大型球鐵件的鑄造工藝改進研究

摘要：大型球鐵件在許多行業有著廣泛的應用，這些部件大部分是鑄造而成，但在其鑄造過程中有許多問題存在。文章即對大型球鐵件鑄造工藝中存在的問題進行了分析，并針對這些問題提出了一些解決措施。

關鍵詞：大型球鐵件；鑄造工藝；澆注系統

中圖分類號：TG255 文獻標識碼：A 文章編號：1009-2374（2013）16-0011-02

隨著各種機械設備的功率和個體越來越大，其所使用的零部件重量和體積也越來越大，這造成了大量的金屬消耗。以前許多大型零部件是由優質鋼材鍛造而成，這不僅增加了加工的難度，而且還造成了優質鋼材的大量消耗。為了解決上述問題，現在許多的大型機械零部件都由球墨鑄鐵鑄造而成，這不僅節約了優質鋼材的消耗，而且也大大降低了生產成本。大型球鐵件是指重量為1～10噸的鑄件，重量超過10噸的鑄件被稱為重型鑄件。現在大型球鐵件的應用越來越廣泛，如水輪機葉片、風機葉片及重型機械的零部件等。在大型鑄鐵件的鑄造過程中，由于種種原因會使生產出的鑄鐵件出現各種缺陷，這在很大程度上都是由于鑄造工藝不完善造成的，因此必須對大型球鐵件的鑄造工藝進行改進，以盡可能提高大型球鐵件的鑄造質量。

1 大型球鐵件鑄造工藝的特點

大型球鐵鑄件的個體和重量比較大，生產成本較高，對其的鑄造質量要求也很高。要求大型鑄件成型后不僅有非常好的表面質量，而且要有較高的致密度；此外，大型鑄件還要經過嚴格的無損檢測，表面及內部絕對不允許有小的孔洞出現，并且不能進行補焊。大型鑄件鑄造工藝與小型鑄件鑄造工藝不同，小型鑄件的鑄造工藝可以進行多次的反復試驗，而大型鑄件的鑄造工藝要求一次成功，因此這給大型球體件鑄造工藝的設計者提出了更高的要求。隨著計算機技術的發展，現在的大型球鐵件鑄造工藝的設計都借助于CAD及CAE技術進行，即首先根據理論和經驗進行初步設計，然后利用計算機進行模擬，預測鑄造過程中縮孔、沖砂、夾渣等缺陷出現的位置，然后對初設工藝進行完善和修正，以得出優化后的工藝。這就是現代鑄造工藝的設計過程。隨著科學技術的不斷發展，目前已經可以利用很多方法對鑄造工藝進行改進，以盡量減少鑄造成型的球鐵件的缺陷。

2 大型球鐵件的鑄造工藝改進措施

大型球鐵件的鑄造工藝改進可以從很多方面進行，但主要應從澆注系統設計、冒口設計及冷鐵的應用等方面

考慮。

2.1 合理設置澆注系統

大型球鐵件澆注系統的設計應遵循的設計原則為流速小、流量大、平穩、分散均勻，能很好地對鐵液流量及澆注時間進行控制，從而使鐵液能夠均勻地流入型腔中，并能很好地進行擋渣、隔渣。大型鑄件的澆注系統通常由澆口杯、內澆道、直澆道和橫澆道等組成。為了使設計出的澆注系統滿足澆注時間段、澆注截面積合理的要求，需要利用奧贊（Osann）公式對內澆道的截面積進行計算，然后根據各截面積的比值確定直澆道和橫澆道的截面積。大型鑄件的澆注系統，內澆道、直澆道及橫澆道的截面積比值通常選為：ΣA1∶ΣA2∶ΣA3=1.5∶2∶1。這是以伯努利方程為基礎對換算后的水力學計算公式進行推導，再根據大孔出流理論進行各截面積推導的方法，解決了以前用的老公式計算出的澆注時間偏長、澆注截面積偏小的問題。如果在鑄造時采用的是無冒口鑄造，則盡量采用寬而薄的分散形式的內澆道，澆道的寬度應為厚度的五倍以上，以方便清理及擋渣。

2.2 冒口設計

球鐵在從高溫液體凝結到固態的過程中由于鐵水溫度降低會發生體積收縮的現象，但同時由于在凝結的過程中會有石墨球的析出而使鐵水體積發生膨脹，因此可以考慮利用球鐵自身的膨脹而對體積收縮現象進行抵消，大型球鐵件的冒口設計即是依據這個原理。但由于鑄造條件的不同，因此怎樣設計冒口以及是否需要設置冒口以獲得致密性好、無缺陷的球鐵件是亟待解決的一個問題。

如果鑄造工藝滿足以下條件則在鑄造的過程中可以不設置冒口：（1）使用的鑄型剛度較高，如采用了樹脂自硬砂型等；（2）澆注時的溫度較低（1300℃～1350℃）；（3）在鑄件頂部有多個排氣孔；（4）鑄件的平均模數較大，通常要在2.5cm以上；（5）對所用鐵液的質量要求較高，CE值要大于4.2%；（6）內澆道是采用的多道薄片型快澆式。無冒口澆注的工藝已經使用了幾十年，在實踐中也得到了很好的檢驗，但其適用的條件較苛刻，特別是在進行重型球鐵件澆注時尤其要慎重。

當球鐵件的鑄造工藝條件不能滿足上文所述的條件時，為保證球鐵件鑄造的質量必須設置一定量的安全冒口，以彌補鑄造工藝缺陷及對鑄造偏差進行糾正。在使用剛度較高的鑄型進行鑄造時，為了方便造型和脫模，安全冒口的形式常設計成隨形或矩形壓邊明冒口，冒口的位置位于鑄件的頂部，以便于實現補縮、排氣及清除作用。壓邊冒口的冒口頸長度為零，壓邊縫隙雖然較窄，但此處的型砂不容易散熱，因此在鐵水澆注完畢以后該處仍能自上而下對球鐵件的液體體積收縮進行補充，從而有利于防止縮孔現象的發生。在澆注過程中壓邊縫隙的大小要選擇合適，如果壓邊縫隙過小則會導致鑄件未完全凝固時縫隙已經被封閉，無法起到液態補償的作用；如果縫隙過大則會導致鑄件發生石墨化時縫隙還未封閉，發生“倒補縮”現象，易發生縮孔現象，因此必須選擇合適的縫隙大小。壓邊安全冒口的總質量不應超過鑄件總質量的2%，其長寬高之比通常選為a∶b∶h=1∶（0.5～0.7）∶（1.5～2.5）。如果鑄件的外形不太規則，則可以楔縫型或鴨嘴形冒口，其縫隙的寬度應比壓邊大2～4cm。

2.3 冷鐵的應用

由于大型鑄件的厚實部位在鑄造時的凝結速度比較慢（這些厚實部位主要包括熱節和一些比較重要的加工面），因此在這些部位容易出現縮孔和縮松缺陷等，為了有效地防止這些缺陷的產生，需要在厚實部位設置冷鐵。冷鐵的厚度選擇對激冷作用的影響很大，如果厚度過大則激冷效果不好，太薄則不容易掛住砂。在選擇外冷鐵的厚度時，通常取為壁厚值的0.4～0.6倍。而在對致密度要求高的鑄孔進行加工時，則最好使用冷鐵芯進行冷卻。

3 結語

大型球鐵件的鑄造是一個復雜的工藝過程，影響其工藝的因素很多，需要在實踐中進行不斷的探索和改進，只有這樣才能不斷提高大型球鐵件的鑄造質量。

參考文獻

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