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(duì)礦山機(jī)械類球墨鑄鐵厚壁大件的研究，就厚壁大件采用無(wú)冒口鑄造和大冒口補(bǔ)縮鑄造兩種工藝方案進(jìn)行試驗(yàn)對(duì)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(shí)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(yàn)。

礦山機(jī)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(shí)間長(zhǎng)，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(shè)計(jì)思路上，有人認(rèn)為應(yīng)該遵循順序凝固的原則，有人認(rèn)為球墨鑄鐵件在滿足一定條件下，只需要采用小冒口或無(wú)冒口也能生產(chǎn)出結(jié)構(gòu)完整的鑄件。對(duì)于厚壁大件球墨鑄鐵件如何解決以上問題，是一個(gè)需要克服的難題[1]。

我公司給一國(guó)際知名企業(yè)供應(yīng)礦山機(jī)械球墨鑄鐵件產(chǎn)品。該產(chǎn)品在礦機(jī)機(jī)組中主要用于礦石的破碎作業(yè)，以及作為傳動(dòng)軸的連接部位承受高載荷、高力矩[2]，因此對(duì)鑄件的組織性能要求極高，鑄件內(nèi)部在UT檢驗(yàn)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(dá)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(yàn)?zāi)康?/h2>

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(wú)冒口鑄造（液態(tài)冒口補(bǔ)縮）；

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

圖1 項(xiàng)目產(chǎn)品結(jié)構(gòu)示意圖

2 試驗(yàn)方案

2.1 生產(chǎn)方法

呋喃樹脂砂造型，樹脂加入質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1.2%，固化劑45%，型砂抗拉強(qiáng)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(shí)體模樣。方案1：少冷鐵、無(wú)冒口鑄造（液態(tài)冒口補(bǔ)縮）；方案2：冷鐵分區(qū)、大冒口補(bǔ)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(yàn)，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(shí)間50s ±5 s.如圖2所示為設(shè)計(jì)的項(xiàng)目產(chǎn)品的澆注系統(tǒng)。

凝汽器真空嚴(yán)密性差會(huì)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(jī)組的停運(yùn)狀態(tài)或運(yùn)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(duì)鑄造過程進(jìn)行充型、凝固的仿真分析，在鑄造生產(chǎn)前準(zhǔn)備評(píng)估過程中可能存在問題[3]，提前解決，提升質(zhì)量，其中MAGMA對(duì)薄壁、厚壁鑄鐵的模擬設(shè)置是一致的，如確信鑄型強(qiáng)度非常好，可以將鑄型強(qiáng)度設(shè)置選項(xiàng)內(nèi)選擇“die”.如圖3所示為項(xiàng)目產(chǎn)品充型、凝固模擬效果圖。圖3a）圖為使用液態(tài)補(bǔ)縮冒口+少冷鐵，鑄件3個(gè)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(bǔ)縮，縮松主要集中在2個(gè)區(qū)域，縮松較分散，在壁厚中間區(qū)域，無(wú)加工外漏風(fēng)險(xiǎn)。

圖3 項(xiàng)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(jìn)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(tái)板內(nèi)澆道過道芯及橫澆道、集渣齒均在臺(tái)板上做出定位；制作時(shí)按1%縮尺制作，同時(shí)按三維圖標(biāo)識(shí)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(dāng)量（4.5%±0.05），使用高純生鐵；兩級(jí)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(zhǎng)時(shí)間過熱，潔凈鐵水，優(yōu)質(zhì)的球化和孕育，Mg質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.03%～0.05%），保證厚壁大型鑄件無(wú)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(shí)利于鑄件的自補(bǔ)縮。

圖4 項(xiàng)目產(chǎn)品冷鐵布置及模具制作

3 實(shí)際生產(chǎn)結(jié)果

實(shí)體試塊按一箱內(nèi)生產(chǎn)2個(gè)1/8鑄件結(jié)構(gòu)的方式進(jìn)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(shí)間52 s，澆注重量5.5 t，打箱時(shí)間至少96 h后。如圖5所示為項(xiàng)目產(chǎn)品實(shí)體檢測(cè)情況。

圖5 項(xiàng)目產(chǎn)品實(shí)體檢測(cè)情況

3.2 鑄件檢驗(yàn)結(jié)果

UT檢驗(yàn)：超聲波探傷儀Krautkramer USD10，探頭Krautkramer B1S E系列，檢測(cè)員等級(jí)必須是SNT-TC-1A 1級(jí)。檢測(cè)工藝首先使用20 db底波損失標(biāo)準(zhǔn)。另外，根據(jù)VDG-P-540球鐵鑄件超聲波檢測(cè)DGS方法（距離、增益和尺寸）只用來測(cè)量缺陷尺寸。首先，從鑄件一側(cè)開始掃查，對(duì)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(jìn)行記錄：經(jīng)檢測(cè)，兩種方案均未發(fā)現(xiàn)縮松，但UT檢測(cè)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(shí)體結(jié)果

冒口下方實(shí)體×100倍的典型金相照片如圖7所示，a）為無(wú)冒口方案，b）為有冒口方案；由圖7可以，無(wú)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(cè)聲速結(jié)果

圖7 冒口下方實(shí)體×1000倍金相照片

3.4 冒口解剖

對(duì)大冒口進(jìn)行解剖，檢測(cè)冒口實(shí)體無(wú)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(yàn)，方案1和方案2均能夠獲得無(wú)縮松的鑄件。無(wú)冒口的方案1，優(yōu)點(diǎn)在于成本節(jié)約（無(wú)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(diǎn)在于實(shí)體密實(shí)（聲速高無(wú)縮松）、操作復(fù)雜、成本高。

綜合上述實(shí)驗(yàn)結(jié)論，我公司選用無(wú)冒口鑄造生產(chǎn)此類大型厚壁鑄件，通過合理的設(shè)計(jì)工藝，優(yōu)化參數(shù)設(shè)計(jì)，做好厚大斷面球墨鑄鐵的無(wú)缺陷工藝的保障措施，解決鑄件聲速和密實(shí)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(zhǎng)時(shí)間過熱，潔凈鐵水，優(yōu)質(zhì)的球化和孕育，做標(biāo)準(zhǔn)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?jǐn)?shù)為0.03%～0.05%；

b）高質(zhì)量的鑄型的保障：鑄型充分緊實(shí)，控制砂型硬度及均勻性并測(cè)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(duì)較低溫度澆注1 280℃～1 290℃；

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

e）無(wú)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(yuǎn)，畢海香，劉繼波，等.厚大斷面球墨鑄鐵習(xí)無(wú)冒口鑄造［J］.鑄造設(shè)備與工藝，2015（2）：24-25.

［2］戎軍，蔣云峰，張香杰，等.機(jī)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(jìn)［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。