蔣 輝，徐玉龍，邵長元，譚傳寶，吳玉成

（濰柴重機股份有限公司，山東 濰坊 261108）

1 石墨冷鐵應(yīng)用現(xiàn)狀與特性

石墨冷鐵因密度低、導(dǎo)熱系數(shù)及比熱容高、熔點高以及受熱膨脹小的特點，其應(yīng)用有操作方便，激冷效果好且不容易出現(xiàn)白口等優(yōu)勢，使得石墨冷鐵逐漸被廣泛應(yīng)用和推廣[1]。但石墨冷鐵的制作成本較鑄鐵冷鐵高，且因易破損，回用率低，其使用成本也高，這兩個方面是制約石墨冷鐵廣泛應(yīng)于的主要原因[2]。

由表1 可知，石墨雖然比熱容是鑄鐵的3～4倍，但密度僅是其1/4，即相同體積的石墨儲熱能力約是鑄鐵冷鐵的一半。綜合以上分析，石墨冷鐵與鑄鐵冷鐵各有特點，要根據(jù)具體使用條件選擇。

2 不同材質(zhì)內(nèi)冷鐵的特點

2.1 金屬內(nèi)冷鐵

優(yōu)點：金屬密度大，相同體積，儲熱能力強于石墨冷鐵，在復(fù)雜鑄件內(nèi)部、空間有限位置激冷效果更好；

缺點：內(nèi)冷鐵表面與鑄件本體熔合不可清理出來，一方面增加了后續(xù)加工工序，且金屬冷鐵與鑄件本體材料有差異，更難加工；另一方面加工金屬內(nèi)冷鐵時存在冷鐵隨刀具旋轉(zhuǎn)而導(dǎo)致打刀的風險，還存在冷鐵末端被刀具壓到復(fù)雜型腔內(nèi)部無法取出的風險。

2.2 石墨內(nèi)冷鐵

優(yōu)點：內(nèi)冷鐵可以清理出來，不增加后續(xù)加工工序，不存在不好加工和打刀等風險；

缺點：石墨密度小，相同體積，雖然比熱容大，但整體儲熱能力弱于金屬冷鐵，在復(fù)雜鑄件內(nèi)部、空間有限位置激冷效果較弱。

2.3 石墨復(fù)合內(nèi)冷鐵

一部分使用石墨材料加工而成，該部分與金屬液直接接觸，另一部分使用金屬加工而成，兩個部分組合在一起使用，其優(yōu)缺點如下：

優(yōu)點：與金屬液接觸的石墨利用其優(yōu)良的導(dǎo)熱性能，將熱量傳遞給金屬部分，金屬部分不與鑄件直接接觸，利用其密度大、質(zhì)量重的特點儲熱，一方面鑄件清理時可以將石墨部分清理掉，內(nèi)冷鐵不隨鑄件轉(zhuǎn)移到加工工序，另一方面利用金屬儲熱能力強的特點，保證內(nèi)冷鐵整體激冷效果；

缺點：石墨復(fù)合冷鐵成本較高，清理時將金屬部分取出，可循環(huán)利用，可一定程度上減小使用成本。

3 石墨復(fù)合冷鐵應(yīng)用實例

以生產(chǎn)中速機機體鑄件為例，鑄件輪廓尺寸：1 700 mm×1 000 mm×780 mm，材質(zhì)：RuT400.毛坯重1 700 kg.鑄件集成有水腔、凸輪軸腔、油道等結(jié)構(gòu)，內(nèi)部筋板、凸臺交錯，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，存在結(jié)構(gòu)交叉引起的孤立熱節(jié)（如圖1 所示），導(dǎo)致挺桿孔處產(chǎn)生縮松缺陷（如圖2 所示），且無法使用冒口補縮，只能使用內(nèi)冷鐵消除。

圖1 機體熱節(jié)位置

圖2 挺桿孔加工后出現(xiàn)縮松

分別采用3 種冷鐵驗證生產(chǎn)效果。

3.1 金屬內(nèi)冷鐵

金屬內(nèi)冷鐵利用鋼材加工成型，如圖3a）所示，為防止后續(xù)加工打刀和掉落，設(shè)計防轉(zhuǎn)和防掉結(jié)構(gòu)，表面鍍銅，防止生銹產(chǎn)生氣孔。

驗證結(jié)果：解剖及后續(xù)小批量驗證均無縮松產(chǎn)生，未出現(xiàn)打刀現(xiàn)象，但是多出一道鉆孔工序，且挺桿孔被內(nèi)冷鐵堵住后，內(nèi)腔極難清理干凈。

3.2 石墨內(nèi)冷鐵

石墨內(nèi)冷鐵由石墨塊加工成型，如圖3b）所示。

驗證結(jié)果：后續(xù)小批量驗證未發(fā)現(xiàn)縮松，但解剖發(fā)現(xiàn)熱節(jié)處仍存在零星縮松。石墨可以清理打掉，無需加工去除，挺桿腔清理方便。

3.3 石墨復(fù)合冷鐵

石墨復(fù)合冷鐵由石墨塊及鋼棒加工并組合在一起使用，如圖3c）所示。

圖3 冷鐵示意圖

驗證結(jié)果：解剖及后續(xù)小批量驗證均無縮松產(chǎn)生，石墨可以清理打掉，無需加工去除，挺桿腔清理方便。

3.4 三種內(nèi)冷鐵成本對比分析

由表2 可知，鋼冷鐵材料費用較低，冷鐵上帶有防轉(zhuǎn)和防掉結(jié)構(gòu)且表面鍍銅，故成本以加工費和表面處理費用為主；石墨冷鐵其原料本身較貴且為石墨方結(jié)構(gòu)，加工時需先將石墨方鋸成小塊，再加工成需要的形狀，耗時較多，其成本主要是材料費和加工費；石墨復(fù)合冷鐵比石墨冷鐵多了金屬部分，但金屬部分材料費較低，沒有復(fù)雜形狀，加工費較低，沒有表面處理費用，故金屬部分費用較低，再考慮金屬部分可以反復(fù)使用，石墨復(fù)合冷鐵成本與石墨冷鐵相比相差不大，具有一定的應(yīng)用前景，但與鍍銅鋼冷鐵相比成本仍相差近一半。由此可見，石墨復(fù)合冷鐵的使用成本仍是限制其推廣應(yīng)用的重要因素。

表2 三種內(nèi)冷鐵成本組成

4 結(jié)論

通過設(shè)計并驗證石墨復(fù)合冷鐵，可解決縮松問題，但使用成本仍是限制其推廣應(yīng)用的重要因素，與傳統(tǒng)冷鐵相比具有以下優(yōu)勢：

1）充分利用石墨導(dǎo)熱性高及鋼儲熱能力強的特點，可以解決復(fù)雜內(nèi)部結(jié)構(gòu)的縮松問題；

2）利用石墨易碎特性，作為內(nèi)冷鐵可以清理掉，減少后續(xù)加工內(nèi)冷鐵工序，和以此帶來的打刀風險；

3）復(fù)合內(nèi)冷鐵的金屬部分，可以根據(jù)使用空間及儲熱需求進行靈活設(shè)計，給復(fù)雜結(jié)構(gòu)且空間有限的鑄件解決縮松問題帶來新的思路。