實(shí)型鑄造用鑄鐵澆口杯的實(shí)踐

徐永青，耿曉明

（成都淏泰金屬制品有限公司，四川成都 610036）

在傳統(tǒng)的空腔鑄造中，小型鑄件（≤2 t）的澆口杯大多為漏斗形，這種漏斗形澆口杯的大口直徑一般為小口直徑的2 倍以上。中型鑄件（2 t～5 t）的澆口杯使用樹(shù)脂砂做成盆形，也有大件（≥5 t）澆口杯做成盆型且中間設(shè)置擋渣板的，根據(jù)各個(gè)公司的產(chǎn)品不同以及生產(chǎn)條件不同等原因，澆口盆設(shè)計(jì)的尺寸不盡相同，材料也各異。以上這幾種澆口盆一般都是單獨(dú)做出后再置于鑄型的上面[1]。

消失模實(shí)型鑄造的充型規(guī)律與傳統(tǒng)的空腔鑄造相比是有很大區(qū)別的。由于泡沫遇高溫鐵水分泡沫軟化、泡沫液化和泡沫氣化三個(gè)階段，其三個(gè)階段消耗大量的熱量并極短時(shí)間產(chǎn)生大量氣體及碳渣等。隨著前期進(jìn)入型腔鐵液的溫度降低和產(chǎn)生氣體壓力的作用，金屬液充型速度比較慢。通過(guò)試驗(yàn)數(shù)據(jù)可知，在澆注系統(tǒng)和金屬液壓力頭等工藝參數(shù)基本相同的條件下，消失模實(shí)型鑄造的金屬液流動(dòng)速度僅為空腔鑄造的1/3 左右[2]。根據(jù)傳熱學(xué)的基本原理，流速越慢，溫度損失就越嚴(yán)重。

消失模實(shí)型鑄造的澆注要求之一就是大流量快速澆注。這樣做的目的只有一個(gè)：建立足夠的壓頭以保證高溫鐵水流速和充型速度從而保證短時(shí)間內(nèi)補(bǔ)充的高溫金屬液在充型過(guò)程中的前沿總是靠近正在氣化中的泡沫模樣，保證泡沫塑料的充分氣化。因此必須設(shè)置大容量的澆口杯，以確保澆注和維持穩(wěn)定的金屬液壓頭。

1 用樹(shù)脂砂澆口杯存在的問(wèn)題

某司使用消失模實(shí)型鑄造工藝生產(chǎn)鑄鐵件時(shí)使用的澆口杯是用樹(shù)脂砂制作，如圖1 所示，硬化后刷涂醇基快干涂料，直澆道使用成型陶瓷管，澆口杯安放后再用少量砂子填補(bǔ)陶瓷管外面的縫隙。

這種澆口杯存在的問(wèn)題：

(2)加強(qiáng)部門(mén)設(shè)置，遵循專(zhuān)業(yè)表決。 地方國(guó)有平臺(tái)公司需要完善部門(mén)的設(shè)置，在明確各類(lèi)業(yè)務(wù)事項(xiàng)分類(lèi)、責(zé)任歸屬的基礎(chǔ)上，施行定崗定編機(jī)制，由各部門(mén)負(fù)責(zé)部門(mén)業(yè)務(wù)的決策表決，做到‘專(zhuān)業(yè)人表專(zhuān)業(yè)事’，同時(shí)公司要明確牽頭組織，在進(jìn)行重大決策期間，要以財(cái)務(wù)部門(mén)、法務(wù)部門(mén)和內(nèi)控部門(mén)的意見(jiàn)為主要參考意見(jiàn)。

1）規(guī)格不統(tǒng)一，澆口杯容量不一。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)統(tǒng)計(jì)，澆口杯容量差最大達(dá)900 kg；

2）澆口盆內(nèi)直澆管的凸出高度和實(shí)際技術(shù)要求不容易統(tǒng)一，無(wú)法保證統(tǒng)一的合乎要求的金屬液靜壓頭。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際測(cè)量，壓頭高度相差最大達(dá)到200 mm.為了滿足進(jìn)水平穩(wěn)的要求，工人使用敲擊破碎陶管的方法來(lái)保證陶管管口與澆口杯底面的距離。

3）砂子使用量大，工人勞動(dòng)強(qiáng)度大。圖1 所示的澆口盆為了保證有足夠的強(qiáng)度需要把底部和四周的厚度加大，所以需要用更多的自硬砂，根據(jù)測(cè)算每個(gè)澆口杯需使用砂子300 kg～600 kg.同時(shí)砂子還需要一定的時(shí)間來(lái)固化，單制作樹(shù)脂砂澆口杯就需要耗用時(shí)間1 h 左右。

圖1 樹(shù)脂砂制作的澆口杯

4）模具開(kāi)發(fā)和維護(hù)成本高，需要單獨(dú)開(kāi)發(fā)木模模型產(chǎn)生費(fèi)用，使用時(shí)維護(hù)保養(yǎng)也要產(chǎn)生費(fèi)用。

5）直澆道與澆口盆所帶澆口不容易準(zhǔn)確對(duì)接

6）澆口杯回用困難。使用過(guò)后的砂澆口杯需要轉(zhuǎn)移至落砂工序，落砂后才可以回用。

2 鑄鐵澆口杯的設(shè)計(jì)與應(yīng)用

針對(duì)上述問(wèn)題進(jìn)行了工藝改進(jìn)，試制了一批鑄鐵澆口杯，如圖2 所示。根據(jù)澆注重量的不同，設(shè)計(jì)了大小兩種不同的規(guī)格。為了保證良好的導(dǎo)熱、散熱及足夠的自冷卻，壁厚設(shè)計(jì)為80 mm～100 mm.足夠的壁厚可使外部未接觸鐵水的部位充當(dāng)鐵水接觸面的冷鐵和散熱器，并保證高溫時(shí)有足夠的強(qiáng)度。

圖2 鑄鐵澆口杯

鑄鐵澆口杯使用工況：在3 mm～5 mm 涂料層的隔離作用下承接澆注時(shí)1 380 ℃～1 450 ℃的高溫鐵水，持續(xù)時(shí)間約20 min～30 min.澆注鑄鋼件時(shí)則在內(nèi)表層涂刷鑄鋼專(zhuān)用涂料，以提高耐火度及耐沖刷性。

表1 澆口杯規(guī)格尺寸

鑄鐵澆口杯使用方法：無(wú)論是使用紙塑澆管[3]還是陶瓷澆管，都可以按照?qǐng)D3 所示進(jìn)行操作。直澆管的高度為恒定值（技術(shù)要求數(shù)據(jù)）。在蓋箱埋砂完成后，將鑄鐵澆口杯放置在直澆管位置。放置適量的砂子將底部做成凹形，這樣露出蓋箱的直澆管高度不受砂箱高度的影響，在制作時(shí)只要保證砂子面與直澆管最高點(diǎn)的高度差為30 mm～50 mm 即可。在干燥硬化后的砂子表面涂刷醇基快干涂料點(diǎn)燃干燥后既可以使用。為了防止?jié)部谂璧撞勘桓邷罔F液沖破造成散砂進(jìn)入產(chǎn)品的情況的發(fā)生，可以在金屬液沖入方向放置耐火磚。

圖3 鑄鐵澆口杯的安放示意圖

鑄鐵澆口杯的優(yōu)點(diǎn)：

1）規(guī)格統(tǒng)一，澆口杯的容量為定值，可以根據(jù)箱內(nèi)產(chǎn)品的澆注重量選擇相應(yīng)的型號(hào)；

2）直澆管的高度為定值，澆口杯內(nèi)液面保持同一水平，保證了充型的平穩(wěn)和穩(wěn)定的壓力頭；

3）澆口杯容量足夠大，能滿足消失模實(shí)型鑄造所需要的大流量澆注，防止鐵水反噴，提高操作安全性；

4）生產(chǎn)效率高，取消了砂制澆口杯的制作時(shí)間及硬化時(shí)間，澆注完成后，將澆口杯吊起即可再次使用，不用經(jīng)過(guò)砂處理系統(tǒng)；

5）省去澆口盆的模型成本；

6）不存在澆口盆內(nèi)直澆道與產(chǎn)品直澆道對(duì)接不準(zhǔn)的情況。

3 鑄鐵澆口杯的材質(zhì)選擇

普通灰鐵澆口杯在承受熱沖擊時(shí)會(huì)發(fā)生石墨生長(zhǎng)，普通鑄鐵在高溫下的體積增大量可高達(dá)8%～10%，體積長(zhǎng)大會(huì)使鑄鐵的力學(xué)性能下降。

鑄鐵組織中的碳化物（包括先共晶碳化物，共晶碳化物，共析碳化物以及二次碳化物）在高溫下發(fā)生分解，析出二次石墨，二次石墨會(huì)使鑄件出現(xiàn)不可逆轉(zhuǎn)的體積膨脹，據(jù)測(cè)算，碳化物每分解出1%的碳，鑄件體積大約增加2.0%～2.4%，鑄件外形尺寸相應(yīng)增大。

鑄鐵的生長(zhǎng)分三種情形。

1）低于相變溫度的生長(zhǎng)：又稱(chēng)低溫生長(zhǎng)，發(fā)生在400 ℃～600 ℃范圍內(nèi)，生長(zhǎng)機(jī)制是珠光體分解為鐵素體和石墨。石墨的析出是體積膨脹的過(guò)程。理論上，1%的化合物碳轉(zhuǎn)變?yōu)槭潴w積要增大2.4%左右，而鐵素體的析出則使鑄件力學(xué)性能下降。因此鑄鐵的低溫生長(zhǎng)與珠光體的分解密切相關(guān)。溫度越高，越接近相變溫度，鑄鐵的生長(zhǎng)量越大，同樣珠光體的穩(wěn)定性越差，珠光體的分解量越大，鑄鐵的生長(zhǎng)量也越大。

2）在相變溫度范圍內(nèi)的生長(zhǎng)：如果鑄鐵將在相變溫度范圍內(nèi)生長(zhǎng)，并不斷通過(guò)相變溫度范圍，使鑄鐵周期性發(fā)生相變，會(huì)導(dǎo)致相當(dāng)大的災(zāi)難性生長(zhǎng)。

3）高于相變溫度的生長(zhǎng)：高于相變溫度時(shí)，氧化將會(huì)非常嚴(yán)重，氧化導(dǎo)致的鑄鐵不可逆體積增大將占主導(dǎo)地位[4]。

在實(shí)踐中已經(jīng)發(fā)現(xiàn)：多次使用的澆口杯在受到高溫鐵水的熱沖擊及冷卻多次循環(huán)后，出現(xiàn)凹坑等破壞現(xiàn)象，如圖4 所示。對(duì)已經(jīng)報(bào)廢的澆口杯進(jìn)行取樣分析，如圖5 所示。從圖中可以看到片狀石墨已經(jīng)生長(zhǎng)成粗條片狀，有的位置已經(jīng)出現(xiàn)了空洞。這種空洞是不可彌補(bǔ)的，必將會(huì)導(dǎo)致鑄件力學(xué)性能的下降。鑄鐵在加熱時(shí)，α 轉(zhuǎn)變?yōu)棣茫捎谑粩嗟娜苡讦?內(nèi)，在原石墨處就會(huì)留下微觀空洞，隨著溫度的升高，溶入的石墨越來(lái)越多，留下的微觀空洞也就越多；而在冷卻過(guò)程中γ 又不斷地析出石墨，此石墨沿原空洞處析出的可能性很小，結(jié)果再次造成因石墨析出而發(fā)生的體積膨脹，這種膨脹是不可逆的。

圖4 受高溫鐵水沖刷而產(chǎn)生的破壞

圖5 普通灰鑄鐵在多次熱沖擊后發(fā)生生長(zhǎng)100X

為此，選擇試驗(yàn)了多種不同的材質(zhì)[5-7]：耐熱鑄鐵RTCr2，中硅耐熱球鐵RQTSi5 和中硅耐熱蠕鐵。假定普通HT250 的使用壽命為1，RTCr2 可達(dá)1.5～2，中硅耐熱蠕鐵2～3，中硅耐熱球鐵2～3.需要注意的是RTCr2 材質(zhì)易裂，在多次的冷熱交替循環(huán)中，會(huì)產(chǎn)生微小的縱向裂紋，隨著裂紋的擴(kuò)散，最終會(huì)導(dǎo)致開(kāi)裂失效。

由于此工件為自用工裝，中硅耐熱蠕鐵和中硅耐熱球鐵成本高，體現(xiàn)不出其優(yōu)越性，故僅選擇了價(jià)格低廉的HT250 改良材質(zhì)，具體成分見(jiàn)表2，制作的澆口杯壽命在100～150 次左右。

表2 材質(zhì)具體成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%）

4 結(jié)論

鑄鐵澆口杯代替樹(shù)脂砂澆口杯優(yōu)點(diǎn)如下：

1）使用鑄鐵澆口杯代替樹(shù)脂砂澆口杯可以提高生產(chǎn)效率，降低生產(chǎn)成本；

2）使用鑄鐵澆口杯可以保證工藝參數(shù)的波動(dòng)最小，有利于提高產(chǎn)品質(zhì)量；

3）使用鑄鐵澆口杯可以保證大容量大流速澆注，防止?jié)沧⑦^(guò)程中反噴，提高了生產(chǎn)安全性；

4）此類(lèi)澆口杯可以通過(guò)調(diào)整內(nèi)表層刷涂的涂料，滿足鑄鐵、鑄鋼等多種不同材質(zhì)的生產(chǎn)，提高了生產(chǎn)的靈活性；

5）在滿足性能的前提下，選擇成本最低的材質(zhì)，可以有效節(jié)約成本。

通過(guò)生產(chǎn)驗(yàn)證，用鑄鐵澆口杯代替樹(shù)脂砂澆口杯后完全滿足目前的生產(chǎn)需求。其他廠家可以在考慮自身生產(chǎn)條件的情況下選擇使用不同規(guī)格的鑄鐵澆口杯。