何良榮 ,柯志敏 ,張紅林
(1.廣東中天創(chuàng)展球鐵有限公司,廣東英德 513000;2.廣東省高性能大型鑄件制造及模擬工程技術(shù)研究中心,廣東英德 513000)
磨盤(pán)是粉磨機(jī)的關(guān)鍵零部件之一,其質(zhì)量直接影響著機(jī)器的生產(chǎn)效率和質(zhì)量。某球墨鑄鐵件磨盤(pán),鑄件結(jié)構(gòu)如圖1所示,外圓φ1 700 mm,內(nèi)圓φ498 mm,厚度85 mm,材質(zhì)為FCD400-18,硬度要求HB 130~145,要求100%超聲檢測(cè),驗(yàn)收要求達(dá)到EN12680-3:2012表2-01級(jí)要求。
圖1 鑄件結(jié)構(gòu)示意圖
由于鐵素體基體球墨鑄鐵對(duì)冷卻速度及化學(xué)成分的敏感性使其在不同位置的硬度波動(dòng)劇烈,其波動(dòng)范圍達(dá)到HB 30~40.國(guó)際及國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)鐵素體基體的球墨鑄鐵的硬度范圍是HB 30~55.現(xiàn)需要保證硬度均勻,且硬度差不超過(guò)15HB,這就要求鑄造工藝設(shè)計(jì)時(shí)考慮充型平穩(wěn),保證各部位凝固時(shí)溫度差盡量小。若工藝設(shè)計(jì)稍有不當(dāng)便無(wú)法在鑄態(tài)達(dá)到技術(shù)要求,通過(guò)熱處理達(dá)到硬度要求將降低鑄件的競(jìng)爭(zhēng)力。
鑄件整體需要100%超聲波探傷,且需要達(dá)到EN12680-3:2012表 2-01級(jí)要求。查看EN12680-3:2012歐洲標(biāo)準(zhǔn)《鑄造-超聲檢測(cè)第三部分:球墨鑄鐵件》表2,對(duì)照01級(jí)要求,這是極為嚴(yán)格的技術(shù)要求。球墨鑄鐵件的超聲探傷特點(diǎn)是晶粒粗大,組織不均勻,或多或少呈現(xiàn)粗晶狀態(tài),對(duì)超聲波產(chǎn)生強(qiáng)烈的聲衰減;此外,表面與中心部分組織的差異性較大,這些差異都很有可能出現(xiàn)底波降低或缺陷波超過(guò)極限值從而不符合要求,因此對(duì)鑄件的質(zhì)量提出了很高的要求。
選擇在φ1 700大平面處分型,這樣簡(jiǎn)化鑄造工藝,有利于模具制作,提高生產(chǎn)效率,提高鑄件質(zhì)量,也能延長(zhǎng)模具的使用壽命。
根據(jù)磨盤(pán)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)采用底注式澆注系統(tǒng),內(nèi)澆道位于鑄件外圓周和底部,鐵液充型平穩(wěn),可避免鐵液在型腔內(nèi)發(fā)生激濺、氧化形成的鑄件缺陷,同時(shí)對(duì)砂型、砂芯沖擊小,也方便澆注系統(tǒng)設(shè)置過(guò)濾網(wǎng)。
澆注系統(tǒng)采用封閉-開(kāi)放式澆注系統(tǒng),在橫澆道中用過(guò)濾網(wǎng)擋渣,各組元截面積比例為F內(nèi):F橫:F直=1:1.4:1.1,具體截面積 F內(nèi)=38 cm2,10個(gè)內(nèi)澆道在橫澆道上均布,環(huán)形橫澆道F橫=53.2 cm2,F(xiàn)直=41.8 cm2.澆注系統(tǒng)及冷鐵布置如圖2所示。
圖2 澆注系統(tǒng)及冷鐵布置簡(jiǎn)圖
考慮到鑄件硬度偏差主要原因是鑄件各部分在凝固過(guò)程中溫度分布存在差異,為了減小鑄件各部分差異造成的蓄熱與散熱不一致,因此盡可能通過(guò)內(nèi)澆道、冷鐵的均勻布置,有利于鐵液迅速而均勻地充滿型腔,避免鑄件各部分溫差過(guò)大造成硬度偏差大。
鑄造收縮率取1%,加工余量上平面為15 mm,外圓單邊余量10 mm,內(nèi)圓單邊5 mm.
根據(jù)磨盤(pán)的特點(diǎn),澆注位置的最高點(diǎn)放置側(cè)冒口,主要作用是排氣、排渣。
考慮到鑄件要求整體硬度偏差小,使用冷鐵是保證鑄件質(zhì)量常用的工藝措施。通過(guò)采用冷鐵來(lái)平衡鑄件各部位的冷卻速度,追求整體的均衡凝固。在上下兩個(gè)大平面都放置冷鐵,在造型時(shí)控制冷鐵的間隔≤30 mm.上平面的冷鐵背面做出吊耳,在造型時(shí)用鐵線掛在上箱箱帶上再放砂,防止冷鐵整體塌箱。
參考平板類鑄件的澆注工藝方案,采用平做斜澆的工藝方法。在砂型中傾斜20°~25°放置,有利于排氣和充型平穩(wěn),防止上表面夾砂。澆口放在傾斜位置的高端,冒口放在低端。
鑄件牌號(hào)是FCD400-18,需要保證硬度值在標(biāo)準(zhǔn)的中下限,化學(xué)成分的選擇是保證達(dá)到硬度要求的關(guān)鍵。對(duì)于鑄態(tài)鑄件的本體硬度主要是由基體組織中的珠光體量或鐵素體量決定,珠光體量多,鐵素體量少則鑄件的硬度高;反之則鑄件的硬度低。
1)碳當(dāng)量的選擇
適當(dāng)?shù)靥岣咛籍?dāng)量可以增加鐵液的流動(dòng)性,利于澆注和補(bǔ)縮,也有利于降低縮松傾向,碳當(dāng)量較高的鐵液具有形成鐵素體的傾向,還可增加石墨球數(shù)量。針對(duì)鑄件的特點(diǎn),碳當(dāng)量選擇在4.3%~4.6%,ω(C)選擇在 3.70%~3.80%.
2)硅的選擇
硅在化學(xué)成分范圍內(nèi)能全部固溶于基體中,硅在鐵素體基體中隨著硅含量的增加鐵素體也會(huì)增加。常溫時(shí),基體中原子活性較大,硅使鐵素體增加起主要作用,w(Si)選擇在2.0%~2.2%.
3)錳的控制
錳在球墨鑄鐵中是形成珠光體元素,在凝固時(shí)有特別顯著的偏析傾向,對(duì)鐵素體球墨鑄鐵十分不利。因此對(duì)于鐵素體基體的球墨鑄鐵來(lái)說(shuō)錳含量越低越好,控制ω(Mn)≤0.3%.
4)磷和硫的控制
磷對(duì)于球墨鑄鐵來(lái)說(shuō)是有害元素,含量越低越好,因此控制ω(P)≤0.040%.硫是反球化元素,屬于有害雜質(zhì)元素,是隨金屬爐料帶入爐中,因降低磷硫含量是獲得優(yōu)質(zhì)鑄件的基礎(chǔ),含量越低越好。因此控制ω(S)≤0.020%.
5)殘余稀土和鎂
ω(RE殘)控制在≤0.020%,ω(Mg殘)控制在0.03%~0.05%的范圍內(nèi)。如果鐵液內(nèi)的殘余鎂過(guò)多會(huì)增加收縮量,使鑄件易產(chǎn)生縮孔、縮松缺陷。殘余稀土過(guò)高會(huì)出現(xiàn)異形石墨和增加碳化物形成傾向。
生鐵和廢鋼的純凈度是穩(wěn)定生產(chǎn)鐵素體球墨鑄鐵的關(guān)鍵,因此要求生鐵和廢鋼中形成珠光體元素(Cu、Cr、Mo、Sn、Sb 等)含量要盡可能地低。
綜合上述分析結(jié)果,化學(xué)成分的控制范圍如表1所示。
表1 化學(xué)成分的控制范圍(質(zhì)量分?jǐn)?shù),%)
球化劑選用鑭系稀土鎂球化劑。而孕育處理則采用多次孕育方法,澆注時(shí)隨流孕育采用高效孕育劑,能夠更有效地防止孕育衰退,增加鑄件基體組織的均勻性。
為了減少澆注溫度過(guò)高導(dǎo)致的凝固時(shí)間長(zhǎng),溫度差異過(guò)大,澆注溫度不能過(guò)高,而為了避免氣孔、夾渣缺陷,澆注溫度又不能太低,從二者兼顧考慮,選定澆注溫度為1 300℃~1 320℃.
經(jīng)過(guò)公司各部門(mén)的積極配合,成功生產(chǎn)了多批次磨盤(pán)鑄件,磨盤(pán)實(shí)物圖片見(jiàn)圖3.
圖3 磨盤(pán)實(shí)物圖
對(duì)澆注前的鐵液進(jìn)行光譜分析,其化學(xué)成分平均為:ω(C)3.72%,ω(Si)2.08%,ω(Mn)0.26%,ω(P)0.018%,ω(S)0.010%,ω(Cr)0.029%,ω(Mo)0.008%,ω(Cu)0.031%,ω(RE)0.012%,ω(Mg)0.046%.分析結(jié)果顯示各元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)均在控制范圍內(nèi),達(dá)到控制要求。
對(duì)本體金相組織進(jìn)行檢驗(yàn),球化級(jí)別評(píng)定為2級(jí),石墨大小評(píng)定為6級(jí),珠光體數(shù)量<5%,鐵素體數(shù)量>95%,無(wú)明顯的碳化物。本體金相組織見(jiàn)圖4,金相檢驗(yàn)結(jié)果顯示,磨盤(pán)材質(zhì)整體較好,符合鐵素體球墨鑄鐵的要求。
圖4 本體金相組織
為了詳細(xì)驗(yàn)證本體鑄態(tài)的硬度偏差,隨機(jī)抽取一件檢查。從圓周等分8組,內(nèi)圓到外圓等分6個(gè)點(diǎn)分別檢驗(yàn)每個(gè)點(diǎn)的硬度值,硬度檢查結(jié)果見(jiàn)表3.
表3 本體硬度
從檢查結(jié)果看硬度最低值HB130,最大值HB142,整體硬度差均小于HB15,符合技術(shù)要求。
經(jīng)加工磨盤(pán)的表面未發(fā)現(xiàn)浮渣、氣孔等鑄造缺陷,鑄件整體質(zhì)量良好。經(jīng)超聲波檢測(cè)(UT)、磁粉檢測(cè)(MT)和硬度檢驗(yàn),鑄件滿足技術(shù)條件規(guī)定的質(zhì)量要求。
此次磨盤(pán)鑄件的成功生產(chǎn),對(duì)以后開(kāi)發(fā)其他類型的硬度偏差小,要求無(wú)鑄造缺陷鑄件奠定了基礎(chǔ),并且積累了豐富的經(jīng)驗(yàn)。只要設(shè)計(jì)鑄造工藝方案合理,選擇化學(xué)成分合適,嚴(yán)格控制熔煉澆注過(guò)程,并不斷采用新工藝、新方案、新材料就能生產(chǎn)出附加值高的產(chǎn)品。