高強度厚大斷面球鐵模具的鑄造

蘇文生 孫鑫志 姜士平

(沈陽鑄鍛工業(yè)有限公司，遼寧110027)

我公司為上海寶鋼公司生產(chǎn)的UOE42球墨鑄鐵模具鑄件結(jié)構(gòu)如圖1，鑄件澆注重量11 t，材質(zhì)為QT700-2。模具工作環(huán)境惡劣，在工作過程中承受高壓、高溫、熱疲勞沖擊，要求模具有較高的強度、一定的沖擊值和較好的耐磨性能，鑄件內(nèi)外表面全加工。模具鑄件的壁厚為270 mm，屬于厚大斷面球鐵鑄件。如此厚大的斷面尺寸，鐵液充型后凝固過程中易導(dǎo)致石墨尺寸變大，出現(xiàn)石墨數(shù)量減少，產(chǎn)生石墨畸變，成分偏析嚴重等缺陷。國內(nèi)一些鑄造廠家生產(chǎn)該模具的廢品率高達30%以上，產(chǎn)生廢品的主要原因是石墨畸變、縮松和力學(xué)性能達不到要求。為了確保模具運行的可靠性，采取模具附鑄試塊來檢驗性能，不允許有影響強度的縮孔、縮松、裂紋、砂眼等缺陷。

1 UOE42模具生產(chǎn)難點分析

1.1 UOE42模具的金相組織和力學(xué)性能要求見表1。

圖1 模具鑄件簡圖Figure 1 The sketch of mould castings

表1 模具的金相組織和力學(xué)性能要求Table 1 The requirement of the microstructure and mechanical properties of mould

1.2 UOE42模具的生產(chǎn)難點主要集中在以下幾方面：

(1)如何確保如此厚大斷面的鑄件凝固中石墨不發(fā)生畸變；

(2)鑄件要進行100%超聲波探傷，必須消除鑄件的內(nèi)部縮松、夾渣、氣孔等缺陷；

(3)如何保證在鑄態(tài)下獲得珠光體基體50%以上，使材料熱處理后有足夠的抗拉強度和延伸率；

(4)采取最優(yōu)的合金化處理方案，使生產(chǎn)的成本最低。

2 厚大斷面球鐵模具的質(zhì)量控制技術(shù)

2.1 熔煉工藝的控制

2.1.1 原材料的選擇

(1)生鐵：生產(chǎn)厚大斷面球鐵，選擇高純度的原材料是非常必要的，因為很多微量元素對球化衰退最為敏感，如鎢、銻、鈦、釩等。鈦對球化影響很大，應(yīng)加以控制。優(yōu)先選用Q10、Q12專用球鐵生鐵，原材料中Mn、P、S含量要低，Mn<0.3%，P<0.06%，S<0.03%。

(2)廢鋼：普通碳素鋼，厚度≥3 mm。

(3)球化劑：釔基重稀土球化劑ZY-3B，塊度30 mm～50 mm。

(4)脫硫劑：工業(yè)純堿Na2CO3粉，加入量0.3%～0.5%。原鐵液含硫量決定球化劑的加入量，沖天爐熔煉原鐵液的含硫量控制在0.08%以下。原鐵液硫含量高時，球化處理前必須進行脫硫處理。

(5)孕育劑：使用長效孕育劑，采取多級孕育處理。

2.1.2 合金化處理

為了確保UOE42球鐵模具性能合格，一些公司加Mo、Cu進行合金化處理，這樣就增加了生產(chǎn)成本。經(jīng)過試驗，我公司實現(xiàn)了以Cu代替昂貴的金屬Mo進行合金化處理，既保證了質(zhì)量又降低了生產(chǎn)成本。

2.2 爐料配比

生鐵加入量80%～90%，廢鋼加入量10%～20%，硅鐵0.4%～0.5%，銅0.7%。

2.3 化學(xué)成分

根據(jù)以上分析，最終確定化學(xué)成分(質(zhì)量分數(shù)，%)為：C 3.5～3.8；Si 1.7～2.1；Mn<0.30；P<0.06；S<0.02；Re 0.01～0.04；Mg 0.03～0.06；Cu 0.4～0.7。

2.4 鐵液的熔煉與爐前檢測

2.4.1 采用熔煉爐類型

使用一臺10 t/h兩排大間距沖天爐熔煉，熔化率10 t/h，硫增加100%。采用沖天爐鐵液先脫硫后進入電爐調(diào)整溫度和成分是我廠的成熟工藝，但是操作復(fù)雜。通過嚴格選擇原材料和認真操作，采取沖天爐鐵液一次處理球鐵，同樣也達到了非常滿意的效果。

2.4.2 爐前檢測

爐前采用快速分析儀、三角試塊等綜合檢測成分及球化情況。要求模具原鐵液三角試塊白口寬度為12 mm，球化處理后三角試塊白口寬度為7 mm～9 mm。

2.5 球化處理與孕育處理

生產(chǎn)厚大斷面球墨鑄鐵時，為了提高抗衰退能力，選擇釔基重稀土球化劑進行球化處理。釔的球化能力僅次于鎂，但其抗衰退能力比鎂強得多，且不回硫，釔可以過量加入。另外，釔與磷可以形成高熔點的夾雜物，使磷共晶減少并彌散，從而進一步提高球鐵性能。

采用沖入法進行球化處理，稀土鎂合金加入量為出鐵重量的1.5%～2.0%。球化劑在包底分兩層，中間用球鐵屑隔開，防止球化劑反應(yīng)過快。搗實之后上部覆蓋一層10 mm～30mm厚的球鐵屑，包底的另一側(cè)放Na2CO30.3%～0.5%。一次出鐵，球化劑最好在出鐵即將結(jié)束時反應(yīng)結(jié)束。球化劑反應(yīng)要平穩(wěn)，反應(yīng)太快、太慢都將影響合金的吸收。出鐵時在出鐵槽內(nèi)加入0.3%～0.5%FeSi75進行孕育處理，出鐵后要及時扒渣。

孕育處理是球鐵生產(chǎn)的關(guān)鍵，孕育效果決定了石墨球的直徑、石墨球數(shù)和石墨球的圓整度。為了保證孕育效果，孕育處理采用多級孕育，孕育劑總的加入量控制在0.6%～1.0%，隨流孕育使用高效復(fù)合孕育劑，粒度1 mm～3 mm，加入量0.1%～0.2%。

2.6 澆注工藝控制

澆注溫度取1 270～1 310℃，溫度不合格采取倒包降溫，澆注應(yīng)采用快速、平穩(wěn)注入的原則。為了防止熔渣進入型腔，采用特制的設(shè)有過濾網(wǎng)的澆口箱，澆注時將高效復(fù)合孕育劑隨鐵液流均勻加入水口箱中。

3 UOE42球鐵模具鑄造工藝的控制

3.1 造型

UOE42模具的鑄造工藝如圖2。采用冷硬呋喃樹脂砂造型、制芯，砂箱吃砂量的設(shè)計要合理，同時型、芯的緊實度要高。

圖2 鑄造工藝簡圖Figure 2 The sketch of casting process

3.2 澆注系統(tǒng)

由于采用呋喃樹脂砂，其發(fā)氣量大，澆注系統(tǒng)設(shè)計的原則是①鐵液大流量快速平穩(wěn)充滿鑄型；②澆注系統(tǒng)有撇渣功能；③具有較高的壓力頭。

澆注系統(tǒng)由澆口箱、一個直澆口、三組橫澆口、三組內(nèi)澆口組成。直、橫、內(nèi)澆口全部由陶瓷管制作，根據(jù)該鑄件的特點澆注系統(tǒng)采用階梯澆注系統(tǒng)，內(nèi)澆口分別由上、中、下三層引入，實現(xiàn)多股、快速充填。澆注系統(tǒng)各單元比取ΣF直∶ΣF橫∶ΣF內(nèi)=1.5∶2∶1。

3.3 冒口、冷鐵的設(shè)計

設(shè)計原則：強化對鑄件液態(tài)收縮的補給能力，在厚大斷面處放置外冷鐵來調(diào)節(jié)溫度場加速鐵液凝固，對凝固時間加以控制。充分利用石墨化膨脹作用來實現(xiàn)自補縮。冷鐵厚度取(0.5～0.6)δ，δ為鑄件壁厚。

鑄件頂面均布8個出氣冒口。

4 球鐵UEO42模具的熱處理工藝

模具熱處理工藝見圖3。模具精加工之前進行熱處理，因熱處理不當而導(dǎo)致模具力學(xué)性能不合格允許重新熱處理，一般熱處理次數(shù)不能超過三次。

圖3 模具熱處理曲線Figure 3 The heat treatment process curve of mould

5 檢測結(jié)果

5.1 生產(chǎn)16件模具的金相組織和力學(xué)性能見表2。

5.2 超聲波探傷檢測結(jié)果符合交貨要求。

5.3 金相組織見圖4。

表2 UOE42模具鑄件的金相組織和力學(xué)性能Table 2 The microstructure and mechanical properties of UOF42 mould casting

6 結(jié)論

鑄件檢驗結(jié)果表明，整套工藝方案是合理的。化學(xué)成分、力學(xué)性能和金相組織都達到了要求，經(jīng)超聲波無損探傷檢驗，內(nèi)部組織致密無缺陷。截止目前，共生產(chǎn)16件，合格率達100%。鑄件品質(zhì)達到同類產(chǎn)品國際先進水平。此件的鑄造成功為公司生產(chǎn)球墨鑄鐵件積累了寶貴的實踐經(jīng)驗。

圖4 模具顯微組織Figure 4 The microstructure of mould

[1] 王文清，李魁盛.鑄造工藝學(xué)[M].北京：機械工業(yè)出版社，1998.

[2] 中國機械工程學(xué)會鑄造分會.鑄造手冊[M].2版.北京：機械工業(yè)出版社，2007.

[3] 卡賽.球墨鑄鐵澆口和冒口[M].白天申，譯.北京：清華大學(xué)出版社，1983.

[4] 陸文華.鑄鐵及其熔煉[M].北京：機械工業(yè)出版社，1988.