<原创>一类球铁件的工艺开发

摘要 依照以往经验，采取了类同的成熟件工艺方案，并对新接铸件工艺进行了凝固模拟。模拟结果显示，此种相似方案使铸件在直浇口正下方或出气兼补缩冒口正下方的铸件内，可能存在一定概率的缩松。然而考虑已获经验，以及利用球铁材质自身石墨化膨胀的特性，认为铸件产生缩松的概率不应很高。 但为防万一，还是提前准备了冷铁的备选方案，就是说一旦试验不成功，那么将启动第二套冷铁补缩方案，以确保内部组织的密实度。经过一轮大件A与小件C的先后试验发现，原先借鉴的类同方案根本无法在这几种铸件上实现完美的应用。经过对比与分析，先对最小号的铸件C进行了改进，结果获得完美成功，于是在其他两种铸件上开始复制经验，结果也是一锤定音。 同时在一种老产品铸件上也采取了相似的工艺改进，同样取得完美结果。由此得出，充分利用独立的热浇冒口，充分利用球铁件的厚大壁厚便于实现顺序凝固的特点以及充分利用石墨化膨胀的特点，以获得无缩松的健全铸件，是球铁铸造工艺设计的重要思想之一。 关键词：厚大铸件；独立热浇冒口；顺序凝固 前言 某公司造型的工艺特点是采用覆膜砂热芯盒壳模壳芯制壳并组型，用钢丸埋箱浇注。当接到三种相似结构的球铁件（图1见含预设浇冒口的铸件A）时，发现其结构、形状与公司在产的一个品种（见图2含预设浇冒口的成熟相似件）极为相似，故此为了少走弯路，便直接借鉴了现有工艺方案，同时进行凝固模拟。 图1 含预设浇冒口的铸件A 图2 含浇冒口的成熟件 模拟结果（见图3预设浇冒口铸件A的凝固模拟的结果与分析）显示，虽然提示了局部存在缩松，但是根据以往经验——比如相似件在模拟时也存在缩松而实际铸件并未发生——认为其应该也不会存在缩松，同时把冒口增大一些以提高冒口的补缩能力。于是首先对大号的铸件A进行了首轮试验。 试验的铸件经过剖切发现了微小的缩松（见图4铸件A剖切后存在轻微缩松的状态），而且越是热冒口缩松越严重，越是冷冒口越轻微，甚至完全没有。对铸件B（形状与铸件A完全一致，只是各尺寸的大小小一些，重量轻一些，初次设计的浇冒口参数完全一样，这里不再展示铸件B）试验的结果同铸件A。 图3 预设浇冒口铸件A的凝固模拟结果与分析 图4 铸件A剖切后存在轻微缩松的状态 紧接着对最小型号的铸件C进行了同样的试验，剖切结果也是较为相似，即凡是冷冒口以及无冒口的铸件部位内部均非常致密，而热冒口正下方的铸件内部反而存在缩松（见图5铸件C热冒口剖切后内部存在轻微缩松的状态）。 图5 铸件C热冒口剖切后内部存在轻微缩松的状态 而且这个仅在热冒口的下方，且缩松存在的体积范围很小，明显小于于A与B，而这样的缩松不足以对铸件的使用功能产生影响。为此，改变了思路，就是充分利用厚大铸件自补缩的能力，放弃所有冷冒口，采用独立热浇冒口进行试验。随后首先在铸件C上试验并取得成功（图6为改进后独立热浇冒口铸件C待浇砂型的状态）。同样的思路推行在铸件A、铸件B上试验并取得相同的效果（图7为改进后独立热浇冒口铸件A待浇砂型的状态）。最终使三种铸件顺利实现了开发与交付，且第二套备选预案没有得到实施。 图6 改进后独立热浇冒口铸件C待浇砂型的状态 图7 改进后独立热浇冒口铸件A待浇砂型的状态 一.首轮试验失败的原因分析 三种铸件尺寸以及首轮试验时浇冒口的基本信息见下表 从上面的各种信息不难看出，首次试验失败的主要原因应归结为热冒口颈小以及热冒口的容积小，所以热冒口的下方存在缩松。而冷冒口为何有时也存在缩松呢？因为冷冒口也存在与热冒口类似的特点，使铁液较多的通过了此处，因而对砂壳过度加热，导致此处铁液散热慢、最后凝固且又无法得到有效铁液的补充。又由于冷冒口颈与热冒口颈一样，同样不能及时封闭冒口颈，不能有效利用石墨的膨胀实现自补缩。这个冷冒口与冒口颈，虽然起到了较好的排气与集渣作用，却因为尺寸不合理，严重干扰了温度分布场的凝固秩序，因而发生了缩松。 那么参考的成熟件为何没有发生类似的问题？通过仔细查看并对比图纸发现，其结构貌似相似，实际上仍然存在一定的差异，比如相邻壁厚的壁厚差存在差异、冒口与铸件接触处至远端的补缩通道有一定差异，特别是铸件A、B安放冒口的位置与铸件C以及成熟件存在明显差异，而铸件C与成熟件却是高度一致。因此铸件B与铸件A的结果情况类似，铸件C则明显好于A与B。铸件C仍然存在一定的缩松，大概就是材质上的差异与压箱铁适宜起到了主要作用。 除了上述不同之外，加上盲目地复制工艺，以及过度相信经验而否定凝固模拟结果提示存在的风险概率，还有铸件材质上的微小差异，现场压箱铁重量不足致发生的鼓胀等等，这些因素的综合作用，必然引起所述缺陷的发生，假设试验时没有发生缩松，那将是一种偶然，这反而对后续的批量生产带来更大的风险。 铸件在冒口颈附近产生缩松的原因无外乎是： ①.金属液的碳当量低； ②.冒口温度低、凝固早、补缩作用差； ③.冒口设置位置或大小不合理，铁水凝固过程中体积收缩且得不到补偿而出现体积亏损，体积亏损集中在一处形成缩孔，在局部分散分布形成缩松； ④冒口颈形状或截面积不合理，补缩通道堵塞，使冒口未能起到补缩作用。 可见本次铸件在冒口颈附近发生缩松，也是符合上述要点的。 二.防止铸件在冒口处产生缩松的基本措施与结果 根据解决冒口颈缩松的基本对策，包括： ①.改变冒口位置或形状，改变凝固顺序使原本不能得到补偿的收缩部位可以得到补偿，消除缩孔或缩松。 ②在适当位置放置冷铁。 ③改变内浇口位置，以获得合理的温度场和凝固顺序。 ④增加冒口体积。 ⑤加大（或减小）冒口颈。 ⑥利用浇冒口一体方式，提高冒口温度。 同时结合上述分析，决定立即对状况良好的C进行了再次试验，就是采用独立的浇冒口见图6，热冒口颈以及热冒口参数不变，取消出气冒口，将原先的压箱铁由3块增加至5块（每块重30Kg），继续使砂型保持足够的刚度，同时提高0.1%个原铁液的碳，原铁液的硅继续保持低值（保低冲值）。试验的结果是，铸件没有因为采用独立浇冒口而产生气孔，铸件内部也没有了原先存在的微小缩松；剖切无冒口处的本体组织同样是致密的，因此方案完全有效的。 在此基础上，对铸件A、B采用相似方案，即把热冒口与冒口颈分别增大，因增大了这些参数而改换铁液进入位置，取消原冷冒口，把压箱铁由原来的3块增加至7块。其他措施同C，结果A、B原先存在的问题同样全部消失，缩松得到了解决。后续的量产也完全证实了上述的所有分析，以及采取的措施有效。具体改后部分参数见下表： 三.类似经验的推广应用 根据上述取得的经验，举一反三，很快对另外一个铸件（净重156Kg），采取了改进，下见图8、9为该铸件原工艺、采用独立热浇冒口、出气孔的砂型与带浇冒口的铸件状态的对比。试验结果是取得了很好的效果和很好的经济效益，该件工艺出品率比原工艺提升了12%，加工后缩松废品率由20%降为0。 由此可见，充分利用独立的热浇冒口，充分利用球铁件的厚大壁厚便于实现顺序凝固的特点以及充分利用石墨化膨胀的特点，以获得无缩松的健全铸件，是球铁铸造工艺设计的重要思想之一。 图8 铸件原工艺的砂型与待浇冒口的铸件状态 图9 铸件采用独立热浇冒口、出气孔的砂型与带浇冒口的铸件状态