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球墨铸铁件无冒口铸造工艺研究

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球墨铸铁件无冒口铸造工艺研究

                                                       李宏兴   王立波

  河南旭锐合金新材料制造有限公司  河南 安阳 455141


摘要:研究了生产实际中的不同模数和不同形状的球墨铸铁件,不能满足传统理论无冒口铸造条件的铸件用无冒口工艺却生产出了比有冒口工艺更优质的铸件;满足传统理论无冒口铸造条件的铸件用无冒口工艺却生产不出来质量合格的铸件,反而必须设置冒口补缩。球墨铸铁件的浇冒口设计必须一件一艺,是否能用无冒口铸造工艺,应看该铸件的石墨化膨胀能否被有效利用于补缩,人为创造条件有可能达到这个目的。

关键词:无冒口;球墨铸铁;铸件;工艺;收缩

球墨铸铁铁液浇入型腔后,凝固特性比较复杂,主要特征是:① 凝固温度范围宽,以糊状凝固方式凝固,凝固与结晶不是从表面开始,而是在整个截面上几乎同时形核与生长,形成液、固相同时存在的糊状混合物,很难使铸件实现顺序凝固。② 共晶转变过程中石墨的析出导致体积膨胀。③ 内部液体未凝固前,表面不结壳,其形成坚硬外壳的时间远大于灰铸铁件;凝固过程中,铸件外部一直是一层软壳,石墨化膨胀时,膨胀力直接传至铸型,使铸型发生型壁运动,常使型壁外移导致铸件产生缩松。④ 球墨铸铁较灰铸铁奥氏体含碳量高,共晶凝固时析出的石墨量较少,在碳当量、冷却速度相同的情况下,共晶凝固时的体积收缩会略大于灰铸铁。


由于高端装备所用球墨铸铁件要求非常严格,所以,球墨铸铁件的铸造工艺技术也很复杂。从理论上说[1],含碳量3.6%的球墨铸铁铁水,1360℃浇注,一般情况下铁液温度每下降100℃,体积收缩1.5%,到共晶温度1150℃,该铁液的液态收缩约3.15%,凝固收缩约3.3%,合计总收缩6.45%。在共晶温度附近,奥氏体的密度约为7.3g/cm3,石墨的密度约为2.15g/cm3。铸件凝固过程中,石墨的析出会导致系统的体积膨胀,每析出1%的石墨会发生3.4%的体积膨胀量,只需要6.45÷3.4=1.9%的石墨析出就会产生6.45%的体积膨胀量,足 够弥补收缩量;实际析出的石墨量不止1.9%,总的膨胀大于收缩,只要石墨析出膨胀量能够完全用于弥补收缩,则工艺设计就不需要补缩冒口。然而,实际情况并非如此简单。本文通过生产实例说明,球墨铸铁件无冒口铸造工艺并没有固定的前提条件,不同的生产条件和铸件,即使铸件模数等满足无冒口铸造的条件,无冒口铸造工艺也不一定能够成功,反之,即使铸件模数等不满足无冒口铸造的条件,可能无冒口铸造却是达到铸件质量要求的最佳工艺。不同铸件和不同的生产条件,应该量体裁衣,一件一艺。

1、船用活塞

从直径Ø300mm~Ø800mm是一个系列产品,材质QT500-7,所有的活塞形状就是一个实心圆柱体,铸件的模数都大于2.5,如下图1所示的规格,铸件的毛坯就是一个直径Ø400mm高度3500mm的圆柱体,铸件重量3190kg,图示活塞模数Mc=9.46cm,全部用铸铁金属型铸造,低温浇注,无论铸件参数还是生产工艺条件都满足资料[2][3]所述的球墨铸铁件无冒口铸造工艺条件,这些条件是:① 铁水冶金质量好;② 铸件平均模数Mc>2.5cm;③ 高强度、高刚度的铸型;④ 低温快浇;⑤ 扁平内浇道分散引入铁液;⑥ 设置明出气孔。开始试生产时,认为铸件模数较大,Mc>2.5cm,金属型不仅是坚硬无退让性的铸型,而且冷却速度快,又是1350℃以下的低温浇注,由于铸件重要,原辅材料都是精选的,中频电炉熔炼铁水,铁水球化处理前还进行预处理,完全达到无冒口铸造的条件,所以没有设置冒口。结果铸件上端内部产生缩松。后来给铸件上端设置大冒口,结果铸件内部没有缩松缺陷。所以,这种产品的定型工艺都是上端设置大冒口。这个铸件形状较简单,高径比很大,按照传统的理论设计工艺不适宜。这样的铸件,不仅要用厚壁金属型,提高铁水冷却速度,还要用大冒口强力补缩,同时,铸件顶部完全是冒口,浇注时型腔内的渣子和气体可以充分排出到冒口之中,从而保证了这种高技术要求铸件的质量。这个铸件的生产实践说明,厚壁大件即使满足传统理论所述的无冒口铸造条件,无冒口铸造工艺也不一定适用。铸件某一方向尺寸较大,铸件在凝固过程中即是同时发生收缩和膨胀,膨胀的作用不一定能够达到正在收缩而需要补缩的部位。石墨析出的膨胀力已经释放,后期凝固收缩时得不到其它部位的补缩,就需要靠冒口来提供补缩,否则,铸件内部就会产生收缩缺陷。



2、球墨铸铁平板

材质牌号QT550-5,尺寸长×宽×高=860mm×800mm×40mm,重量200kg,Mc=1.82cm, 不满足资料[2]
[3]所述的球墨铸铁件无冒口铸造的条件,需要设置冒口。该铸件是一个非常重要的工程设备用备件,加工后需要进行100%射线探伤,实际生产时采用多种冒口铸造工艺,水平浇注、倾斜浇注和竖立浇注,都无法达到该铸件的技术要求,射线探伤合格率<10%。在即将放弃的时候,决定采用无冒口铸造工艺再试一次,如下图2。该工艺的要点是:铸件两个大平面外侧全部用冷铁,竖立造型和浇注,顶雨淋浇口,无冒口,中温浇注。铸件加工后超声波检测和涉射线检测一次合格,力学性能也比以前的工艺好很多,实际生产中抗拉强度Rm>600MPa,屈服强度Rp0.2>380MPa,伸长率A%>5。这个铸件的工艺原理是:虽然铸件本身几何条件不满足无冒口铸造的条件,但是全部用外冷铁后就人为地创造了无冒口铸造的条件,铸型无退让性,冷铁厚度的激冷作用区可以达到铸件的中心部位,铸件表面和心部以及上下之间凝固时间略有差别但距离很近,相当于资料[4]所述的铸件结构上既有厚壁部位又有薄壁部位,可以实现膨胀和收缩的叠加和互补,即实现有效的均衡凝固;铸件顶部的雨淋浇口不仅可以起到液态补缩作用,同时在浇注过程中击打型腔内液面顶部,给渣子和气体上浮创了造条件,保证了铸件的质量。这个铸件的生产实践说明,铸件的模数即使不满足传统理论所述的球墨铸铁件无冒口铸造条件,设置冒口铸造工艺也不一定是最佳选择,相反,无冒口铸造工艺却能够得到质量最优的铸件产品。


3、轴承座

出口风电铸件,材质QT400-18AL,毛坯重量113kg,如下图3,铸件模数Mc=3.3cm,大于2.5cm,1350℃以下的低温浇注,中频电炉熔炼铁水,精选炉料,铁水球化处理前还进行预处理,呋喃树脂砂造型,满足资料[2]
[3]所述的球墨铸铁件无冒口铸造的条件。在初期生产时铸件热节处设置外冷铁,在铸件顶部只设置 5mm×45mm的排气片,生产时经超声波探伤(2
级)检查内部缩松废品率平均22%。经过工艺改进后,增加了补缩冒口,铸件超声波探伤缩松废品率<2%,铸件质量稳定。该铸件本身的几何条件和生产条件虽然满足资料[1]
[2][3]所述的球墨铸铁件无冒口铸造的条件,但是由于铸件形状简单,铸件整个体积内同时糊状凝固和收缩,无法达到涨缩叠加,石墨析出膨胀力会从排气冒口释放掉而不能被有效的用于自补缩,在后期的收缩时如果没有冒口提供补缩,铸件就会产生缩松,所以该铸件必须设置补缩冒口。



4、球墨铸铁轮毂

材质牌号QT450-10,铸件重量290kg,如下图4所示,铸件模数Mc=1.3cm,小于2.5cm,呋喃树脂砂造型,不满足资料[2]
[3]所述的球墨铸铁件无冒口铸造的条件。生产时采用过多种工艺方案,浇注时大盘在下,放很多的外冷铁,无论浇注位置铸件顶部是否设置冒口,铸件热节部位解剖后总会存在轻微的缩松。如果浇注时铸件大盘在上,无论顶注还是底注,无论怎样设置外冷铁,小冒口时铸件热节部位内部总会有缩松,只有按顺序凝固原理在大盘顶面设置4只很大的冒口,才能保证铸件内部不产生收缩缺陷,经过某凝固模拟软件模拟浇注凝固过程,4只顶部补缩冒口的直径×高度必须大于Ø145×200mm,但工艺出品率仅有66%,去除冒口和机加工难度较大,生产没有效益还亏本。后来改进工艺,大盘在浇注位置的上部,铸件中下部集中进铁水,与无冒口铸造的条件之一“扁平内浇道分散引入铁液”相悖,不设置补缩冒口,仅在铸件顶部设置
5mm×45mm
的排气片(冷筋冒口)六只和少量的外冷铁,工艺出品率90%,结果不仅铸件超声波探伤完全达到 1级标准,解剖后检查铸件内部没有
任何微观缺陷。该铸件的生产实践说明,即使铸件本身的几何条件不满足无冒口铸造的条件,但是可以人为的创造条件,间断性的设置外冷铁,铁水浇入型腔后冷铁部位就会先凝固,这时由无冷铁部位给于补缩,当无冷铁部位收缩时由冷铁部位析出石墨的膨胀力提供补缩,相邻部位实现涨缩互补,也即是均衡凝固[4]所述的收缩与膨胀相互叠加,所以,该铸件不设置补缩冒口反比设置补缩冒口的质量好,生产成本也低。



5、其它球铁件无冒口铸造的成功案例

资料[5]提到球墨铸铁曲轴无冒口铸造成功的例子,曲轴铸件模数1.75cm,小于2.5cm,作者在文中明确说明,依靠大量的外冷铁,约占铸件重量的 60%,同时依靠浇注系统提供补缩。资料[6][7][8]介绍的大型厚壁球墨铸铁件无冒口铸造的成功案例,其实采用了热侧冒口,依靠顶注式的浇注系统和小型热侧冒口提供补缩。资料[9]所述的大型厚壁球墨铸铁件,将大冒口改为了小冒口,增加了大量的外冷铁,提高了铸件质量和合格率,但仍然需要小冒口提供补缩。

6、球铁件无冒口铸造的必要条件

球墨铸铁凝固时的石墨析出使体积膨胀,究竟是减小缩孔缩松还是加大了缩孔缩松,视其铸型性质而定。使用刚性差的铸型导致缩孔缩松体积增加,使用刚性好的铸型则可以起补缩作用,至于石墨膨胀可否完全消除缩孔缩松,应该看液态收缩量和凝固收缩量两项之和与石墨膨胀量谁大谁小,并且需要石墨膨胀量合理的利用于补缩。稀疏体铸件、质量周界商大的铸件具有丰富的薄壁部分,能够实现收缩与膨胀的相互叠加,可以有效地利用石墨膨胀量弥补收缩。资料[4]论述球墨铸铁件无冒口铸造的条件时,增加了一条“铸件的质量周界商≥20/cm3”。本文上述的四个例子中,1和3的铸件质量周界商≤20/cm3,所以必须安放补缩冒口,2和4的铸件质量周界商≥20/cm3,所以可以实现无冒口铸造。

7、结论

1)球墨铸铁件能否实现无冒口铸造,需要综合分析多种因素,不能只满足理论条件,
能否实现膨胀和收缩的叠加、析出石墨的膨胀力能否被有效的利用于弥补铸件的收缩,这是能否实现无冒口铸造的本质条件。

2)即使球墨铸铁件本身的几何条件不满足无冒口铸造的条件,但是可以人为的创造条件,如合理的外冷铁和排气片(冷筋冒口),相当于铸件结构上有厚壁和薄壁的交叉存在,从而可以实现均衡凝固,达到无冒口铸造。

3)即使球墨铸铁件本身的几何条件满足无冒口铸造的条件,但是,铸件结构的特性,在浇注后不能实现膨胀和收缩的叠加,及析出石墨的膨胀作用不能够有效弥补收缩,铸件仍然需要设置补缩冒口,否则,就得不到内部无缺陷的完全合格的铸件。

4)有些球墨铸铁件无冒口铸造的成功例子,其实就是浇注系统提供液态补缩[4]。

参考文献(略)

(文章转自《2019河南省铸锻工业年会论文集》P.96~101)

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