 缩孔、缩松倾向，对于磨球的生产至关重要。通过对两者的分析，有助于对覆砂层厚度的选择。是铁型 在浇注温度为1 380 ℃时，磨球中心面的凝固温度梯度、温度曲线和缩孔、缩松倾向结果。从凝固温度梯 度可以看出，从内浇口到磨球中心并未形成正向的温 度梯度；靠近内浇口的温度明显低于磨球中心的温度， 磨球极易产生缩孔、缩松；另外从温度曲线截图上可 以看出在凝固进行过程中，磨球从内浇道到球心也确实未形成正向的温度梯度。对砂型、覆砂层厚度为0.5 mm、2 mm、3 mm、 4mm，浇注温度1 380 ℃时的磨球中心凝固温度梯度、 温度曲线和缩孔、缩松倾向的分析结果为：①模型为砂型时，从内浇口到磨球中心未形成正向温度梯度， 虽然内浇口的温度最高，但是在标号为2、3、4、5四 个测试点之间并未形成正向温度梯度，从而在四个磨球中均出现缩孔;②覆砂层厚度为0.5 mm、 2 mm、3 mm、4 mm时，从凝固温度梯度可知，覆砂层为0.5 mm和2 mm时，磨球基本未形成正向温度梯度。

                     图3 铁型凝固温度梯度、温度曲线、缩孔缩松

2.4铁型、砂型和铁型覆砂缩孔缩松倾向统计

按前述所有模拟参数进行模拟后，通过对各组参 数下的凝固温度梯度、温度曲线和覆砂层厚度对磨球 球心冷却速率的分析，得到相关数据如表2、表3。

表2铁型、砂型缩孔缩松统计

表3铁型覆砂缩孔、缩松统计

3结束语

铁型覆砂技术综合了金属型和砂型铸造的优势， 生产球铁磨球时，利用浇口当冒口的技术，提高工艺出品率，减少铸件的后期清理工作。通过对凝固 温度梯度、温度曲线和缩孔、缩松倾向的模拟，为 铁型覆砂工艺生产球墨铸铁磨球提供帮助。综合考 虑文中各种因素，生产步120 mm球墨铸铁磨球时， 建议覆砂层厚度在3~8 mm,磨球的浇注温度不宜低 于 1 320 ℃。