厚大斷面球鐵的離心鑄造

2018-03-20 08:53:49邵桂群

中國鑄造裝備與技術 2018年1期

邵桂群，洪燕

今年初，公司接德國曼公司訂單，要求生產尺寸如圖1所示的球鐵火焰圈。其成品鑄件斷面大于75mm，加上加工余量、補縮余量，毛坯斷面大于100mm。鑄件材質為以鐵素體為基體的球鐵，技術條件是：石墨：Ⅵ+Ⅴ≥85%、延伸率＞18% 、珠光體≤1%、滲碳體≤1%；硬度：130～160HB、抗拉強度＞400MPa，屈服強度＞250MPa。鑄件不允許經高溫石墨化退火（高溫石墨化退火會改變石墨球的圓整性）。

圖1 火焰圈簡圖

1 鑄件分析

之前，我們生產過其他型號的球鐵火焰圈，但其毛坯斷面不到80mm，要求也不同，主要區別是延伸率要求大于12%，鐵素體含量大于80%。

球墨鑄鐵是糊狀凝固，其由液態轉變為固態的溫度不能確定。隨著鑄件厚度增加，鑄件凝固時間增長，石墨形態畸變概率加大；離心鑄造生產時，在離心力的作用下，成分偏析嚴重，而且凝固過程中毛坯內孔一直與空氣接觸，球化劑氧化時間增加，石墨形態更難達到穩定。

通過以上分析知道，要生產出合格鑄件，我們在制定工藝時要有利于球狀石墨的形成以及鑄件的凝固。球化劑的加入量要考慮離心澆注凝固過程的氧化；冷卻工藝要注意，既要盡可能縮短凝固時間還不能在毛坯外圓形成激冷。

2 工藝制定

2.1 模具設計

離心鑄造的模具，如壁厚小熱容量變小，冷卻水變化對凝固過程變化敏感性增強、模溫難以穩定；如壁厚大模具熱容增大，模具溫度難以保證，冷卻水調節作用變小[1]。所以，我們按毛坯與模具壁厚比0.8～1.2來設計模具，最終模具壁厚按90mm設計。

2.2 冷卻水路排布

離心鑄造鑄件凝固時熱量的散失（含鑄件溫度的降低及結晶潛熱的散發）主要是靠模具外圓冷卻水帶走，為縮短凝固時間，冷卻水要量大壓高。所以，在排布冷卻水管時，水管道數比一般鑄件多、再加0.5～0.6MPa的壓縮氣壓以增加冷卻水壓力。冷卻水排布如圖2所示。

2.3 原材料準備

圖2 冷卻水路

鐵液中如含有過高的磷、硫、鈦等有害元素，不利于石墨球化級別的提高[2]，破壞石墨球的圓整，所以熔煉材料應該采用高純低鈦生鐵+碳素鋼熔煉，配比：80%高純低鈦生鐵+20%碳素鋼+合金。

表1 工藝參數操作指導卡

2.4 成分控制

碳是促進石墨化元素，碳含量高有利于石墨的形成[3]，我們控制在3.75%～3.85%，硅也是石墨化元素，但硅過高會降低球鐵的韌性，降低延伸率。況且為了消除鑄態滲碳體，必須經過多次孕育，原鐵水硅只能控制在1%左右，終硅控制在2.5%～2.8%范圍內。

圖3 冷卻曲線

2.5 球化及孕育控制

通過試驗得知，鑄件的殘余鎂在0.04%～0.08%時球化級別最好。離心鑄造由于毛坯內孔氧化，如鑄件在800～1200s內凝固，那么球化后鐵液殘余Mg應控制在0.10%～0.14%，因此球化劑（球化劑為埃肯稀土-鎂）加入量為鐵水重量的1.2%。

為消除鑄態滲碳體，我們分為四次孕育。一次孕育為鐵水重量的1%與球化劑同時加入包內，型號寧阪硅鋇孕育劑、粒度3～7mm；二次孕育為鐵水重量的0.25%，球化時隨流加入，型號寧阪硅鋇孕育劑、粒度0.1～0.6mm；三次孕育為球化后鐵液表面浮鐵水重量的0.2%的75硅鐵；最后在澆注過程中繼續往澆口杯中加0.1%的隨流孕育劑，型號寧阪硅鋇孕育劑、粒度0.1～0.6mm。