試驗機絲母鑄造工藝優化

李彥軍，劉智峰

天水星火機床有限責任公司 甘肅天水 741024

1 序言

目前，我公司生產的試驗機絲母易產生縮孔、縮松缺陷，廢品率高達60%以上，出品率較低，基于這種情況，需進行工藝改進。

絲母屬于中等壁厚鑄件，大部分壁厚45mm，局部壁厚65mm，材質為QT600-3，毛坯重25kg，輪廓尺寸為φ175mm×220mm。技術要求鑄件不得有縮松、縮孔、夾雜及氣孔等鑄造缺陷，絲母孔內不允許有任何缺陷。絲母鑄件結構如圖1所示。

圖1 絲母鑄件結構

絲母鑄件主要缺陷是縮松、縮孔等收縮缺陷，主要位置集中在孔內中間部位和上表面中間部位以下（見圖1）。鑄件收縮包括液態收縮、凝固收縮和固態收縮三階段。液態收縮影響縮孔大小，凝固收縮影響縮松傾向，固態收縮影響最終的外形輪廓尺寸。在制作模樣過程中取1%～1.3%的縮尺可解決固態收縮問題，那么就從液態收縮和凝固收縮兩方面分析和解決收縮缺陷。

由于絲母鑄件材質為球墨鑄鐵，因此其凝固特點呈“糊狀”凝固，即包圍石墨的奧氏體臨近接觸時，鐵液被分割成為不連續的熔池，此時鐵液已不能流動，失去補縮通道，呈現出糊狀。在凝固過程中，到達共晶溫度時，大多數液體開始同時凝固，析出石墨引起體積膨脹，壓力增加。

綜上所述，這里從液態收縮和凝固收縮兩方面及相關影響因素入手，并結合球墨鑄鐵凝固特性來分析和改進原有工藝。

2 原工藝存在問題分析

2.1 造型型腔排布工藝分析

原鑄造工藝（見圖2）從一端分型，鑄件全部在下箱，一箱8件，左右兩排呈條形排列分布，一排4件，每件基本孤立，外壁基本無相互熱源傳遞，樹脂砂砂型自然冷卻，冷卻速度相對較快。內孔砂芯被周圍金屬液包圍，冷卻速度相對緩慢，熱量均衡分布相對較差。內孔受周圍熱源影響，凝固較晚，得不到有效補縮，易出現“蒼蠅腳”狀凝固收縮缺陷。由于絲母內孔是螺紋，因此不允許有任何鑄造缺陷。

圖2 原鑄造工藝

2.2 內孔砂芯分析

原工藝外壁散熱面積大，溫度梯度大，冷卻速度快。內孔由呋喃樹脂自硬砂砂芯形成，由于硅砂蓄熱系數較小，保溫性能好，且內孔散熱面積小，溫度梯度小，因此冷卻速度相對緩慢。根據球墨鑄鐵凝固特性，先凝固區域能得到后凝固區域的補縮，而后凝固區域得不到有效補縮或不能合理利用石墨化膨脹，易出現枝晶間收縮缺陷（縮松），或后凝固部分會產生集中微型縮孔。

2.3 澆注系統和冒口分析

排氣孔的作用是排出型腔內氣體，且可加快周圍區域冷卻速度。原工藝將排氣孔放置在冷卻速度快的部分，使其凝固速度更快，熱量分布均衡性差，再疊加內澆道的過熱影響，有順序凝固的特點，不符合球墨鑄鐵凝固特性，會造成內澆道一側的孔內更易形成縮松、縮孔等缺陷。為更好地保證鑄件質量，總結以往灰鑄鐵的生產經驗，鑄造工藝上在頂端加高30mm作為連體補縮冒口，而球墨鑄鐵補縮冒口的主要作用是補充液態收縮，使液態收縮所形成的頂面縮陷和集中縮孔缺陷上移，將其在加工時去除，這樣基本可解決鑄件液態收縮缺陷，鑄件外觀尺寸也基本滿足要求。

原鑄造工藝澆注系統中內澆道截面使用高梯形。由于內澆道散熱慢，所以在共晶凝固初期不能及時封閉，使鐵液從內澆道產生回流，不能很好地應用石墨化膨脹對后續凝固收縮進行補縮，因此鑄件在凝固晚的部位易出現縮松、縮孔缺陷。使用這種鑄件生產工藝，不但鑄件出品率較低，而且后序需要切除連體補縮冒口，鑄件質量也不能穩定地滿足要求。

3 工藝改進措施

3.1 型腔排列工藝改進

圖3所示為改進后鑄造工藝，將原來的條形排列變成星形排列[1]，星形排列相對聚集，外壁處互相增加熱源，砂型散熱速度減緩，外壁冷卻速度減慢，凝固時間延長。內孔與外壁間凝固時間差減小，符合球墨鑄鐵的凝固特性，能更好地實現均衡凝固[2]。

圖3 改進后鑄造工藝

3.2 內孔芯材質改進

把原來樹脂砂砂芯更換成蓄熱系數更大的鋼棒芯（見圖3），鋼棒芯不僅可形成內孔，且具有冷鐵的激冷效果，還可增加孔內熱傳導速率，提高內孔冷卻速度，加快孔內凝固，縮短與外壁凝固時間差，基本與外壁同時或略提前凝固，使鑄件凝固過程更接近于均衡凝固，也更符合球墨鑄鐵糊狀凝固特性。

3.3 澆注系統和冒口改進

（1）澆注系統改進 一箱8件，4件為一組，呈星形排列分布，每件一個內澆道，一組共用一個暗冒口，內澆道過暗冒口呈星形放射狀（見圖3），每件熱量分布較均勻，內澆道尺寸為（寬×高）35mm×12mm，其截面采用扁平形（寬高比為3∶1）且截面較原工藝放大，便于快速充型和鐵液凝固初期內澆道及時封閉，防止鐵液回流，最大化應用石墨化膨脹特點，更符合球墨鑄鐵均衡凝固的特性。

（2）冒口改進 匯總一段時間內熔煉QT600化學成分分析，結果見表1。

由表1可得出，QT600碳當量為4.7%～4.8%。同時使用球墨鑄鐵專用生鐵，其他原材料嚴格把控，鐵液冶金質量良好。另外，出氣孔移到內澆道所形成的熱節附近（見圖3），調節鐵液凝固溫度場，均衡鑄件整體熱量分布，使其達到均衡凝固。省去原來的連體補縮冒口，采用澆注系統補縮鐵液液態收縮，凝固初期內澆道及時封閉，最大化地利用石墨化膨脹。根據以上條件，此鑄件可采用小補縮冒口或無冒口鑄造[3]。無冒口鑄造的鑄件力學性能從邊緣向中心降低緩慢，而有冒口鑄件從邊緣向中心急劇下降，得出無冒口鑄件的內在質量優于有冒口鑄件內在質量。因此，采用無冒口鑄造，鑄件不但省去了頂端連體補縮冒口，且克服了凝固收縮過程中的縮松、縮孔缺陷，大幅提高了鑄件工藝出品率。

表1 QT600化學成分（質量分數） （%）

4 結束語

通過鑄造工藝改進，絲母鑄件及同類產品質量滿足了要求，提高了工藝出品率，與改進前相比，廢品率大幅下降，達到5%以下，不但保證了鑄件質量，提高了生產效率，而且保證了產品的生產周期。