大型厚壁球墨鑄鐵件鑄造工藝研究

宋 亮，蘇少靜，劉利平

（共享裝備股份有限公司，寧夏銀川750021）

大型厚壁球墨鑄鐵件鑄造工藝研究

宋 亮，蘇少靜，劉利平

（共享裝備股份有限公司，寧夏銀川750021）

通過對礦山機械類球墨鑄鐵厚壁大件的研究，就厚壁大件采用無冒口鑄造和大冒口補縮鑄造兩種工藝方案進行試驗對比，確定了合理的鑄造、熔煉和澆注方案，獲得了厚壁鑄件在不同鑄造方案下的實際效果，得出了生產(chǎn)此類產(chǎn)品的工藝方法，為此類鑄件的批量化生產(chǎn)奠定了技術(shù)基礎(chǔ)和生產(chǎn)經(jīng)驗。

礦山機械；球墨鑄鐵；厚壁大件

球墨鑄鐵呈粥狀凝固，凝固溫度范圍寬。厚大球墨鑄鐵件由于壁厚大，凝固時間長，石墨球大且少，產(chǎn)生縮孔、縮松的傾向比灰鑄鐵件大得多。在工藝設計思路上，有人認為應該遵循順序凝固的原則，有人認為球墨鑄鐵件在滿足一定條件下，只需要采用小冒口或無冒口也能生產(chǎn)出結(jié)構(gòu)完整的鑄件。對于厚壁大件球墨鑄鐵件如何解決以上問題，是一個需要克服的難題[1]。

我公司給一國際知名企業(yè)供應礦山機械球墨鑄鐵件產(chǎn)品。該產(chǎn)品在礦機機組中主要用于礦石的破碎作業(yè)，以及作為傳動軸的連接部位承受高載荷、高力矩[2]，因此對鑄件的組織性能要求極高，鑄件內(nèi)部在UT檢驗中不允許有任何大小的縱向延伸裂紋。該系列產(chǎn)品為厚大斷面球墨鑄鐵件（最大壁厚達312 mm，主體壁厚196 mm），鑄造技術(shù)難度大、質(zhì)量要求高，產(chǎn)品結(jié)構(gòu)如圖1所示。

1 試驗目的

試制壁厚196 mm～312 mm，高度1 400 mm的球墨鑄鐵件，分別采用兩種方案：

方案1：少冷鐵、無冒口鑄造（液態(tài)冒口補縮）；

方案2：冷鐵分區(qū)、大冒口補縮的方案。完成鑄造后對實體進行試塊UT探傷質(zhì)量，對比結(jié)果，并與仿真模擬的結(jié)果進行對比，尋找生產(chǎn)厚壁球鐵鑄件的生產(chǎn)工藝。

圖1 項目產(chǎn)品結(jié)構(gòu)示意圖

2 試驗方案

2.1 生產(chǎn)方法

呋喃樹脂砂造型，樹脂加入質(zhì)量分數(shù)為1.2%，固化劑45%，型砂抗拉強度控制在5.0 MPa～6.0 MPa之間，中頻爐熔煉；兩種方案采用與鑄件同結(jié)構(gòu)的1/8實體模樣。方案1：少冷鐵、無冒口鑄造（液態(tài)冒口補縮）；方案2：冷鐵分區(qū)、大冒口補縮的方案。同型生產(chǎn)澆注，打箱后UT探傷，確定生產(chǎn)工藝。

2.2 澆注系統(tǒng)

采用開放式橫澆道鋸齒集渣、凹槽擋渣效果檢驗，澆注系統(tǒng)比例為S直∶S橫∶S內(nèi)=1∶2.5∶2.4，內(nèi)澆口流速低于2.0m/s，澆注重量5.4t，澆注時間50s ±5 s.如圖2所示為設計的項目產(chǎn)品的澆注系統(tǒng)。

凝汽器真空嚴密性差會產(chǎn)生以上危害，因此真空系統(tǒng)的檢漏尤為重要。該廠根據(jù)機組的停運狀態(tài)或運行狀態(tài)，采取了不同的檢漏方法。

圖2 產(chǎn)品澆注系統(tǒng)

2.3 CAE仿真技術(shù)

采用鑄造過程仿真軟件（MAGMA軟件）對鑄造過程進行充型、凝固的仿真分析，在鑄造生產(chǎn)前準備評估過程中可能存在問題[3]，提前解決，提升質(zhì)量，其中MAGMA對薄壁、厚壁鑄鐵的模擬設置是一致的，如確信鑄型強度非常好，可以將鑄型強度設置選項內(nèi)選擇“die”.如圖3所示為項目產(chǎn)品充型、凝固模擬效果圖。圖3a）圖為使用液態(tài)補縮冒口+少冷鐵，鑄件3個區(qū)域有縮松顯示，縮松較集中，但均在非關(guān)鍵區(qū)域，且在壁厚中心位置；圖3b)圖使用冷鐵分區(qū)、大冒口補縮，縮松主要集中在2個區(qū)域，縮松較分散，在壁厚中間區(qū)域，無加工外漏風險。

圖3 項目產(chǎn)品充型、凝固模擬效果圖

2.4 模樣制作

采用了如圖4所示的澆注系統(tǒng)與冷鐵布置進行模具制作。模樣采用消失模代木材料制作，造型完成后開箱將消失模取出；澆注系統(tǒng)同樣適用消失模制作，配底臺板內(nèi)澆道過道芯及橫澆道、集渣齒均在臺板上做出定位；制作時按1%縮尺制作，同時按三維圖標識冷鐵，按中箱、上箱、底箱順序造型。如圖4所示為鑄件冷鐵布置及模具制作。

2.5 熔煉參數(shù)控制

熔煉材料控制，高碳當量（4.5%±0.05），使用高純生鐵；兩級孕育和球化處理的工藝，高質(zhì)量的鐵水冶金質(zhì)量（潔凈爐料、避免高溫長時間過熱，潔凈鐵水，優(yōu)質(zhì)的球化和孕育，Mg質(zhì)量分數(shù)0.03%～0.05%），保證厚壁大型鑄件無組織、成份偏析問題，解決石墨漂浮和冒口頸鑄件組織粗大，滿足顧客厚壁件的組織和性能要求，同時利于鑄件的自補縮。

圖4 項目產(chǎn)品冷鐵布置及模具制作

3 實際生產(chǎn)結(jié)果

實體試塊按一箱內(nèi)生產(chǎn)2個1/8鑄件結(jié)構(gòu)的方式進行。采用箱卡卡箱加上箱壓箱的方法防止砂箱變形，澆注溫度1 298℃，澆注時間52 s，澆注重量5.5 t，打箱時間至少96 h后。如圖5所示為項目產(chǎn)品實體檢測情況。

圖5 項目產(chǎn)品實體檢測情況

3.2 鑄件檢驗結(jié)果

UT檢驗：超聲波探傷儀Krautkramer USD10，探頭Krautkramer B1S E系列，檢測員等級必須是SNT-TC-1A 1級。檢測工藝首先使用20 db底波損失標準。另外，根據(jù)VDG-P-540球鐵鑄件超聲波檢測DGS方法（距離、增益和尺寸）只用來測量缺陷尺寸。首先，從鑄件一側(cè)開始掃查，對于關(guān)鍵區(qū)域和非關(guān)鍵區(qū)域損失連續(xù)大于等于20 db的部位進行記錄：經(jīng)檢測，兩種方案均未發(fā)現(xiàn)縮松，但UT檢測聲速，發(fā)現(xiàn)方案2聲速優(yōu)于方案1，具體如圖6所示。

3.3 實體結(jié)果

冒口下方實體×100倍的典型金相照片如圖7所示，a）為無冒口方案，b）為有冒口方案；由圖7可以，無冒口方案1的金相優(yōu)于有冒口的方案2，石墨更加圓整。

圖6 UT檢測聲速結(jié)果

圖7 冒口下方實體×1000倍金相照片

3.4 冒口解剖

對大冒口進行解剖，檢測冒口實體無縮孔縮松，HBS硬度分布為140～145.從冒口×100倍的典型金相照片看到：石墨粗大、珠光體含量少，具體如圖8所示。

4 總結(jié)

通過試驗，方案1和方案2均能夠獲得無縮松的鑄件。無冒口的方案1，優(yōu)點在于成本節(jié)約（無冒口少冷鐵）、鑄件金相石墨圓整度好；大冒口的方案2，優(yōu)點在于實體密實（聲速高無縮松）、操作復雜、成本高。

綜合上述實驗結(jié)論，我公司選用無冒口鑄造生產(chǎn)此類大型厚壁鑄件，通過合理的設計工藝，優(yōu)化參數(shù)設計，做好厚大斷面球墨鑄鐵的無缺陷工藝的保障措施，解決鑄件聲速和密實度的問題：

a）高質(zhì)量的鐵水質(zhì)量的保障：潔凈爐料、避免高溫長時間過熱，潔凈鐵水，優(yōu)質(zhì)的球化和孕育，做標準附鑄試塊，性能和金相、球墨數(shù)量和質(zhì)量保證，含Mg質(zhì)量分數(shù)為0.03%～0.05%；

b）高質(zhì)量的鑄型的保障：鑄型充分緊實，控制砂型硬度及均勻性并測量記錄，砂箱完好剛性保證，鑄型必須螺栓卡箱卡緊；

c）采取相對較低溫度澆注1 280℃～1 290℃；

d）快速澆注：對于本次約5 t的澆注總重，澆注時間宜控制在55 s以內(nèi)，注意型腔良好出氣；

e）無冒口工藝在快速澆注的原則下，控制內(nèi)澆口厚度（10 mm～12 mm），以保證內(nèi)澆口先凝固，充分利用自膨脹。

圖8 大冒口解剖效果示意圖

［1］楊恒遠，畢海香，劉繼波，等.厚大斷面球墨鑄鐵習無冒口鑄造［J］.鑄造設備與工藝，2015（2）：24-25.

［2］戎軍，蔣云峰，張香杰，等.機床大型球墨鑄鐵件的鑄造生產(chǎn)［J］.金屬加工，2013（1）：36-37.

［3］王毅.750大型球墨鑄鐵泵體鑄造工藝的改進［J］.現(xiàn)代鑄鐵，2016（2）:32-35.

Casting Process of Large Ductile Iron with Thick Wall

SONG Liang，SU Shao-jing，LIU Li-ping
（Kocel Machinery Limited Company，Yinchuan Ningxia 750021，China）

In this article，feederless casting process and large feeder process were respectively applied in the production of large mining machinery with thick wall.The reasonable casting，melting and pouring process were determined and the casting was produced，which provide the basic technology and production experience for the mass production of such casting.

mining machinery，ductile iron，thick wall casting

TG242

A

1674-6694（2017）01-0020-04

10.16666/j.cnki.issn1004-6178.2017.01.007

2016-10-11

宋亮（1986-），男，漢族，寧夏石嘴山人，本科，現(xiàn)主要從事鑄造技術(shù)的研究工作。