F—系列泥漿泵曲軸質(zhì)量的提升實踐

許志剛

摘要：本文對F-系列泵曲軸質(zhì)量的提升歷程進行了敘述，對曲軸的縮孔、縮松漂芯、熱裂缺陷進行了分析，通過摸索實踐并采取了有效方法解決了曲軸的縮孔、縮松、漂芯、熱裂缺陷。歷經(jīng)30多年，曲軸的質(zhì)量得到了穩(wěn)步提升。

關(guān)鍵詞：曲軸 ；漂芯 ；熱裂 ；縮孔；縮松

1.前言

F系列泥漿泵是我公司的主導(dǎo)產(chǎn)品，其中曲軸是泥漿泵最關(guān)鍵的零件，它擔(dān)負著泥漿泵動力的傳遞，因此曲軸的質(zhì)量直接影響著泥漿泵總體質(zhì)量的優(yōu)劣。

自從上世紀80年代初F-系列泥漿泵引進我廠，并投產(chǎn)批量生產(chǎn)以來，提升曲軸鑄造質(zhì)量一直是我們鑄造工作者最為關(guān)注重視問題。

從解決實心曲軸縮孔、縮松、裂紋等缺陷到解決空心曲軸的飄芯、縮松、裂紋、氣孔、脈紋、龜裂等缺陷，從粘土砂生產(chǎn)到呋喃樹脂砂生產(chǎn)，再到今天的堿酚醛樹脂砂生產(chǎn)，F(xiàn)系列泥漿泵曲軸的生產(chǎn)已經(jīng)經(jīng)歷30多年的質(zhì)量改進過程。

2.曲軸質(zhì)量的提升歷程

2.1.實心曲軸質(zhì)量的提升

1995年以前我們廠一直采用的是粘土砂造型工藝。曲軸為實心，為了曲軸的補縮，最先是在曲軸的三個拐的上方部位設(shè)置冒口，3拐上方設(shè)置一個大冒口、1拐2拐上方各設(shè)置一個小冒口。生產(chǎn)過程中發(fā)現(xiàn)在1拐和2拐的冒口根部均出現(xiàn)嚴重的縮孔、縮松、裂紋缺陷。為了改善曲軸的凝固環(huán)境減少縮孔、縮松、裂紋等缺陷提升曲

軸的質(zhì)量，將冒口設(shè)置為兩個、大冒口設(shè)置在3拐上方、小冒口設(shè)置在1拐上方，并

改變了曲軸的造型分型面，使2拐處于最下方。這樣做了以后，曲軸1拐上方的縮孔、縮松缺陷基本解決了，2拐上方的縮孔、縮松、裂紋

仍然十分嚴重。為了清除2拐處的缺陷，經(jīng)常在2拐上方部位挖出一個大如半個西瓜樣的深坑，然后進行堆焊來消除缺陷。

2.2.空心曲軸的試制

上世紀90年代初，為了徹底改善曲軸的凝固環(huán)境，消除曲軸的縮孔、縮松、裂紋等缺陷，工廠派出技術(shù)人員和技術(shù)骨干去蘭石參觀學(xué)習(xí)，然后進行空心曲軸的試制。經(jīng)過反復(fù)試驗確定了空心曲軸的鑄造工藝方案：曲軸的砂芯由呋喃樹脂砂制成，砂芯分為兩半制作然后粘和捆綁在一起，大冒口設(shè)置在3拐上方、小冒口設(shè)置在1拐上，2拐在分型面的最下方。這樣曲軸的大面積縮孔、縮松問題基本解決。

2.3.空心曲軸的批量生產(chǎn)

1995年鑄鋼改造完成，呋喃樹脂砂生產(chǎn)鑄鋼件全面投產(chǎn)。F系列泥漿泵的產(chǎn)量也大幅提高，曲軸的需求量也大幅提高。空心曲軸的質(zhì)量仍然不能盡如人意。夾砂、縮松、裂紋、氣孔、龜裂、脈紋等鑄造缺陷仍然經(jīng)常出現(xiàn)，曲軸的缺陷清除、補焊量仍然很大。鑄造技術(shù)人員也在不斷的采取各種辦法來減少和消除這些鑄造缺陷，如：采取增加涂料厚度和涂刷層數(shù)來提高表面質(zhì)量，采用加強筋和局部使用鉻礦砂來消除局部裂紋和縮松，改變澆注系統(tǒng)和內(nèi)澆口位置、增加補澆次數(shù)來提高曲軸的補縮效果、減少縮孔縮松缺陷，給砂芯增加壓杠減少砂芯變形破裂、減少夾砂缺陷，提升了曲軸的質(zhì)量。

2.4.改變砂芯固定方法，抑制曲軸砂芯漂移

2002年底，從新疆油田反饋回來的消息，我們廠生產(chǎn)的一臺F-1300泥漿泵在鉆井過程中，曲軸突然斷裂，造成整臺泥漿泵報廢。此次質(zhì)量事故不但給鉆井公司造成誤工損失，也給我廠造成巨大經(jīng)濟損失，而且嚴重影響了我們廠在用戶心目中的質(zhì)量信譽。

通過對該曲軸斷裂原因的分析，得出如下結(jié)論：曲軸壁厚最薄處設(shè)計尺寸為90mm，而該曲軸最薄處尺寸為63mm，由于該處強度不能滿足設(shè)計要求，同時在該處造成應(yīng)力集中，導(dǎo)致曲軸在運轉(zhuǎn)過程中斷裂。而造成該處壁厚嚴重偏差的原因是：曲軸在鑄造澆注過程中，砂芯發(fā)生漂移——漂芯，導(dǎo)致壁厚不均。

2.4.1曲軸漂芯的原因分析

由于砂芯在曲軸鑄造澆注完畢后，被鋼水完全包裹著，鋼水溫度高達1580-1610℃，液態(tài)持續(xù)時間約10小時左右。另外鋼水的密度為7.3，而呋喃樹脂砂砂芯的密度為1.4，鋼水的密度遠遠大于砂芯的密度。而且曲軸砂芯的體積較大，砂芯承受的浮力也較大。F-1300泵曲軸，毛坯重：4200公斤，砂芯要承受的浮力700多公斤。而芯骨及壓杠在高溫條件下，抗彎強度急劇下降，不能抵抗如此大的浮力，砂芯發(fā)生彎曲漂浮甚至斷裂，導(dǎo)致曲軸砂芯的上部壁厚變薄，增加了夾砂傾向。

2.4.2.曲軸砂芯的結(jié)構(gòu)特點

曲軸砂芯結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，長而且粗細不均。如：F-1300泵曲軸：砂芯長1778mm，

最大直徑500mm，最小直徑140mm。原工藝設(shè)計為上下兩半砂芯，合芯時用鐵絲捆緊，然后用涂料封實。這樣就導(dǎo)致以下問題：1）鐵絲在鑄件澆注過程中很容易被熔斷。2）砂芯在鋼水中受熱應(yīng)力和浮力的作用下，很容易從分型面處裂開，這樣鋼水就很容易的進入砂芯內(nèi)部，進而熔斷芯骨，甚至使砂芯破碎漂浮進入曲軸鑄件內(nèi)部，造成夾砂缺陷甚至使曲軸報廢。

2.4.3.曲軸砂芯的固定方案

A.原方案是：在芯骨上垂直焊兩根Φ30的圓鋼，即在芯骨上橫焊兩根圓鋼作壓杠，再加一個Φ30的專用芯撐，用此措施來防止砂芯漂芯上浮。這種方法簡單易行，但對于曲軸這種包裹在鋼水中的大砂芯而言，壓杠幾乎沒有作用。原因是：這種壓杠在1600℃高溫環(huán)境下，抗彎強度幾乎為零。而且圓鋼的膨脹系數(shù)大于砂型的膨脹系數(shù)，很容易造成砂芯局部破裂，導(dǎo)致鋼水進入砂芯造成鑄件夾砂缺陷。

B.新方案，預(yù)防漂芯的構(gòu)想：首先，要提高砂芯在高溫環(huán)境下的剛度，即要

提高芯骨的抗彎強度。二，要強化砂芯的固定措施。

要提高砂芯的剛度，首先要提高芯骨的抗彎強度。為此，我們選用抗彎強度大的Φ35鋼管來代替Φ20的圓鋼做芯骨。為了更有效地提高砂芯的剛度，我們要求把芯

盒改制為整體砂芯芯盒。

經(jīng)過反復(fù)的生產(chǎn)實踐，整體砂芯和Φ35粗鋼管能有效的提高F-1300泵曲軸砂芯

的剛度。并且有效地防止了砂芯破碎，大大的降低了夾砂的風(fēng)險.

要達到有效的防止漂芯，還必須解決砂芯的固定問題。怎么固定比較有效呢？只有依托砂箱這種相對穩(wěn)定的構(gòu)架和砂芯芯骨這種剛度相對比較強的金屬骨架的聯(lián)系才能達到固定砂芯的目的。用壓杠的方法已經(jīng)失敗，那么我們只有采用拉的辦法解決了。將砂芯的芯骨通過金屬拉桿固定在底箱的箱帶上，只有這樣才能達到固定砂芯防止漂浮、漂移的目的。為了防止拉桿在澆注初期受熱膨脹對砂芯的頂高破壞作用，我們采取活扣連接的辦法：在制作砂芯芯骨時，在芯骨安裝拉缸的兩處分別焊一個加工成型的圓環(huán)。在加工拉桿時，在拉桿頂端留一個能夠掛在圓環(huán)上的圓臺。合箱時把拉桿穿過芯骨上的圓環(huán)，卡緊在圓環(huán)上，另一端用螺母固定在底箱的箱帶上。合箱時要注意給拉桿留有一定的伸長空間。

我們在砂芯受浮力較大的兩個位置設(shè)置拉桿，采用整體芯盒制芯，在制芯時留出拉桿位置、做好拉桿孔，合箱時下好拉桿，用芯砂堵好、封好拉桿孔（堵孔時要注意給拉桿留有伸長空間）。合箱時，打通砂芯排氣通道，下好拉桿后用螺母和墊鐵將拉

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桿固定在底箱的箱帶上，堵、封好拉桿孔，刷好涂料，烘烤后合箱澆注，5天后開箱-打箱-清整-檢驗，并進行無損探傷。我們共試驗生產(chǎn)了4件F-1300泵曲軸（鑄號為：331、332、333、334）。檢驗結(jié)果如下：

曲軸砂芯漂移量：331：6mm，332：4mm，333：5mm，334：4.5mm.檢驗結(jié)果完全符合F-1300泵對曲軸設(shè)計的要求，而且曲軸沒有發(fā)現(xiàn)夾砂缺陷。我們將這個方法推廣在F系列泵曲軸的生產(chǎn)上，各種曲軸的質(zhì)量顯著提高，至今沒有發(fā)生F泵曲軸斷裂事故。

2.5.通過計算機模擬，提高曲軸鑄造工藝水平

通過對曲軸鑄造凝固工藝的計算機模擬。為了提高曲軸的致密度，防止縮孔、縮松缺陷的產(chǎn)生，優(yōu)化曲軸鑄造方案：改變了曲軸的分型面，在2拐上方設(shè)置一個大冒口，在1拐上方設(shè)置一個排氣孔。曲軸的縮孔、縮松缺陷有了顯著的減少。

2.6.堿酚醛樹脂砂的投產(chǎn)

2013年鑄鋼分廠新廠區(qū)投產(chǎn)使用，由于對堿酚醛樹脂砂鑄造性能不熟悉。在試生產(chǎn)階段，生產(chǎn)的曲軸大多因裂紋而報廢，生產(chǎn)的F-1300泵曲軸出現(xiàn)的裂紋長達半個圓。正式投產(chǎn)后曲軸的裂紋缺陷仍然不時出現(xiàn)，經(jīng)過反復(fù)的實踐摸索：首先是在出

現(xiàn)裂紋的部位設(shè)置防裂筋，設(shè)置開放式澆注系統(tǒng)加快澆注速度，在曲軸的熱節(jié)部位設(shè)置冷鐵、在曲軸的熱節(jié)部位和拐角及圓角部位放置鉻礦砂加快冷卻速度等措施。結(jié)果是：在曲軸的熱節(jié)、拐角及圓角部位放置鉻礦砂，特別是在曲

軸經(jīng)常出現(xiàn)裂紋的部位放置鉻礦砂是解決曲軸熱裂紋的主要措施。經(jīng)過一年多

的摸索實踐，曲軸的熱裂缺陷基本得到解決，曲軸的質(zhì)量得到控制。

2014年以前鑄鋼件生產(chǎn)質(zhì)量基本處于失控狀態(tài)。通過一年多的摸索實踐，基

本掌握了堿酚醛樹脂砂的性能和特點：1）堿酚醛樹脂砂在鑄鋼件凝固末期的熱膨脹大于呋喃樹脂砂。2）堿酚醛樹脂砂在鑄鋼件澆注凝固過程中的保溫性能比呋喃樹脂砂好。3）堿酚醛樹脂砂的高溫潰散性較呋喃樹脂砂差，即鑄造容讓性差。4）堿酚醛樹脂砂流動性差。鑄鋼件的生產(chǎn)質(zhì)量現(xiàn)在基本得到控制。

3.現(xiàn)場操作過程地控制是提升曲軸質(zhì)量的重要環(huán)節(jié)

3.1.造型過程的質(zhì)量控制

1）酯固化堿性酚醛樹脂砂與其它自硬樹脂砂不同。在酚醛樹脂-酯固化體系中，有機酯是一種直接參與化學(xué)反應(yīng)的固化劑，而非只是促進反映的催化劑，所以，固化劑的用量應(yīng)與樹脂相匹配，其固化速度與溫度、有機酯的種類有關(guān)。調(diào)節(jié)固化速度不是靠改變酯的用量，而是靠改變酯的種類。

2）控制面砂、鉻礦砂的樹脂加入量、酯的種類和砂型強度等性能指標，確保砂型的耐高溫性能和耐高溫鋼水的沖刷性能。

3）加強曲軸砂型的排氣措施。堿酚醛樹脂砂的砂型透氣性差、發(fā)氣量較大，確保砂型的排氣通道暢通是消除和減少曲軸氣孔缺陷的關(guān)鍵。

4）堿酚醛樹脂砂的流動性較呋喃樹脂砂差。生產(chǎn)實踐證明提高曲軸砂型面砂的緊實度是提高鑄件質(zhì)量的關(guān)鍵所在，所以，確保砂型面砂緊實度至關(guān)重要。

5）提高砂型表面質(zhì)量是提高曲軸外觀質(zhì)量的前提。掌握好造型時的脫模時間，盡量確保砂型的完好，及時修補砂型表面的凹坑和破損，確保砂型的晾散氣時間，然后要確保曲軸砂型的涂料厚度、涂刷層數(shù)和涂料層強度，確保砂型的表面質(zhì)量。

6）確保砂型的烘烤時間和烘烤溫度，烘烤后及時澆注，避免砂型返潮。

3.2曲軸的補焊質(zhì)量控制

補焊是鑄鋼車間的一道正常工序。鑄鋼件的補焊和粗加工后的補焊返修是鑄鋼車間的常見現(xiàn)象。F系列泵曲軸的外表面積比較大，曲軸結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜、壁厚相差較大，

所以，曲軸的外觀缺陷和不可視缺陷相對較多。為了減少粗加后的缺陷補焊工作量，盡量杜絕精加工后的缺陷補焊返修，必須對曲軸鑄件的外觀認真檢查，盡可能的把缺陷留在鑄件補焊工序完成補焊。對曲軸的補焊必須嚴格按照鑄鋼件補焊規(guī)程進行操

作，曲軸必須在預(yù)熱后方可施焊，盡可能的避免重復(fù)補焊。

3.3.冶煉過程的控制

鋼水在冶煉過程中產(chǎn)生的夾雜物，是曲軸產(chǎn)生熱裂、夾渣、氣孔等缺陷的重要原因之一。為減少鋼水中的夾雜物，在冶煉過程中，要加強對脫氧、脫硫、除雜、去氣

等冶煉過程的操作控制，并在爐后鋼包內(nèi)采取必要的措施，如加稀土等進行變質(zhì)處理來改變夾雜物的形狀，以減少夾雜物的存在，更好的消除曲軸的缺陷。

1）為了更好的去除鋼水中的夾雜物，減少曲軸的裂紋、氣孔、夾渣等鑄造缺陷，冶煉操作要采取以下措施：

a.做好原材料準備工作，防止產(chǎn)生外來夾雜。

b.采取合理的煉鋼工藝：如采取合理的吹氧、配電工藝，保證一定的脫碳速度使夾雜物上浮，保持良好的爐況等。

c.采取復(fù)合脫氧劑，因為復(fù)合脫氧劑形成的夾雜物較大，容易上浮去除。

d.爐后鋼包加稀土，改變夾雜物形狀，減少夾雜，以減少曲軸的熱裂傾向，增加鋼水流動性。

e.為了有利于夾雜物上浮排除，除了保證足夠的鋼水溫度外，出鋼后鋼水在鋼包內(nèi)要適當靜置。

2） 控制合金的化學(xué)成分

合金成分對于各種裂紋的形成尤其是熱裂紋有著重要的影響。鑄鋼件最容易產(chǎn)生熱裂紋，所以首先要控制好它的化學(xué)成分，采用爐前處理技術(shù)來防止熱裂。

3） 控制鋼水中的磷、硫含量

鋼水中的磷、硫嚴重地增大了鑄鋼件的熱裂傾向性。因為它們都能夠形成低熔點化合物，降低實際固相線溫度，擴大了有效凝固溫度范圍；它們在鋼中都屬于表面活性元素，降低晶粒間液相表面張力，阻礙液膜中固相橋的長大和增多，延長液膜存在時間，易使曲軸產(chǎn)生熱裂；所以要控制鋼水中的磷、硫含量。

4） 增加硅含量

增加硅含量可以大大降低鑄鋼的熱裂傾向，但不要過高，過高會影響鑄件的機械性能，一般最高不超過0.6%；從防止熱裂的角度來說，還要控制錳與硫的比值，有助于抑制硫?qū)﹁T鋼件熱裂的不利影響，因為錳與硫起反應(yīng)而形成硫化錳，從而減少形成Ⅱ型硫化鐵的傾向。當錳和硫的比大于20時，鑄鋼件裂紋發(fā)生率低于0.1%。

3.4.造型材料的控制

酯固化堿酚醛樹脂砂固化性能調(diào)整原則：

1）根據(jù)現(xiàn)場原砂的種類、狀態(tài)，型芯砂的生產(chǎn)工藝要求，外界環(huán)境條件（溫度、濕度），選擇相應(yīng)的粘結(jié)劑和固化劑的種類及加入量來調(diào)整型砂的固化工藝性能，以滿足曲軸生產(chǎn)的現(xiàn)場要求。

2）型砂工藝強度的調(diào)整，主要是調(diào)整堿性酚醛樹脂及固化劑的加入量。

3）型砂固化速度的調(diào)整，主要是調(diào)整固化劑的種類和砂溫等。

3.5.澆注工藝的控制

澆注溫度越高，縮孔增大，晶粒變粗，鑄鋼的力學(xué)性能下降，曲軸熱裂傾向增大。從防止熱裂的角度來說，應(yīng)在保證鋼水充型，不發(fā)生其他充填缺陷（冷隔、澆不足）的前提下，應(yīng)使?jié)沧囟鹊托?。曲軸鑄件應(yīng)選擇低溫慢澆。

3.6.預(yù)留切割余量

曲軸的澆冒口、補貼大都用氣割的方法切除，曲軸的冒口及補貼較大，氣割時間長，熱作用時間長很容易產(chǎn)生裂紋。為防止氣割時產(chǎn)生裂紋，即防止熱影響區(qū)進入鑄件，應(yīng)該在氣割時留有一定的氣割余量，用打磨和加工的方法將其去除，

曲軸的冒口及補貼均應(yīng)采取熱切。

4.提升曲軸鑄件質(zhì)量的新設(shè)想

F-系列泥漿泵是石油鉆機的重要設(shè)備，曲軸是泥漿泵的關(guān)鍵零件 。曲軸的質(zhì)量關(guān)系著泥漿泵的品質(zhì)高低。為了提高泥漿泵的品質(zhì)必須全面提升曲軸的質(zhì)量。

對曲軸鑄造缺陷進行分析和研究，是提升曲軸鑄件質(zhì)量的關(guān)鍵。然而，其難度也是很大的。主要表現(xiàn)在：1）涉及的知識面廣，如合金、鑄造工藝、造型材料、鑄造裝備及生產(chǎn)過程的檢測等方面知識。2）鑄件缺陷形成原因的多樣性，一種缺陷可以由多種原因引起，如：影響熱裂的因素有冶金因素（合金種類、澆注溫度、凝固溫度范圍及硫等殘留元素的存在與否）、鑄件結(jié)構(gòu)因素、鑄造工藝因素、砂型砂芯因素等。 而一種原因又可能引起幾種缺陷，如澆注溫度過高，會造成鑄件縮孔、縮松、熱裂、粘砂等缺陷。3）技術(shù)措施的制約性，如采用某一措施，可以防止某一類型缺陷，但可能導(dǎo)致產(chǎn)生另外一種缺陷。4）影響因素難以控制，如原材料質(zhì)量、空氣的溫度與濕度等。

為了提升曲軸的質(zhì)量，必須對曲軸的鑄造缺陷進行有效的控制。而對缺陷的準確

判斷，是解決曲軸缺陷的前提條件。除了用肉眼直接觀察判斷鑄件的外熱裂紋、表面粘砂、冷隔、結(jié)疤等缺陷外，還能采用磁粉檢測法來判斷缺陷的類型、位置和大小，用超聲波和射線等方法來對鑄件進行無損探傷來確定和判斷缺陷類型、位置、大小。

4.1鑄鋼合金的液態(tài)特性與鑄件缺陷

鑄鋼合金在熔煉時，溫度通常在液相線以上100-150℃。在這樣的過熱度狀態(tài)下，液態(tài)金屬存在近似于固態(tài)晶體的小集團，其內(nèi)部形態(tài)與固態(tài)晶體類似，但晶格常數(shù)更大些。從宏觀看，液態(tài)金屬是由原子集團和空穴組成。從液態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)楣虘B(tài)時，原子集團聯(lián)系緊密，原來的空穴消失，加之晶體中晶格常數(shù)減少，導(dǎo)致體積減小。從而在鑄件內(nèi)形成空洞，使鑄件產(chǎn)生縮孔、縮松、熱裂等缺陷。

鑄鋼合金是在大氣條件下熔煉，而且爐料中含有一定的夾雜物，如硫化鐵、氧化鐵、二氧化硅等夾雜物。用鋁對鋼液進行脫氧，鋼液中還含有三氧化二鋁夾雜物。鋼液含有氣體和夾雜物，使鑄件容易形成氣孔、渣空、夾雜物等缺陷。所以，在鑄鋼合金的熔煉、變質(zhì)處理、澆注等環(huán)節(jié)中，盡量減少液態(tài)金屬中的含氣量與夾雜物量，是減少鑄件缺陷的重要技術(shù)措施。

4.2.鑄鋼合金的凝固特性與鑄件缺陷

不同碳含量的鑄造碳鋼，總的說來是外生凝固，C含量=0.05-0.1%時為光滑界面凝固方式，C含量=0.2-0.3%時為粗糙界面凝固方式，C含量=0.55-0.6%時，則為海綿狀凝固方式。

4.3.鑄鋼合金的凝固收縮過程與鑄造缺陷

鋼水澆入鑄型后，液態(tài)金屬在鑄型內(nèi)冷卻、凝固成固態(tài)并冷至室溫，就會發(fā)生液態(tài)收縮、凝固收縮和固態(tài)收縮，從而使鑄件產(chǎn)生縮孔、縮松缺陷。曲軸鑄件在冷卻過程中因各部分溫度不同而產(chǎn)生熱應(yīng)力；加之鑄鋼合金還會產(chǎn)生相變，因相變而產(chǎn)生相變應(yīng)力；在收縮時會受到鑄型的阻礙而產(chǎn)生收縮應(yīng)力，若這三種應(yīng)力被疊加在一起，就會使鑄件產(chǎn)生裂紋或者變形。

4.4.曲軸鑄件熱裂、縮孔和縮松缺陷

熱裂、縮孔、縮松、粘砂、氣孔、砂眼、夾砂、夾渣、龜紋、脈紋、皺皮仍然是曲軸的常見鑄造缺陷。除了曲軸的表面缺陷外，內(nèi)在缺陷如：內(nèi)熱裂紋、氣孔、縮松、夾渣、砂眼等缺陷也常出現(xiàn)在曲軸的粗加工和精加工后的表面上，特別是精加工后發(fā)現(xiàn)的內(nèi)熱裂、夾渣、氣孔等缺陷，由于返修困難常導(dǎo)致曲軸因此報廢。

1）對于鑄造碳鋼而言，C含量為0.2%時，其抗熱裂的能力最強。當碳含量從0.2%增至0.5%時，鑄鋼件形成熱裂的傾向性增加。原因在于：碳含量在此范圍內(nèi)，鋼液的液-固相線擴大。當碳含量為0.2%時，液-固相線溫度范圍為46℃；而當碳含量為0.5%時，該范圍擴大到65℃。由此推知：曲軸材質(zhì)ZG35CrMoA鋼液的液-固相線溫度范圍為56℃左右，曲軸的熱裂傾向較強。

2）澆注溫度越高，則由于縮孔增大，晶粒變粗，若含有低熔點物較多，如硫含量，則更會促進其熱裂的生成，特別是對于曲軸這樣的厚大鑄件，更是如此。據(jù)有關(guān)

資料反應(yīng)，隨著澆注溫度的升高，鑄件的強度和伸長率都會下降，這也是鑄件裂紋缺陷形成的傾向性增加。

3）澆注速度的快慢，依鑄件壁厚和質(zhì)量而定；對于壁厚較大的曲軸鑄件而言，在保證充型的前提下，其澆注速度越慢，熱裂缺陷就越少。

4）當鑄件凝固時，其表面層也凝固成固體，故也產(chǎn)生固態(tài)收縮，并使鑄件外形尺寸減少。有關(guān)文獻把縮孔的產(chǎn)生概括為：鑄造合金的液態(tài)體收縮值與凝固體收縮值之和，大于同一時期的固態(tài)收縮之值。隨著鋼水液態(tài)收縮系數(shù)的提高，液態(tài)收縮增加，從而增加縮孔、縮松的體積。如對于碳鋼，其含碳量每增加0.1%，液態(tài)收縮系數(shù)提高2%，隨著含碳量增加，其形成縮孔和縮松的的傾向性增加。C含量為0.35%碳鋼的液態(tài)收縮為每下降100℃，體積減少1.6%。當澆注溫度為1625℃時，該鋼的液相線溫度為1500℃，相當于過熱125℃；隨后在1500℃至1470℃（液-固相線區(qū)域內(nèi)）進行凝固，凝固體收縮率為3.0%；隨后固態(tài)收縮的體收縮率為7.2%。其中，從凝固溫度γ→α溫度為4.41%，相應(yīng)溫度區(qū)間為1470℃至690℃，平均每下降100℃，體積

減少0.57%；隨后γ→α發(fā)生0.33%的膨脹；從α相至室溫的體收縮系數(shù)為3.12%。對

于C含量為0.35%的碳鋼，如在1000℃時，其固態(tài)的體收縮為：0.57×4.7≈2.67%。這樣液態(tài)體收縮為：1.6%×1.25≈2.0%，凝固體收縮為：3.0%；液態(tài)體收縮+凝固體收縮≈5.0%，大于固態(tài)體收縮2.67%。

這就是鑄鋼件在凝固時產(chǎn)生縮孔的原因。如果用文字表述，可以這樣：鑄鋼件的液態(tài)體收縮之值，加上凝固期間體收縮之值，在同一時期內(nèi)，大于固態(tài)體積收縮之值。故造成鑄鋼件的內(nèi)部產(chǎn)生縮孔和縮松。

5）凡是增加固態(tài)線收縮之值的因素，都有利于減少縮孔和縮松的傾向，因為體收縮之值等于3倍線收縮之值。如碳鋼中C含量分別為0.14%和0.45%時，其固態(tài)線收縮值分別為2.47%和2.40%。所以，低碳鋼較之中碳鋼形成縮孔和縮松傾向要小。

6）凡是提高凝固收縮系數(shù)的因素，都會增加凝固收縮的體積值。如碳鋼中C含量分別為0.1%、0.35%和0.45%，其凝固收縮系數(shù)分別為2%、3%和4.3%。所以，中碳鋼比低碳鋼形成縮孔和縮松的概率要高。

7）鑄鋼件的壁厚越薄，相對縮孔與縮松的體積要小些。因為鑄件壁薄，表面冷卻速度快，在相同條件下，比厚壁鑄件的已凝固層相對要厚一些，表面溫度也低一些，故剩余液體金屬的體積數(shù)量相對少一些，從而縮孔與縮松的體積要小一些。

8）造型材料。提高鑄型的散熱能力，有助于減少縮孔。如采用鉻礦砂和硅砂作造型材料，前者比后者形成縮孔與縮松傾向性要小。采用冷鐵能減小縮孔與縮松也是同樣的原因。

9）澆注方式和澆注速度。澆注方式可分為頂注、底注和聯(lián)合澆注三種方式，澆

注速度可分為快澆與慢澆兩種速度。

頂注能有較好的溫度梯度，即上部溫度高，下部溫度低，利于上部對下部的補縮。上部設(shè)置冒口，則可把縮孔移至冒口內(nèi)，從而消除鑄件內(nèi)部的縮孔和縮松，獲得健全的鑄件。而采用底注無論是快澆還是緩慢澆注，其溫度分布都是鑄件下部溫度比上部

高，而緩慢澆注則溫度分布下部比上部更高。而采用聯(lián)合澆注（階梯式內(nèi)澆道），則溫度分布較為均勻。所以，當采用“同時凝固”的工藝設(shè)計時，采用低溫與快速澆注

共同配合較為合理；當采用“順序凝固”的工藝設(shè)計時，則采用高溫與緩慢澆注共同配合更為有利。

現(xiàn)在的曲軸采用的是：聯(lián)合澆注方式、“同時凝固”的工藝設(shè)計原則，采用低溫與快速澆注共同配合的鑄造工藝思路。

我的設(shè)想：采用“弱順序凝固”的工藝設(shè)計思路，仍然采用聯(lián)合澆注方式，適當提高底注內(nèi)澆口位置、從曲軸分型面以下的三分之一處的側(cè)位注入，在曲軸冒口下部三分之一處設(shè)置一道內(nèi)澆口。加上再在冒口中補澆、點澆等措施補救冒口溫度過低的問題。適當提高澆注溫度，采用“較高溫度”與緩慢澆注共同配合的澆注方式。這樣就能實現(xiàn)自下而上溫度逐步遞增的溫度梯度，把縮孔縮松移至冒口，從而消除曲軸鑄

件內(nèi)部的縮孔、縮松，又能避免熱裂嚴重的傾向，獲得健全的曲軸鑄件。

5.結(jié)論與綜述

歷經(jīng)30多年，F(xiàn)-系列泥漿泵曲軸質(zhì)量有了很大的提升。從實心曲軸到空心曲軸

的批量生產(chǎn)，經(jīng)歷了15年，基本上解決了曲軸的大面積縮孔、縮松鑄造缺陷，曲軸

的質(zhì)量得到大步提升。采用拉缸固定砂芯并采用整體芯盒制芯，基本上解決了空心曲軸的漂芯和夾砂問題，使曲軸的質(zhì)量有了長足的提升。2010年通過計算機模擬工藝設(shè)計，改變了曲軸的鑄造工藝方案，改變了分型面和冒口設(shè)置，使曲軸的凝固方式更趨合理，曲軸的內(nèi)在質(zhì)量有了較大提升。

2013年，酯固化堿酚醛樹脂自硬砂造型在新區(qū)試生產(chǎn)后，鑄鋼件質(zhì)量一度處于失控狀態(tài)。曲軸的熱裂、粘砂、夾砂、砂眼、氣孔、縮孔、縮松、漲砂等缺陷均十分嚴重。經(jīng)過一年多的試生產(chǎn)，對造型用原砂進行了檢測，原砂的SiO2含量不足94%，不能滿足鑄鋼件生產(chǎn)的要求。鑄鋼用砂SiO2含量必須達到97%以上，經(jīng)研究決定將使用的包頭風(fēng)積砂改為SiO2含量為98%福建海砂，保證原砂的耐火度，避免了由此引起的鑄鋼件表面大面積粘砂、夾砂、砂眼、裂紋等缺陷，大幅度提升了鑄鋼件的表面質(zhì)量。在試生產(chǎn)階段，生產(chǎn)的曲軸大多因裂紋而

報廢，生產(chǎn)的F-1300泵曲軸出現(xiàn)的裂紋長達半個圓。經(jīng)過反復(fù)的摸索實踐：設(shè)置開放式澆注系統(tǒng)加快澆注速度，在曲軸的熱節(jié)、拐角及圓角部位放置鉻鐵礦砂，特別是在曲軸經(jīng)常出現(xiàn)裂紋的部位放置鉻鐵礦砂，解決了曲軸的熱裂缺陷。曲軸的質(zhì)量得到了控制和提升。

通過對酯固化堿酚醛樹脂自硬砂造型的反復(fù)摸索實踐，基本掌握了堿酚醛樹脂砂的性能和特點：1）在鑄鋼件凝固末期的熱膨脹大于呋喃樹脂砂。2）在鑄鋼件澆注凝固過程中的保溫性能比呋喃樹脂砂好。3）高溫潰散性較呋喃樹脂砂差，即鑄造容讓性差。4）堿酚醛樹脂砂流動性差。5）砂型透氣性差、發(fā)氣量較大。6）型芯在澆注時的熱作用下，樹脂進一步聚合交聯(lián)，堿性酚醛樹脂在二次固化后失去了塑性，且樹脂加入量多，澆注后堿酚醛樹脂受熱焦化，形成堅硬的炭化骨架而是之熱強度大，退讓性差，使鑄鋼件易產(chǎn)生熱裂。

曲軸的材質(zhì)為：ZG35CrMoA，由以上分析可得出一下推論和結(jié)論：

1.ZG35CrMoA的凝固方式應(yīng)介于粗糙界面和海綿狀凝固方式之間。因此，曲軸在澆注凝固過程中產(chǎn)生縮松、熱裂缺陷的傾向很大。采用有效的措施，提高曲軸的冷卻速度，使曲軸以光滑界面的方式凝固，是提升曲軸內(nèi)在質(zhì)量的關(guān)鍵措施。

2.ZG35CrMoA鋼液的液-固相線溫度范圍為56℃左右。因此，曲軸的縮松、熱裂傾向較強。

3.ZG35CrMoA鑄鋼件的液態(tài)體收縮之值+凝固期間體收縮之值，在同一時期內(nèi)，

大于固態(tài)體積收縮之值。因此，曲軸內(nèi)部產(chǎn)生的縮孔和縮松傾向較大。

4.在曲軸的熱節(jié)、拐角及圓角部位放置鉻礦砂，是解決曲軸熱裂的有效措施。

5.采用“弱順序凝固”的工藝設(shè)計思路，采用聯(lián)合澆注方式，并采用“較高溫度”與緩慢澆注共同配合的澆注工藝，是消除曲軸鑄件內(nèi)部的縮孔和縮松、避免熱裂，獲得健全曲軸鑄件的有效途徑。

6.加強砂型的排氣措施，提高鑄型的散熱能力，有助于減少曲軸的縮孔、縮松缺陷。是提升曲軸質(zhì)量的有效措施。

7.對曲軸的鑄造過程進行有效的控制。特別是對造型過程的控制，提高砂型的排氣措施，增加砂型、砂芯的退讓性。是提升曲軸質(zhì)量的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。

8.對冶煉過程的控制，提高鋼水質(zhì)量，控制好鋼水的化學(xué)成分，是提升曲軸質(zhì)量的關(guān)鍵所在。

參考文獻

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