球墨鑄鐵件無(wú)冒口鑄造工藝研究

球墨鑄鐵件無(wú)冒口鑄造工藝研究

                　 　                                    李宏興   王立波

　 河南旭銳合金新材料制造有限公司　　河南　安陽(yáng)　455141

摘要：研究了生產(chǎn)實(shí)際中的不同模數(shù)和不同形狀的球墨鑄鐵件，不能滿足傳統(tǒng)理論無(wú)冒口鑄造條件的鑄件用無(wú)冒口工藝卻生產(chǎn)出了比有冒口工藝更優(yōu)質(zhì)的鑄件；滿足傳統(tǒng)理論無(wú)冒口鑄造條件的鑄件用無(wú)冒口工藝卻生產(chǎn)不出來(lái)質(zhì)量合格的鑄件，反而必須設(shè)置冒口補(bǔ)縮。球墨鑄鐵件的澆冒口設(shè)計(jì)必須一件一藝，是否能用無(wú)冒口鑄造工藝，應(yīng)看該鑄件的石墨化膨脹能否被有效利用于補(bǔ)縮，人為創(chuàng)造條件有可能達(dá)到這個(gè)目的。

關(guān)鍵詞：無(wú)冒口；球墨鑄鐵；鑄件；工藝；收縮

球墨鑄鐵鐵液澆入型腔后，凝固特性比較復(fù)雜，主要特征是：① 凝固溫度范圍寬，以糊狀凝固方式凝固，凝固與結(jié)晶不是從表面開(kāi)始，而是在整個(gè)截面上幾乎同時(shí)形核與生長(zhǎng)，形成液、固相同時(shí)存在的糊狀混合物，很難使鑄件實(shí)現(xiàn)順序凝固。② 共晶轉(zhuǎn)變過(guò)程中石墨的析出導(dǎo)致體積膨脹。③ 內(nèi)部液體未凝固前，表面不結(jié)殼，其形成堅(jiān)硬外殼的時(shí)間遠(yuǎn)大于灰鑄鐵件；凝固過(guò)程中，鑄件外部一直是一層軟殼，石墨化膨脹時(shí)，膨脹力直接傳至鑄型，使鑄型發(fā)生型壁運(yùn)動(dòng)，常使型壁外移導(dǎo)致鑄件產(chǎn)生縮松。④ 球墨鑄鐵較灰鑄鐵奧氏體含碳量高，共晶凝固時(shí)析出的石墨量較少，在碳當(dāng)量、冷卻速度相同的情況下，共晶凝固時(shí)的體積收縮會(huì)略大于灰鑄鐵。

由于高端裝備所用球墨鑄鐵件要求非常嚴(yán)格，所以，球墨鑄鐵件的鑄造工藝技術(shù)也很復(fù)雜。從理論上說(shuō)[1]，含碳量3.6%的球墨鑄鐵鐵水，1360℃澆注，一般情況下鐵液溫度每下降100℃，體積收縮1.5%，到共晶溫度1150℃，該鐵液的液態(tài)收縮約3.15%，凝固收縮約3.3%，合計(jì)總收縮6.45%。在共晶溫度附近，奧氏體的密度約為7.3g/cm3，石墨的密度約為2.15g/cm3。鑄件凝固過(guò)程中，石墨的析出會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)的體積膨脹，每析出1%的石墨會(huì)發(fā)生3.4%的體積膨脹量，只需要6.45÷3.4＝1.9%的石墨析出就會(huì)產(chǎn)生6.45%的體積膨脹量，足 夠彌補(bǔ)收縮量；實(shí)際析出的石墨量不止1.9%，總的膨脹大于收縮，只要石墨析出膨脹量能夠完全用于彌補(bǔ)收縮，則工藝設(shè)計(jì)就不需要補(bǔ)縮冒口。然而，實(shí)際情況并非如此簡(jiǎn)單。本文通過(guò)生產(chǎn)實(shí)例說(shuō)明，球墨鑄鐵件無(wú)冒口鑄造工藝并沒(méi)有固定的前提條件，不同的生產(chǎn)條件和鑄件，即使鑄件模數(shù)等滿足無(wú)冒口鑄造的條件，無(wú)冒口鑄造工藝也不一定能夠成功，反之，即使鑄件模數(shù)等不滿足無(wú)冒口鑄造的條件，可能無(wú)冒口鑄造卻是達(dá)到鑄件質(zhì)量要求的**工藝。不同鑄件和不同的生產(chǎn)條件，應(yīng)該量體裁衣，一件一藝。

1、船用活塞

從直徑?300mm～?800mm是一個(gè)系列產(chǎn)品，材質(zhì)QT500-7,所有的活塞形狀就是一個(gè)實(shí)心圓柱體，鑄件的模數(shù)都大于2.5，如下圖1所示的規(guī)格，鑄件的毛坯就是一個(gè)直徑?400mm高度3500mm的圓柱體，鑄件重量3190kg,圖示活塞模數(shù)Mc=9.46cm，全部用鑄鐵金屬型鑄造，低溫澆注，無(wú)論鑄件參數(shù)還是生產(chǎn)工藝條件都滿足資料[2][3]所述的球墨鑄鐵件無(wú)冒口鑄造工藝條件，這些條件是：① 鐵水冶金質(zhì)量好；② 鑄件平均模數(shù)Mc＞2.5cm；③ 高強(qiáng)度、高剛度的鑄型；④ 低溫快澆；⑤ 扁平內(nèi)澆道分散引入鐵液；⑥ 設(shè)置明出氣孔。開(kāi)始試生產(chǎn)時(shí)，認(rèn)為鑄件模數(shù)較大，Mc＞2.5cm，金屬型不僅是堅(jiān)硬無(wú)退讓性的鑄型，而且冷卻速度快，又是1350℃以下的低溫澆注，由于鑄件重要，原輔材料都是精選的，中頻電爐熔煉鐵水，鐵水球化處理前還進(jìn)行預(yù)處理，完全達(dá)到無(wú)冒口鑄造的條件，所以沒(méi)有設(shè)置冒口。結(jié)果鑄件上端內(nèi)部產(chǎn)生縮松。后來(lái)給鑄件上端設(shè)置大冒口，結(jié)果鑄件內(nèi)部沒(méi)有縮松缺陷。所以，這種產(chǎn)品的定型工藝都是上端設(shè)置大冒口。這個(gè)鑄件形狀較簡(jiǎn)單，高徑比很大，按照傳統(tǒng)的理論設(shè)計(jì)工藝不適宜。這樣的鑄件，不僅要用厚壁金屬型，提高鐵水冷卻速度，還要用大冒口強(qiáng)力補(bǔ)縮，同時(shí)，鑄件頂部完全是冒口，澆注時(shí)型腔內(nèi)的渣子和氣體可以充分排出到冒口之中，從而保證了這種高技術(shù)要求鑄件的質(zhì)量。這個(gè)鑄件的生產(chǎn)實(shí)踐說(shuō)明，厚壁大件即使?jié)M足傳統(tǒng)理論所述的無(wú)冒口鑄造條件，無(wú)冒口鑄造工藝也不一定適用。鑄件某一方向尺寸較大，鑄件在凝固過(guò)程中即是同時(shí)發(fā)生收縮和膨脹，膨脹的作用不一定能夠達(dá)到正在收縮而需要補(bǔ)縮的部位。石墨析出的膨脹力已經(jīng)釋放，后期凝固收縮時(shí)得不到其它部位的補(bǔ)縮，就需要靠冒口來(lái)提供補(bǔ)縮，否則，鑄件內(nèi)部就會(huì)產(chǎn)生收縮缺陷。

2、球墨鑄鐵平板

材質(zhì)牌號(hào)QT550-5，尺寸長(zhǎng)×寬×高=860mm×800mm×40mm,重量200kg，Mc=1.82cm, 不滿足資料[2]
[3]所述的球墨鑄鐵件無(wú)冒口鑄造的條件，需要設(shè)置冒口。該鑄件是一個(gè)非常重要的工程設(shè)備用備件，加工后需要進(jìn)行100%射線探傷，實(shí)際生產(chǎn)時(shí)采用多種冒口鑄造工藝，水平澆注、傾斜澆注和豎立澆注，都無(wú)法達(dá)到該鑄件的技術(shù)要求，射線探傷合格率＜10%。在即將放棄的時(shí)候，決定采用無(wú)冒口鑄造工藝再試一次,如下圖2。該工藝的要點(diǎn)是：鑄件兩個(gè)大平面外側(cè)全部用冷鐵，豎立造型和澆注，頂雨淋澆口，無(wú)冒口，中溫澆注。鑄件加工后超聲波檢測(cè)和涉射線檢測(cè)一次合格，力學(xué)性能也比以前的工藝好很多，實(shí)際生產(chǎn)中抗拉強(qiáng)度Rm＞600MPa，屈服強(qiáng)度Rp0.2＞380MPa,伸長(zhǎng)率A%＞5。這個(gè)鑄件的工藝原理是：雖然鑄件本身幾何條件不滿足無(wú)冒口鑄造的條件，但是全部用外冷鐵后就人為地創(chuàng)造了無(wú)冒口鑄造的條件，鑄型無(wú)退讓性，冷鐵厚度的激冷作用區(qū)可以達(dá)到鑄件的中心部位，鑄件表面和心部以及上下之間凝固時(shí)間略有差別但距離很近，相當(dāng)于資料[4]所述的鑄件結(jié)構(gòu)上既有厚壁部位又有薄壁部位，可以實(shí)現(xiàn)膨脹和收縮的疊加和互補(bǔ)，即實(shí)現(xiàn)有效的均衡凝固；鑄件頂部的雨淋澆口不僅可以起到液態(tài)補(bǔ)縮作用，同時(shí)在澆注過(guò)程中擊打型腔內(nèi)液面頂部，給渣子和氣體上浮創(chuàng)了造條件，保證了鑄件的質(zhì)量。這個(gè)鑄件的生產(chǎn)實(shí)踐說(shuō)明，鑄件的模數(shù)即使不滿足傳統(tǒng)理論所述的球墨鑄鐵件無(wú)冒口鑄造條件，設(shè)置冒口鑄造工藝也不一定是**選擇，相反，無(wú)冒口鑄造工藝卻能夠得到質(zhì)量**的鑄件產(chǎn)品。

3、軸承座

出口風(fēng)電鑄件，材質(zhì)QT400-18AL,毛坯重量113kg,如下圖3，鑄件模數(shù)Mc=3.3cm，大于2.5cm,1350℃以下的低溫澆注，中頻電爐熔煉鐵水，精選爐料，鐵水球化處理前還進(jìn)行預(yù)處理，呋喃樹(shù)脂砂造型，滿足資料[2]
[3]所述的球墨鑄鐵件無(wú)冒口鑄造的條件。在初期生產(chǎn)時(shí)鑄件熱節(jié)處設(shè)置外冷鐵，在鑄件頂部只設(shè)置 5mm×45mm的排氣片，生產(chǎn)時(shí)經(jīng)超聲波探傷（2
級(jí)）檢查內(nèi)部縮松廢品率平均22%。經(jīng)過(guò)工藝改進(jìn)后，增加了補(bǔ)縮冒口，鑄件超聲波探傷縮松廢品率＜2%，鑄件質(zhì)量穩(wěn)定。該鑄件本身的幾何條件和生產(chǎn)條件雖然滿足資料[1]
[2][3]所述的球墨鑄鐵件無(wú)冒口鑄造的條件，但是由于鑄件形狀簡(jiǎn)單，鑄件整個(gè)體積內(nèi)同時(shí)糊狀凝固和收縮，無(wú)法達(dá)到漲縮疊加，石墨析出膨脹力會(huì)從排氣冒口釋放掉而不能被有效的用于自補(bǔ)縮，在后期的收縮時(shí)如果沒(méi)有冒口提供補(bǔ)縮，鑄件就會(huì)產(chǎn)生縮松，所以該鑄件必須設(shè)置補(bǔ)縮冒口。

4、球墨鑄鐵輪轂

材質(zhì)牌號(hào)QT450-10,鑄件重量290kg，如下圖4所示，鑄件模數(shù)Mc=1.3cm，小于2.5cm，呋喃樹(shù)脂砂造型，不滿足資料[2]
[3]所述的球墨鑄鐵件無(wú)冒口鑄造的條件。生產(chǎn)時(shí)采用過(guò)多種工藝方案，澆注時(shí)大盤(pán)在下，放很多的外冷鐵，無(wú)論澆注位置鑄件頂部是否設(shè)置冒口，鑄件熱節(jié)部位解剖后總會(huì)存在輕微的縮松。如果澆注時(shí)鑄件大盤(pán)在上，無(wú)論頂注還是底注，無(wú)論怎樣設(shè)置外冷鐵，小冒口時(shí)鑄件熱節(jié)部位內(nèi)部總會(huì)有縮松，只有按順序凝固原理在大盤(pán)頂面設(shè)置4只很大的冒口，才能保證鑄件內(nèi)部不產(chǎn)生收縮缺陷，經(jīng)過(guò)某凝固模擬軟件模擬澆注凝固過(guò)程，4只頂部補(bǔ)縮冒口的直徑×高度必須大于?145×200mm，但工藝出品率僅有66%，去除冒口和機(jī)加工難度較大，生產(chǎn)沒(méi)有效益還虧本。后來(lái)改進(jìn)工藝，大盤(pán)在澆注位置的上部，鑄件中下部集中進(jìn)鐵水，與無(wú)冒口鑄造的條件之一“扁平內(nèi)澆道分散引入鐵液”相悖，不設(shè)置補(bǔ)縮冒口，僅在鑄件頂部設(shè)置
5mm×45mm
的排氣片（冷筋冒口）六只和少量的外冷鐵，工藝出品率90%，結(jié)果不僅鑄件超聲波探傷完全達(dá)到 1級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，解剖后檢查鑄件內(nèi)部沒(méi)有
任何微觀缺陷。該鑄件的生產(chǎn)實(shí)踐說(shuō)明，即使鑄件本身的幾何條件不滿足無(wú)冒口鑄造的條件，但是可以人為的創(chuàng)造條件，間斷性的設(shè)置外冷鐵，鐵水澆入型腔后冷鐵部位就會(huì)先凝固，這時(shí)由無(wú)冷鐵部位給于補(bǔ)縮，當(dāng)無(wú)冷鐵部位收縮時(shí)由冷鐵部位析出石墨的膨脹力提供補(bǔ)縮，相鄰部位實(shí)現(xiàn)漲縮互補(bǔ)，也即是均衡凝固[4]所述的收縮與膨脹相互疊加，所以，該鑄件不設(shè)置補(bǔ)縮冒口反比設(shè)置補(bǔ)縮冒口的質(zhì)量好，生產(chǎn)成本也低。

5、其它球鐵件無(wú)冒口鑄造的成功案例

資料[5]提到球墨鑄鐵曲軸無(wú)冒口鑄造成功的例子，曲軸鑄件模數(shù)1.75cm，小于2.5cm，作者在文中明確說(shuō)明，依靠大量的外冷鐵，約占鑄件重量的 60%，同時(shí)依靠澆注系統(tǒng)提供補(bǔ)縮。資料[6][7][8]介紹的大型厚壁球墨鑄鐵件無(wú)冒口鑄造的成功案例，其實(shí)采用了熱側(cè)冒口，依靠頂注式的澆注系統(tǒng)和小型熱側(cè)冒口提供補(bǔ)縮。資料[9]所述的大型厚壁球墨鑄鐵件，將大冒口改為了小冒口，增加了大量的外冷鐵，提高了鑄件質(zhì)量和合格率，但仍然需要小冒口提供補(bǔ)縮。

6、球鐵件無(wú)冒口鑄造的必要條件

球墨鑄鐵凝固時(shí)的石墨析出使體積膨脹，究竟是減小縮孔縮松還是加大了縮孔縮松，視其鑄型性質(zhì)而定。使用剛性差的鑄型導(dǎo)致縮孔縮松體積增加，使用剛性好的鑄型則可以起補(bǔ)縮作用，至于石墨膨脹可否完全消除縮孔縮松，應(yīng)該看液態(tài)收縮量和凝固收縮量?jī)身?xiàng)之和與石墨膨脹量誰(shuí)大誰(shuí)小，并且需要石墨膨脹量合理的利用于補(bǔ)縮。稀疏體鑄件、質(zhì)量周界商大的鑄件具有豐富的薄壁部分，能夠?qū)崿F(xiàn)收縮與膨脹的相互疊加，可以有效地利用石墨膨脹量彌補(bǔ)收縮。資料[4]論述球墨鑄鐵件無(wú)冒口鑄造的條件時(shí)，增加了一條“鑄件的質(zhì)量周界商≥20/cm3”。本文上述的四個(gè)例子中，1和3的鑄件質(zhì)量周界商≤20/cm3，所以必須安放補(bǔ)縮冒口，2和4的鑄件質(zhì)量周界商≥20/cm3，所以可以實(shí)現(xiàn)無(wú)冒口鑄造。

7、結(jié)論

1）球墨鑄鐵件能否實(shí)現(xiàn)無(wú)冒口鑄造，需要綜合分析多種因素，不能只滿足理論條件，
能否實(shí)現(xiàn)膨脹和收縮的疊加、析出石墨的膨脹力能否被有效的利用于彌補(bǔ)鑄件的收縮，這是能否實(shí)現(xiàn)無(wú)冒口鑄造的本質(zhì)條件。

2）即使球墨鑄鐵件本身的幾何條件不滿足無(wú)冒口鑄造的條件，但是可以人為的創(chuàng)造條件，如合理的外冷鐵和排氣片（冷筋冒口），相當(dāng)于鑄件結(jié)構(gòu)上有厚壁和薄壁的交叉存在，從而可以實(shí)現(xiàn)均衡凝固，達(dá)到無(wú)冒口鑄造。

3）即使球墨鑄鐵件本身的幾何條件滿足無(wú)冒口鑄造的條件，但是，鑄件結(jié)構(gòu)的特性，在澆注后不能實(shí)現(xiàn)膨脹和收縮的疊加，及析出石墨的膨脹作用不能夠有效彌補(bǔ)收縮，鑄件仍然需要設(shè)置補(bǔ)縮冒口，否則，就得不到內(nèi)部無(wú)缺陷的完全合格的鑄件。

4）有些球墨鑄鐵件無(wú)冒口鑄造的成功例子，其實(shí)就是澆注系統(tǒng)提供液態(tài)補(bǔ)縮[4]。

參考文獻(xiàn)（略）

（文章轉(zhuǎn)自《2019河南省鑄鍛工業(yè)年會(huì)論文集》P.96～101）

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