輪盤類鑄鐵件鑄造工藝

濟(jì)鋼集團(tuán)重工機(jī)械有限公司 （山東 250101） 紀(jì)云玲 王洪剛

輪盤類鑄鐵件是指直徑遠(yuǎn)大于高度的一類鑄件。一般中間軸孔加工要求較高，輪轂與輪緣兩部分較厚，而輻板處壁較薄，易造成溫度不均勻，且溫差大。輪轂與輪緣是兩個(gè)熱節(jié)區(qū)，若鑄造工藝不合理，鑄件易產(chǎn)生縮孔、縮松及裂紋缺陷。目前，國(guó)內(nèi)多數(shù)廠家生產(chǎn)輪盤類鑄件都是采用普通粘土砂造型，切線澆口注入，輪轂處采用冒口補(bǔ)縮或與冷鐵配合使用的鑄造方法，占用場(chǎng)地大，工藝出品率、成品率及生產(chǎn)效率低，鑄件表面質(zhì)量差。

我們接到輪盤類鑄鐵件——冷床滾盤（5700多件）的生產(chǎn)任務(wù)后，要解決的首要問題是鑄造工藝的研究，要求該工藝簡(jiǎn)單，使對(duì)鑄造不熟悉的工人能夠進(jìn)行操作，減少造型及澆注面積，在現(xiàn)有生產(chǎn)條件下能滿足生產(chǎn)需要。在研究鑄造工藝時(shí)又遇到了材質(zhì)方面的問題，制作的滾盤脆性很大，根本無(wú)法用于生產(chǎn)中。通過對(duì)鑄件的鑄造工藝及材質(zhì)攻關(guān)，制定了一種新型的輪盤類鑄鐵件的鑄造工藝，生產(chǎn)出了合格的滾盤。

一、主要攻關(guān)內(nèi)容及關(guān)鍵技術(shù)

1.材質(zhì)的攻關(guān)

滾盤是冷床設(shè)備的關(guān)鍵部件之一，要求表面質(zhì)量好，耐熱性能高，而鑄鐵件的耐熱性能主要取決于其高溫抗氧化性（即當(dāng)鑄鐵氧化時(shí)表面形成的氧化膜是否具有保護(hù)作用）及鑄鐵的生長(zhǎng)（即在高溫下工作的鑄鐵件其尺寸發(fā)生不可逆膨脹的現(xiàn)象），這兩種性能都與鑄鐵的化學(xué)成分密切相關(guān)。而鑄鐵件的強(qiáng)度及耐沖擊性主要取決于合金元素的多少，因此研究鑄件的材質(zhì)就成為很重要的問題。

為此，我們對(duì)材質(zhì)進(jìn)行了攻關(guān)，對(duì)化學(xué)成分進(jìn)行了合理的選擇，既提高了鑄件的耐熱性又保證了鑄件的力學(xué)性能。滾盤原設(shè)計(jì)材質(zhì)為QTRSi5，其化學(xué)成分為：wC＝2.30%～2.89%，wSi＝4.5%～5.5%，wMn＝0.50%～0.77%，wP＝0.06%～0.09%，wS＝0.062%～0.089%，wCr＝0.38%～0.49%。其力學(xué)性能為：抗拉強(qiáng)度140～220MPa，硬度160～270 HBW。最高使用溫度為750～900℃。

由于此種材質(zhì)硅含量高，提高了鑄鐵的脆性轉(zhuǎn)變溫度，因此鑄件脆性很大，不適宜生產(chǎn)壁厚不均勻的脆裂敏感件，而滾盤恰屬于這種結(jié)構(gòu)的鑄件，結(jié)果剛開始生產(chǎn)時(shí)因材質(zhì)問題造成了大量廢品。另外，由于QTRSi5材質(zhì)脆性大，成品率低，目前國(guó)內(nèi)大多數(shù)廠家已經(jīng)不用這種材質(zhì)制作滾盤。鑒于上述情況，為了避免滾盤的成批報(bào)廢，保證中厚板工程的順利開工，試制一種新的材質(zhì)供制作滾盤用就成為當(dāng)務(wù)之急。

我們通過多次試驗(yàn)、論證，決定采用新材質(zhì)，其化學(xué)成分為：wC＝3.05%～3.51%，wSi＝2.90%～3.50%，wMn＝0.24%～0.56%，wP＝0.05%～0.09%，wS＝0.01%～0.03%，wMo＝0.29%～0.60%。 其力學(xué)性能為：抗拉強(qiáng)度580～695MPa，伸長(zhǎng)率8%～18%，硬度210～280HBW，最高使用溫度為750～900℃。由于研制的材質(zhì)性能好，成品率高，得到了用戶的認(rèn)可。

材質(zhì)確定后，對(duì)材質(zhì)的配料、球化工藝、孕育劑及孕育工藝、爐前質(zhì)量控制等進(jìn)行了攻關(guān)，取得了成功，使?jié)L盤的各項(xiàng)力學(xué)性能都達(dá)到了我公司有史以來(lái)的最好水平。

2.熔煉工藝的攻關(guān)

化學(xué)成分確定后要想得到高質(zhì)量的鐵液，必須有合理的熔煉工藝，對(duì)于耐熱球墨鑄鐵件來(lái)說(shuō)，球化處理顯得尤為重要。我們通過攻關(guān)，選擇了合適的孕育劑，制定了合理的球化工藝，使鐵液得到很好的球化處理，既提高了鑄件的強(qiáng)度，又提高了其伸長(zhǎng)率，效果非常好。

（1）球化劑的選擇 球化劑的質(zhì)量直接影響球化效果，影響鐵液及鑄件的質(zhì)量。我們通過多次試驗(yàn)、論證，最后確定球化劑采用REMg5－8輕稀土，孕育劑采用75SiFe，以及獨(dú)特的能顯著提高鑄鐵強(qiáng)度及伸長(zhǎng)率的長(zhǎng)效孕育劑。

（2）球化處理 采用堤壩包，必須徹底烘干，各種合金必須預(yù)熱。堤壩包內(nèi)加入合金從下到上依次為：輕稀土合金1.8%→孕育劑0.8%→蓋鐵板或鐵末（根據(jù)鐵液溫度）→碳酸鈉0.5%。出鐵2/3，待反應(yīng)完畢二次出鐵至所需量，并隨流加入0.6%的鉬鐵，0.6%的孕育劑，扒凈渣。

3.鑄造工藝的攻關(guān)

為了創(chuàng)精品工程，我公司對(duì)滾盤的表面質(zhì)量、尺寸公差、加工量都提出了高于國(guó)標(biāo)的要求，而滾盤批量大，工期緊，為了搶進(jìn)度，車間又只好使用了一些對(duì)鑄造工藝不熟悉的臨時(shí)工生產(chǎn)滾盤，這就對(duì)滾盤的鑄造工藝提出了極高的要求，因此我們對(duì)鑄造工藝進(jìn)行了攻關(guān)。

滾盤的結(jié)構(gòu)如圖1所示。足夠的造型及澆注面積，且工藝復(fù)雜，對(duì)鑄造不熟的工人無(wú)法操作，滿足不了生產(chǎn)要求。

為此，我們通過比較，選擇了金屬型樹脂砂組芯疊澆工藝，即采用金屬型芯盒樹脂砂制芯，然后將砂芯疊在一起套上箱圈進(jìn)行澆注的方法。采用此種工藝只需8副金屬型芯盒即可滿足生產(chǎn)的需要。每個(gè)直澆道澆注3摞，每摞澆注8件，一塊底板同時(shí)澆注48件。由于采用共同的澆注系統(tǒng)，鑄件出品率高，表面質(zhì)量好。

（2）工裝的設(shè)計(jì)及制作 工藝確定后，我們對(duì)所需的工裝進(jìn)行了設(shè)計(jì)與制作，如圖2所示。

（1）造型工藝研究 從零件結(jié)構(gòu)可以看出，該件輪轂處較厚，輻板處較薄，若采用普通砂型單件鑄造，在要求的時(shí)間內(nèi)生產(chǎn)5700件滾盤，每天要生產(chǎn)滾盤144件，需砂箱288副，金屬型16件，需要

（3）芯砂的配比、混制及砂芯的制作 采用樹脂砂組芯疊澆工藝，芯砂的配制是關(guān)鍵。剛開始生產(chǎn)時(shí)，由于樹脂與固化劑的配比不當(dāng)，結(jié)果砂芯很難從金屬型中取出，砂芯的表面質(zhì)量很差，攻關(guān)組的技術(shù)人員不分晝夜堅(jiān)持試驗(yàn)，通過對(duì)幾種配比的試制，最終確定了樹脂、固化劑與原砂的配比，制出了合格的砂芯。

配比：0.45～0.224mm（40/70目）擦洗砂100%，樹脂為原砂重量的1.8%～2%，固化劑為樹脂量的30%～50%。

混制：采用S2512C混砂機(jī)，將所稱量的原砂加入混砂機(jī)后接著加入固化劑，開機(jī)攪拌8～10min，再加入樹脂，混碾8～10min，然后出砂。

砂芯的制作：制作前將芯盒內(nèi)表面擦干凈，涂上脫模劑，制芯時(shí)舂砂要均勻，修芯時(shí)要保證尺寸準(zhǔn)確，制好的芯子按順序編號(hào)，用醇基石墨涂料刷兩遍，刷涂料點(diǎn)燃后用干布將砂芯表面打磨光潔。

（4）澆注系統(tǒng)的選擇 澆注系統(tǒng)的尺寸直接影響到鑄件的質(zhì)量，澆注系統(tǒng)面積過小易形成澆不足、冷隔等缺陷，過大時(shí)則很難從鑄件上清理下來(lái)。該鑄件材質(zhì)為球墨鑄鐵件，我們?cè)趧傞_始生產(chǎn)時(shí)采用在軸頭處開設(shè)4個(gè)內(nèi)澆道，結(jié)果因清理澆口造成滾盤報(bào)廢的情況時(shí)有發(fā)生。后來(lái)我們根據(jù)鑄件的形狀和重量，通過試驗(yàn)選擇了合理的澆注系統(tǒng)，生產(chǎn)出合格的鑄件。我們充分利用了石墨化膨脹所具有自補(bǔ)縮的特點(diǎn)，采用無(wú)冒口補(bǔ)縮的鑄造方法，只在每件滾盤軸頭處開設(shè)兩個(gè)80mm×40mm的扁澆口。這種澆注系統(tǒng)不僅節(jié)約鐵液，而且減少了清理澆冒口的工時(shí)，鑄件表面質(zhì)量也好。

（5）疊澆滾盤數(shù)量的確定 采用疊澆工藝，每次澆注鑄件的數(shù)量直接影響到鑄件的質(zhì)量。澆注數(shù)量太多時(shí)，鑄件因補(bǔ)縮不好易形成縮孔，澆注數(shù)量太少時(shí)，勞動(dòng)生產(chǎn)率及工藝出品率太低。攻關(guān)組人員在開始試制時(shí)為了保證質(zhì)量，每摞只澆注6件，隨著生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)的不斷積累，根據(jù)我們的精心計(jì)算，現(xiàn)在每摞澆注達(dá)到8件，每3摞一個(gè)直澆道，結(jié)果既保證了鑄件質(zhì)量，又提高了勞動(dòng)生產(chǎn)率。

（6）澆注溫度的選擇 澆注溫度過高時(shí)鑄件易形成氣孔、縮孔等缺陷，澆注溫度過低時(shí)易形成澆不足、表面出現(xiàn)鐵豆等缺陷。我們通過試驗(yàn)，確定合理的澆注溫度為1280～1300℃，制作出合格的鑄件。

（7）打箱時(shí)間的控制 打箱過早鑄件易變形，過晚影響后面的澆注。我們根據(jù)鑄件的尺寸及數(shù)量確定打箱時(shí)間為6h。

通過上述工藝的制定和控制，我們生產(chǎn)出了合格的滾盤（見圖3）。

圖3

二、質(zhì)量檢測(cè)

為保證生產(chǎn)的滾盤質(zhì)量，我們制定了嚴(yán)格的檢測(cè)制度：對(duì)每件滾盤都規(guī)定必須附鑄檢測(cè)用的試塊，對(duì)試塊的力學(xué)性能、金相組織、化學(xué)成分進(jìn)行100%檢驗(yàn)，不合格的堅(jiān)決不出廠。

所研制的滾盤的金相組織、化學(xué)成分、力學(xué)性能如下：

（1）金相組織為鐵素體，石墨形態(tài)為球狀，球化級(jí)別為3級(jí)。

（2）化學(xué)成分（任抽出3組）如表1所示。

（3）力學(xué)性能如表2所示。

表1 滾盤鑄件化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)） （%）

表2 滾盤鑄件的力學(xué)性能

三、生產(chǎn)效果

（1）采用金屬型樹脂砂組芯多組疊澆工藝研制的滾盤強(qiáng)度高，表面質(zhì)量好，其各項(xiàng)性能遠(yuǎn)超過原設(shè)計(jì)材質(zhì)，滿足了用戶的需要。

（2）采用上述工藝后，砂鐵比僅為1.5∶1，遠(yuǎn)低于國(guó)內(nèi)先進(jìn)工藝水平的（3～4.5）∶1，可節(jié)約大量的樹脂砂。

（3）該工藝操作簡(jiǎn)單，并使質(zhì)量有了保證。鑄鐵車間在使用大量不熟練操作工的情況下，生產(chǎn)出了高質(zhì)量的滾盤。

（4）生產(chǎn)率提高兩倍以上，不但節(jié)省了人工工時(shí)，還節(jié)省了大量砂箱費(fèi)用。

（5）由于多組多件滾盤采用共同的澆注系統(tǒng)且不需加冒口，鑄件工藝出品率高達(dá)95%，遠(yuǎn)高于普通工藝方法的70%左右。由于澆注系統(tǒng)截面積小，只需輕輕錘擊即可完成清理，大大減少了切割鑄件澆冒口的工時(shí)。

我公司生產(chǎn)的滾盤在中厚板廠投入生產(chǎn)使用以來(lái)，運(yùn)行情況良好，工作平穩(wěn)正常，沒有出現(xiàn)因滾盤質(zhì)量而造成冷床劃傷、碰傷鋼板或跑偏等現(xiàn)象，提高了生產(chǎn)效率，保證了我廠生產(chǎn)的正常運(yùn)行，取得了良好的經(jīng)濟(jì)效益。

（20120828）