導(dǎo)衛(wèi)的鑄造工藝優(yōu)化

姚建柱 鄭馨秋

(一重鑄鍛鋼事業(yè)部技術(shù)質(zhì)量部，黑龍江161042)

導(dǎo)衛(wèi)的鑄造工藝優(yōu)化

姚建柱 鄭馨秋

(一重鑄鍛鋼事業(yè)部技術(shù)質(zhì)量部，黑龍江161042)

總結(jié)鑄件產(chǎn)生缺陷的原因，詳細(xì)比較分析了導(dǎo)衛(wèi)原工藝設(shè)計(jì)及優(yōu)化后的方案。采用優(yōu)化的工藝方案后，解決了生產(chǎn)中出現(xiàn)的各種鑄造缺陷問(wèn)題，鑄件質(zhì)量明顯提高。

導(dǎo)衛(wèi);缺陷;鑄造工藝

導(dǎo)衛(wèi)是軋機(jī)設(shè)備的重要組成部件，是軋制品冷卻的關(guān)鍵支撐裝置。導(dǎo)衛(wèi)材質(zhì)為GP240。導(dǎo)衛(wèi)鑄件為薄壁齒狀結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)復(fù)雜且壁厚薄不均，齒根過(guò)渡位置的厚度變化梯度較大。導(dǎo)衛(wèi)鑄件最大輪廓尺寸為2 850 mm×1 050 mm×530 mm，最薄壁厚為26 mm，毛重4.5 t。

我廠以往生產(chǎn)該鑄件，造型材料采用樹脂砂造型，造型方法為地坑組芯造型。模型制作芯盒時(shí)采用拆卸式或脫落式木質(zhì)芯盒。鑄件的澆注溫度為1 580～1 590℃。芯砂采用石英樹脂砂。涂料采用醇基鋯英粉。

1 以往生產(chǎn)的鑄件存在的主要缺陷及原因分析

1.1 鑄件毛坯的尺寸偏差

圖1 原工藝設(shè)計(jì)Figure 1 The original casting process design

主要是鑄件長(zhǎng)度方向整體的尺寸偏差與細(xì)薄齒厚度的偏差。產(chǎn)生缺陷的主要原因是:首先是制作模型的間隙留量形成了累積公差。原工藝方案設(shè)計(jì)是為了避免夾砂問(wèn)題，芯子邊界劃分如圖1所示。細(xì)薄齒部位的型腔由許多小塊芯(2#、3 #)組成。鑄件是齒狀結(jié)構(gòu)，尺寸公差要求嚴(yán)格，為了保證砂芯質(zhì)量與尺寸精度，芯盒采用木質(zhì)脫落式芯盒，模型制作依據(jù)JB/T5106—1991《鑄件模樣型芯頭基本尺寸》，芯盒單面留2 mm的間隙量。其次是手工操作引起偏差。手工刮出的平面，平面度不一樣引起偏差。為了方便型砂填充，制作砂芯時(shí)撞砂方向如圖1所示。2#芯與3#芯芯盒敞口位置的平面為手工刮出平面，平面度較差。涂料層邊緣的厚度不均勻引起偏差，每塊芯與鋼水接觸的表面都要求刷涂料，涂料層邊緣擴(kuò)展部位涂刷厚度不一樣會(huì)引起偏差。芯縫塞嚴(yán)的力度不一致引起偏差，為了防止芯縫位置澆注后鉆鋼水，芯縫用手工塞嚴(yán)。由于空間狹小，不方便操作，塞嚴(yán)使用的力度也不一致，致使各齒的壁厚產(chǎn)生較大偏差，從而在鑄件毛坯長(zhǎng)度方向上產(chǎn)生整體偏差。

圖2 優(yōu)化后的工藝Figure 2 The optimized casting process

1.2 細(xì)薄齒歪曲變形

宏觀原因分析:首先主要受到熱應(yīng)力及機(jī)械應(yīng)力的影響，由于鑄件自身設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)的因素，鑄件的壁厚不均勻，各部分冷卻速度不同，以致在同一時(shí)期內(nèi)鑄件各部分收縮不一致而引起細(xì)薄齒歪曲變形。鑄件凝固收縮與砂型收縮大小不一樣，鑄件收縮大，而砂型收縮小，砂型阻礙鑄件收縮產(chǎn)生機(jī)械應(yīng)力，致使細(xì)薄齒發(fā)生變形。其次受到熱處理影響，鑄件的不均勻冷卻和鑄件截面上溫度的不對(duì)稱分布是鑄件產(chǎn)生變形的主要原因。鑄件正火后空冷，溫差變化很大，鑄件收縮產(chǎn)生應(yīng)力而變形。

微觀原因分析:(1)金相組織不均勻而產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力，由于壁厚薄不均，降溫速度不同，薄壁處先凝固冷卻生成珠光體，而厚大部位還是奧氏體，微觀組織體積不同相變后產(chǎn)生應(yīng)力。(2)成分偏析而產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力。薄壁與厚壁間的冷卻速度不同，低熔點(diǎn)的分子后凝固而聚集，分子擴(kuò)散速度不同引起成分偏析。

1.3 局部粘砂、結(jié)疤、飛邊等缺陷

首先，因?yàn)殍T件自身設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)的影響，在齒根部位熱節(jié)集中較大，由于持續(xù)高溫致使表面型砂內(nèi)低熔點(diǎn)物質(zhì)熔化，生成低熔點(diǎn)的硅酸鹽(FeSiO3，CaSiO3，MnSiO3)，從而產(chǎn)生粘砂現(xiàn)象。其次，原方案型芯出現(xiàn)尖角砂(圖1所示6#位置)，容易損壞。由于型腔空間尺寸窄小，不易修補(bǔ)操作，砂芯損壞的部位直接刷涂料修平，因此該部位的強(qiáng)度、硬度相對(duì)較差，澆注后鋼水滲透而易產(chǎn)生粘砂缺陷。再次，砂芯組成型腔后，此活件手工刷涂料，由于空間窄小，刷涂料時(shí)撣刷的力度不同致使涂料滲透的深度不同，酒精可能沒(méi)有完全燃燒使?jié)B透層深度大區(qū)域沒(méi)有完全烘干，造成型腔表面局部松軟而鉆鋼粘砂。其他方面，由于鑄件壁厚太薄，為避免產(chǎn)生澆不足的缺陷，實(shí)際澆注溫度控制在1 580～1 590℃之間，但是澆注溫度太高，易使細(xì)薄齒根部的型砂熔融燒結(jié)而粘砂。

2 優(yōu)化的工藝方案

根據(jù)以往生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)，工藝依舊采用地坑組芯造型，優(yōu)化后的工藝措施如下:

首先改變?cè)桨傅姆中疚恢?，將原工藝的多個(gè)芯盒合并為一個(gè)整體芯盒(見(jiàn)圖2)。模型制作時(shí)芯盒內(nèi)的細(xì)薄齒、大熱節(jié)部位及拉筋等活料全部使用苯板模型，并且在苯板表面粘一層膠布。其次進(jìn)行工藝補(bǔ)正，增加細(xì)薄齒的壁厚，細(xì)薄齒之間設(shè)置拉筋。最后利用外冷鐵減小熱節(jié)。其他方面，降低澆注溫度，使用疏松材料等。

優(yōu)化后的工藝采用整體芯盒，保證鑄件型腔尺寸精度，保證型腔內(nèi)表面完整，減少由于芯縫引起的飛邊缺陷，避免了尖角砂的問(wèn)題。苯板模型制作時(shí)容易加工成型，降低勞動(dòng)強(qiáng)度并節(jié)約許多木材，型腔內(nèi)的苯板容易清除。苯板模型表面粘一層膠布保證型砂表面強(qiáng)度與平面度，利于型腔內(nèi)涂料層均勻。細(xì)薄齒壁厚給予補(bǔ)正加強(qiáng)其活件自身強(qiáng)度，設(shè)置拉筋又減小齒間收縮變形引起偏移的缺陷。苯板拉筋固定齒間距離，避免撞砂時(shí)各齒位置偏移。利用外冷鐵加快鑄件散熱速度，減少由于持續(xù)高溫引起的化學(xué)粘砂。降低澆注溫度，減少由于溫度過(guò)高引起的粘砂缺陷。使用草繩作為疏松材料，兩根綁成一束，放置在細(xì)薄齒之間，提高型芯的退讓性，減小細(xì)薄齒收縮產(chǎn)生的機(jī)械阻礙應(yīng)力，也防止細(xì)薄齒變形。

工藝沒(méi)有采用整體苯板模型造型，因?yàn)檎w苯板造型后，由于鑄件型腔尺寸與結(jié)構(gòu)的限制，苯板模型從型腔內(nèi)取出及型腔內(nèi)表面刷涂料操作困難，不能解決粘砂問(wèn)題。

3 生產(chǎn)過(guò)程質(zhì)量控制

(1)打芯時(shí)面砂全部采用鉻鐵礦樹脂砂，厚度40 mm～50 mm，細(xì)薄齒間放置的草繩不要直接接觸到苯板，并使用?16 mm圓鋼撞實(shí)，用力不能太大，防止苯板變形。

(2)對(duì)外冷鐵與活件的接觸表面進(jìn)行打磨或噴丸處理，去除油、銹，保持表面清潔。

(3)型腔內(nèi)泡沫模型應(yīng)盡可能清除，否則不但不能保障型腔內(nèi)部涂料粉刷均勻，而且澆注時(shí)型腔內(nèi)可能發(fā)生金屬液沸騰現(xiàn)象。鑄型中的模型受到高溫金屬液的作用，泡沫先發(fā)生軟化、熔融，繼而燃燒汽化，泡沫易產(chǎn)生大量氣體形成氣孔。如果型腔內(nèi)澆注速度慢或透氣性好，氣體壓力小，有利于分解物滲入或逸出鑄型。但澆注速度過(guò)快，來(lái)不及排出型腔外部的氣體會(huì)卷入鋼水中。氣體壓力過(guò)大可能發(fā)生金屬液沸騰現(xiàn)象，并且使未完全汽化的模樣殘留物卷入金屬液中或壓向鑄件表面，引起缺陷。

(4)涂料涂刷前，使用壓縮空氣管清除表面雜物。型腔內(nèi)表面刷鋯英粉涂料3～4遍，保證涂料涂刷均勻。為了確保型腔表面干燥，減少表面的水汽，澆注前向型腔內(nèi)鼓熱風(fēng)3 h～4 h，加熱溫度在110～130℃之間。

(5)澆注系統(tǒng)及型腔內(nèi)一定要保證清潔，澆注前使用真空泵對(duì)型腔及水口進(jìn)行徹底抽砂。

(6)鋼水要求精煉(LH)，保證鋼水成分均勻，溫度穩(wěn)定，內(nèi)控磷、硫含量不大于0.015%，嚴(yán)格控制冶金質(zhì)量和殘余元素含量，澆注溫度控制在1 560～1 570℃之間。澆完后，向冒口內(nèi)撒保溫劑，厚度大于200 mm。

(7)在性能熱處理之后去除細(xì)薄齒之間的拉筋。拉筋把細(xì)薄齒連接為一體，收縮時(shí)整體受力而防止變形。

4 結(jié)論

采用優(yōu)化工藝生產(chǎn)的鑄件，解決了從前生產(chǎn)過(guò)程中出現(xiàn)的各種缺陷問(wèn)題，減少了模型制作成本，并且鑄件表面質(zhì)量與尺寸都滿足設(shè)計(jì)要求。實(shí)踐證明，優(yōu)化后的工藝方案很成功，并為類似結(jié)構(gòu)的鑄件提供了參考。

［1］ 中國(guó)機(jī)械工程學(xué)會(huì)鑄造分會(huì).鑄造手冊(cè):第5卷鑄造工藝【M】.第2版.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2003:212-217.

［2］ 耿浩然，章希勝，陳俊華.鑄鋼及其熔煉.

［3］ 安英閣.鑄件形成原理.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，1989.

編輯 杜青泉

Casting Technique Optimization for Guide

Yao Jianzhu，Zheng Xinqiu

This paper summarizes the cause of the casting defect，and in detail compares and analyzes the original process design and optimized design proposal for the Guide.By using the optimized casting process proposal，different kinds of casting defects occurred in production have been resolved，and casting quality is greatly improved.

guide;defect;casting process

TG24

B

2013—05—31