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厚大球铁铸件的工艺要点探讨2011.1.20

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厚大球铁铸件的工艺要点探讨
杭家友
(普什铸造有限公司,四川 宜宾 644000)

摘要:在生产实践过程中,设计合理的浇注系统,可以有效的解决夹渣问题,还有利于铸
件补缩;用小冒口铸造工艺,其生产成本低于一般的冒口工艺,工艺出品率大大提高,而工 艺稳定性则高于无冒口铸造工艺;冷铁需要慎用,尤其是高牌号球铁铸件,利用冷铁改变铸 件冷却速度则有利于解决石墨漂浮和碎块状石墨缺陷。

关键词:浇注系统;小冒口;收缩时间;冷铁印迹;石墨漂浮
Discussion about Engineering Key Points of Thick-wall Ductile Iron Castings HANG Jia-you (Push Foundry Co.,Ltd.,Yibin, 644000,China)

Abstract:To design a reasonable pouring system in manufacturing process can help to solve slag inclusion and benefits feeding system; costs of engineering design with small risers is cheaper than normal ones and get better stability than non-riser engineering. Be careful when adopting chills, especially for ductile castings of

high-tensile strength. Using chills to change the cooling rate can help to solve graphite floatation and cloddy pulverescent graphite defects. Keywords: Pouring system; small risers; shrinkage time; mark of chills; graphite floatation

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风电产品的要求
风电机组运行环境恶劣, 所以风电产品有很高的质量要求, 包括铸件内在质量和外观质

量。有的铸件要求进行低温冲击(-20℃或者-40℃) ,有的要求高抗拉强度(QT700-2A) 。但 是,几乎所有铸件都要求 UT 检测,甚至要求 MT 检测,RT 检测,PT 检测等。 风电产品多为球铁铸件, 重量大 (转子毛坯重量达到 30T) 尺寸大 , (转子直径Φ4500mm, 机架高度 3600mm) ,铸件壁厚尺寸大(最小壁厚大于 40mm,最大壁厚超过 220mm) 。这种厚 大球墨铸铁件,容易产生夹渣、缩松、石墨漂浮等缺陷。从铸造工艺来说,设计合理的挡渣 式浇注系统, 辅以小冒口进行补缩, 再使用必要的冷铁, 则能够很好的解决这几种铸造缺陷。

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浇注系统设计
浇注系统是铸造工艺中的非常重要的部分。合适的浇注系统,不但能够有效的挡渣,而

且能够促进补缩,减少缩松风险。 从不同的角度来看,浇注方式有底注式、中注式;快浇、慢浇;开放式、封闭式等等。 2.1 按照铁水进流位置划分 常用的浇注方式有:顶注式,底注式,中注式,阶梯式。 采用底注,铁水充型较为*稳,不易产生紊流,但是,这会导致整个温度场发生变化, 尤其是当铸件底部温度远远高于顶部温度时,则要想办法提高冒口内铁水的温度,否则,铸 件容易因为补缩不足而产生缩松(缩孔)缺陷。而且,在铸件底部(即温度最高部位)也要 采取相应措施,否则有出现缩松、石墨漂浮、碎块状石墨等缺陷的风险。 在铸件不是太高的情况下, 采用中注式浇注系统也是很常用的。 一般的工艺设计都是把 铸件最重要的部位放于下箱(即浇注位置底部) ,采用中注式浇注系统,虽然会产生一些渣, 但渣上浮,铸件最重要部位(底部)仍然是干净的;而且,采用中注,在浇注过程中,后浇 注的铁水会对铸件底部进行有效的补缩,大大降低铸件重要部位出现缩松缺陷的风险。 铸件高度不高时, 采用顶注式浇注系统是一种很好的选择。 浇注过程中产生渣的程度不 严重,而补缩系统却能够得到充分利用,大大降低铸件缩松的风险;提高了补缩效率,也就 能够相应地减少冒口数量,可以节省生产成本。 工艺设计不一定非要拘泥于某一种浇注方式, 同一个铸件, 采用不同的浇注方式也是可 行的,只是在针对不同的浇注方式时,要有相应的辅助措施。 2.2 按照浇注系统各单元截面积比值划分 通常分为:开放式,封闭式,以及半开放半封闭式。 开放式, F 内浇道>F 横浇道>F 直浇道,即直浇道截面积最小,常用的截面积比值是: F 直浇道:F 横浇道:F 内浇道=1:2:2.2~2.5;封闭式,则与开放式相反,内浇道截面积 最小;半开放半封闭式,横浇道截面积最大,内浇道截面积最小,这是最常使用的一种浇注 系统,一般推荐的截面积比值是:F 直浇道:F 横浇道:F 内浇道=1:2:0.7~0.8。 在生产中,还用到另外一种浇注系统,简而言之,就是采用封闭式与开放式相结合,形 状如封闭式,截面积比值为开放式,与前面的半开放半封闭不同。这种浇注系统经过实践验 证,取得了很好的效果,在箱体、行星架、轮毂等产品上都有应用。举个例子说明:某一箱 体,在铸件顶面要进行 UT 探伤,开始生产的 3 件都出现大面积底波下降,甚至底波消失, UT 探伤超标。经过解剖铸件发现该部位出现厚达 20mm 的渣层。后来就采用这种浇注系统, 效果立竿见影,在此后生产的该箱体全部 UT 探伤合格,渣层也消失殆尽。 2.3 按照浇注时间、浇注温度划分

浇注方式又分为:高温快浇,高温慢浇,低温快浇,低温慢浇。 快浇方式,铁水充型快,得到的铸件形状轮廓好,但是补缩不足,容易缩松,而且铁水 流速快,进而产生其他缺陷,比如夹渣、夹砂等;慢浇方式,有利于补缩,但是铁水降温快, 渣在相对低温的铁水里更难以清除干净,夹渣会比较严重。高温浇注,缩松倾向加剧;低温 浇注,夹渣缺陷明显。 具体采用哪种浇注方式,还得结合生产实际情况而定。比如说,工厂生产的某一铸件, 铸件浇注重量 13000Kg, 最小壁厚 45mm, 最大壁厚 180mm, 铸件高度 2500mm, 采用慢浇方式, 浇注时间 300s—330s。 而另一铸件,浇注重量 6000Kg,最小壁厚 50mm,最大壁厚 225mm, 铸件高度 1100mm,采用快浇方式,浇注时间 80s—90s。

3
3.1

冒口工艺设计
冒口类型 常用的冒口类型有:保温(发热)冒口,鸭嘴冒口,油瓶冒口,出气冒口(出气棒、出

气板) ,压边冒口,耳冒口等。 3.2 冒口工艺的设计原理 冒口工艺的设计, 一种是遵循顺序凝固原则, 也就是说铸件最先凝固, 冒口颈随后凝固, 冒口体最后凝固, 这是典型的铸钢件冒口设计思路, 灰铸铁件冒口也多采用这种原则。 但是, 冒口很大,工艺出品率很低,既增加了劳动强度,也增加了生产成本。 另一种是小冒口铸造工艺, 设计原理是充分利用球墨铸铁在凝固过程中的二次膨胀, 用 膨胀来抵消收缩,这样就可以用较小的冒口进行部分补缩,主要是液态补缩,冒口变小,工 艺出品率提高,大大节省了生产成本。 国内有些铸造厂在进行风电产品无冒口铸造, 很多铸造资料也介绍了无冒口铸造的工艺 条件:
[1]

①铁液有较高冶金质量,高的碳当量,有较强石墨化倾向;②浇注温度范围
1/2

1300~1350℃; ③铸件凝固模数 Mc≥2.5cm, 质量周界商 Qm≥20Kg/cm?; ④快浇, ζ≤G

+G

2/3



⑤使用刚硬铸型,干砂型和高压造型的湿砂型都属于刚硬铸型;⑥安放出气冒口。 在此, 推荐使用小冒口铸造, 生产成本不高, 但是保险系数却大大高于完全无冒口铸造。 小冒口铸造,关键在于冒口颈的设计,在液态补缩时,要求冒口颈是畅通的;当型腔内铁水 在净膨胀时,又要求冒口颈是凝固的。 那铸件铁水什么时候净膨胀呢? 下面的图表是笔者查阅相关铸造资料, 再经过分析汇总而编制的——铸件模数收缩时间

关系图,也就是净收缩与净膨胀的临界值图表。 横坐标表示铸件模数,纵坐标表示铸件收缩时间,也就是净膨胀时间。 从图表查出铸件收缩时间,反推得出冒口颈凝固时间,进而得到冒口颈模数。 按照此思路,对多种产品进行冒口设计,冒口小而少,工艺出品率高。以轮毂为例,铸 件毛坯重量 11000Kg,浇注重量 12500Kg,出品率达到 88%,如果除去溢流时所用的铁水重 量,工艺出品率将超过 90%。 图1 球铁铸件模数与收缩时间关系图

3.3

冒口的补缩距离 冒口的液态补缩距离无限长。 铸件任何地方的收缩, 冒口内的铁水都能进行补缩, 当然,

前提是此时补缩通道是畅通的, 而且冒口没有形成负压, 冒口内还必须有足够量的液态铁水。 其他铸造书籍上也提到——“如果提高砂型刚度,充分利用共晶膨胀压力以克服缩松, 对一般铸件可不考虑冒口补缩距离。 ”
[2]

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冷铁工艺设计
冷铁本身没有补缩功能,通过布置冷铁并不能把铸件缩松、缩孔的总体积变小,只能改

变铸件局部冷却速度,进而改变铸件缩松、缩孔位置。 对于高牌号球墨铸铁,比如 QT700-2A,强烈建议不用或者少用冷铁。如果在熔炼时没 有加入某些合金元素,而且正火处理又不到位时,在高牌号球铁铸件上布置冷铁,会大大增 加出现“冷铁印迹”的风险。如下图所示,在布置冷铁部位会出现与冷铁大小一致的印迹。

图2

冷铁印迹

图3

非冷铁部位

图4

冷铁部位

对冷铁印迹部位进行实体解剖并取样分析(正火前) ,冷铁印迹部位珠光体含量约 5%,

硬度*均值 135HB,球化等级 2 级,石墨大小 6 级;非冷铁部位的珠光体含量约 55%,硬度* 均值达到 188HB,球化等级 3 级,石墨大小 5 级。如右上图所示。 在生产实践中,经过工艺的改进,可以少用甚至不用冷铁。 下图是工艺改进前后的照片,工艺改进前,使用大量冷铁,不但劳动强度高,而且铸件 外观质量不好;工艺改进后,基本取消了所有冷铁,操作简单,铸件外观质量大为提高。 图5 工艺改进前 图6 工艺改进后

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石墨漂浮
对于厚大的球墨铸铁件,还容易出现石墨漂浮,或者出现碎块状石墨,尤其是在铸件热

节部位。下面的两个表格分别说明了石墨漂浮与碳当量、浇注温度之间的关系。 表1 铸件类别 小件 中件 大件 表2 CEL 浇注温度 1315 1340 1370 1400 1425 1455 20 4.56 4.53 4.50 4.47 4.45 4.42 30 4.52 4.49 4.46 4.43 4.40 4.37 铸件出现石墨漂浮的临界碳当量 壁厚(mm) ≤30 30~100 >100 铸件出现石墨漂浮与浇注温度的关系 壁厚(mm) 50 4.44 4.41 4.38 4.35 4.32 4.29 80 4.31 4.27 4.24 4.21 4.19 4.15
[3]

出现石墨漂浮的临界碳当量(%) 4.7~4.9 4.5~4.6 4.4~4.5
[4]

注:CEL=C+Si/4+P/2 从铸造工艺来说, 这个时候必须加快铸件厚大部位的凝固速度, 放置冷铁则是一种方便

而有效的办法。改变浇注温度,尤其是消除铸件热节部位的过热影响,也是一种办法。下图 是某一产品热节部位出现的碎块状石墨, 该处壁厚 180mm 以上, 而且处在浇注系统过热部位。 后来经过增加冷铁,减小加工余量等工艺方法,彻底解决了碎块状石墨问题。 图7 碎块状石墨

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总结
从铸造工艺角度来说,厚大球铁铸件最常见的铸造缺陷是夹渣、缩松(缩孔) ,以

(1)

及石墨漂浮,而这些缺陷经过铸造工艺的改进是可以得到大大改观的。 (2) 对于重、高、厚的球铁铸件,推荐使用阶梯式浇注系统;可以采用高温慢浇,也可

以使用高温快浇,然后进行充分补浇。 (3) 推荐采用小冒口铸造工艺,关键是要设计合理的冒口颈尺寸;让冒口内铁水保持较

高温度也是很必要的。 (4) 在高牌号球铁铸件上尽可能不使用冷铁,如果非要使用冷铁,则在熔炼过程中很有

必要加入合金元素,在正火过程中,还要保证铸件得到均匀而较快速的冷却。当然,如果铸 件局部太厚,放置冷铁则可以有效解决石墨漂浮问题。 (5) 熔炼浇注永远是很重要的。

[1] [2] [3] [4]

魏兵,袁森,张卫华等.铸件均衡凝固技术及其应用.北京:机械工业出版社,1998.6 李弘英,赵成志.铸造工艺设计. 北京:机械工业出版社,2005.2 李长龙,赵忠魁,王吉岱.铸铁. 北京:化学工业出版社,2006.8 吴德海.球墨铸铁.北京:中国水利水电出版社,2006




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