回轉(zhuǎn)座縮孔縮松缺陷研究

劉麗娟，王 有，詹云京

（太原重型機(jī)械集團(tuán)有限公司，山西太原 030024）

縮孔縮松缺陷是鑄造生產(chǎn)中最常見(jiàn)的缺陷，長(zhǎng)期以來(lái)困擾著廣大鑄造工作者。其不僅影響鑄件的質(zhì)量，需要通過(guò)大量焊補(bǔ)來(lái)修復(fù)，嚴(yán)重時(shí)甚至?xí)?dǎo)致產(chǎn)品報(bào)廢，增加了成本，給生產(chǎn)廠家?guī)?lái)極大的財(cái)產(chǎn)損失。

回轉(zhuǎn)座是采煤機(jī)最關(guān)鍵，最重要的部件之一，其工作環(huán)境特殊，需要承受設(shè)備的轉(zhuǎn)動(dòng)帶來(lái)的震動(dòng)，沖擊和扭矩力等載荷，內(nèi)部質(zhì)量要求高。結(jié)構(gòu)為環(huán)形如圖1所示，壁厚均勻且徑向尺寸相對(duì)較大，補(bǔ)縮困難，要保證鑄件探傷要求而成功交貨存在一定難度。

首次生產(chǎn)時(shí)，取兩管口中心線所在平面為分型面，平做方法生產(chǎn)回轉(zhuǎn)座，由于補(bǔ)縮不足導(dǎo)致鑄件大法蘭中分面以下部位出現(xiàn)較為嚴(yán)重的縮孔縮松問(wèn)題，從而降低了鑄件的機(jī)械性能。因此，要想消除產(chǎn)品缺陷，保證產(chǎn)品質(zhì)量并如期交貨，關(guān)鍵是盡快找出回轉(zhuǎn)座產(chǎn)生問(wèn)題的根本原因，優(yōu)化工藝。

1 原因分析

圖1 鑄件三維立體圖

1.1 縮孔縮松形成規(guī)律

金屬液的整個(gè)收縮過(guò)程共分為三個(gè)階段，液態(tài)收縮階段，凝固收縮階段和固態(tài)收縮階段。當(dāng)金屬液充滿整個(gè)型腔時(shí)，由于砂型型壁的熱傳導(dǎo)作用，型腔內(nèi)的金屬液從鑄件中心部位到鑄件表面的溫度梯度是遞減的。隨著型壁導(dǎo)熱過(guò)程的推進(jìn)，型腔內(nèi)的金屬液體積相繼發(fā)生了三次收縮：第一次，當(dāng)金屬液溫度由澆注溫度冷卻至開(kāi)始凝固溫度時(shí)，這一過(guò)程中合金液保持液體狀態(tài)不變，只是遇冷體積縮小，型腔內(nèi)的金屬液液面自然下降，此為液態(tài)收縮。液態(tài)收縮與澆注溫度有關(guān)，澆注溫度越高，收縮越大；第二次，在金屬液溫度由開(kāi)始凝固溫度冷卻至全部凝固溫度過(guò)程中，靠近砂型型壁的金屬液溫度會(huì)迅速降低，不斷地結(jié)晶凝固，從而使得型腔內(nèi)金屬液整體體積減小，導(dǎo)致液面下降，此為凝固收縮；第三次即為固態(tài)收縮，隨著溫度持續(xù)降低，金屬液的溫度從開(kāi)始凝固溫度降至常溫，金屬液全部轉(zhuǎn)變?yōu)楣虘B(tài)，在鑄件內(nèi)部固態(tài)相變引起的收縮達(dá)到工藝要求尺寸[1]。對(duì)鑄鋼件而言，當(dāng)固相達(dá)到一定量，形成晶體骨架時(shí)，尚未凝固的鋼水被分割成一個(gè)個(gè)幾乎互不連通的小液體區(qū)，在隨后的冷卻過(guò)程中，各獨(dú)立的液體區(qū)內(nèi)的鋼水液態(tài)收縮和凝固收縮之和大于其固態(tài)收縮，兩者之差形成的孔洞會(huì)得不到外部液體的補(bǔ)充，這些孔洞即為縮孔縮松缺陷。

1.2 回轉(zhuǎn)座縮孔縮松產(chǎn)生的原因

影響鑄鋼件收縮凝固的因素并非單一，比如合金成分，鑄鋼件本身結(jié)構(gòu)，鑄型組成結(jié)構(gòu)，澆注系統(tǒng)設(shè)計(jì)，澆注溫度等等，這些都有可能成為鑄鋼件縮孔縮松缺陷產(chǎn)生的“誘因”[2]。根據(jù)回轉(zhuǎn)座的結(jié)構(gòu)及工藝特點(diǎn)，分析其原因主要為：

1）工藝設(shè)計(jì)?；剞D(zhuǎn)座原來(lái)的工藝設(shè)計(jì)思想是想通過(guò)設(shè)置補(bǔ)貼，覆鉻鐵礦砂等措施實(shí)現(xiàn)理想的溫度分布，但為了方便操作，采用開(kāi)放底注式澆注系統(tǒng)，鑄件底層部位鋼水相對(duì)上部鋼水溫度較高，造成局部過(guò)熱。此外，回轉(zhuǎn)座為等壁環(huán)形結(jié)構(gòu)，可看成長(zhǎng)的桿狀，徑向尺寸相對(duì)較大，補(bǔ)縮通道不暢通，未能實(shí)現(xiàn)順序凝固，冒口無(wú)法對(duì)其完全補(bǔ)縮而形成缺陷。

2）冒口設(shè)計(jì)。在遵守順序凝固原則的前提下，依據(jù)鑄鋼件的結(jié)構(gòu)，熱節(jié)大小和位置，鋼水溫度，合金成分和凝固特性等來(lái)確定有效補(bǔ)縮距離，進(jìn)一步?jīng)Q定冒口的位置和數(shù)量。而冒口套的保溫效果亦不容小視，使用好的保溫發(fā)熱材料做保溫套，能大大延長(zhǎng)冒口的凝固時(shí)間，提高補(bǔ)縮效率。反之，會(huì)使冒口的有效補(bǔ)縮距離縮短，冒口提前喪失補(bǔ)縮能力，而鑄件本身仍未完全凝固，在凝固后期由于補(bǔ)縮鋼液量不足而形成縮孔。

3）澆注情況。澆注溫度高，雖充型能力強(qiáng)，但體收縮線收縮較大，縮孔縮松傾向自然增大[3]。此外，澆注后如果沒(méi)有及時(shí)采取良好的保溫措施，比如，液面上的保溫發(fā)熱劑厚度不夠或覆蓋不均勻，造成保溫冒口補(bǔ)縮效率降低，也會(huì)引起縮孔縮松。

2 改進(jìn)措施

為防止鑄件產(chǎn)生縮孔縮松，不改變鑄件結(jié)構(gòu)和化學(xué)成分的情況下，通常要綜合考慮，一般從兩方面著手：1）使鑄件內(nèi)部形成順序凝固[4]，距離冒口由遠(yuǎn)及近，自下而上的凝固。2）提高冒口補(bǔ)縮效率。具體采取的措施如下:

（1）增加隨形掛砂外冷鐵。冷鐵與鑄件直接接觸易產(chǎn)生缺陷，在大法蘭底部120°范圍內(nèi)采用掛砂外冷鐵，延長(zhǎng)補(bǔ)縮距離，形成人為的末端區(qū)。

（2）增加補(bǔ)貼范圍。原來(lái)補(bǔ)貼從腔室中心開(kāi)始，斜向冒口中，改進(jìn)后從法蘭底部120°范圍以外全部用滾圓法設(shè)補(bǔ)貼[5]，使補(bǔ)縮通道推遲凝固，延長(zhǎng)補(bǔ)縮距離，防止孤立液相區(qū)的出現(xiàn)。

（3）加強(qiáng)保溫冒口的補(bǔ)縮。冒口必須能夠提供足夠的鋼水，在凝固完畢前補(bǔ)償鑄件收縮和型壁移動(dòng)引起的容積擴(kuò)大。首次澆注保證流動(dòng)性的情況下，盡量降低澆注溫度。最初采用砂型冒口，改進(jìn)后選用發(fā)熱保溫冒口，即在冒口圓周布置保溫磚，圍成保溫冒口套。最終澆注結(jié)束后在冒口頂部覆蓋一定厚度的保溫發(fā)熱劑，并盡量分布均勻，延長(zhǎng)冒口凝固時(shí)間，加強(qiáng)其補(bǔ)縮作用。

（4）補(bǔ)澆冒口?；剞D(zhuǎn)座材質(zhì)ZG42CrMo，凝固范圍寬，其凝固特性決定了鑄件極易形成顯微疏松。二次補(bǔ)澆冒口適用于大型鑄鋼件，是提高冒口內(nèi)部溫度最直接，且行之有效的途徑，是一種“澆冒合一”的思想。根據(jù)鑄件主體壁厚和冒口尺寸，首次澆注后間隔適當(dāng)時(shí)間，往冒口中注入一定量高溫鋼水，顯著提高冒口部位鋼水溫度，使最后凝固區(qū)域最終上移至冒口內(nèi)部，消除鑄件因補(bǔ)縮不良引起的縮孔縮松。

3 改進(jìn)效果

圖2 為改進(jìn)工藝前缺陷特征，圖3為改進(jìn)工藝后鑄件外觀圖，實(shí)際生產(chǎn)結(jié)果表明，采用優(yōu)化后的工藝生產(chǎn)的鑄件質(zhì)量大幅度提高，表面光潔，經(jīng)探傷，內(nèi)部組織較好，無(wú)縮孔和超標(biāo)缺陷顯示，完全滿足客戶要求。

圖2 工藝改進(jìn)前缺陷特征

圖3 工藝改進(jìn)后鑄件表面

4 結(jié)論

通過(guò)調(diào)整外冷鐵位置，增加補(bǔ)帖范圍以及提高昌口補(bǔ)縮效果等工藝措施，使產(chǎn)品的質(zhì)量得到了保證，不僅提高了生產(chǎn)效率，降低了生產(chǎn)成本，也積累了寶貴的經(jīng)驗(yàn)。對(duì)該類產(chǎn)品的生產(chǎn)有一定的指導(dǎo)意義。

［1］王君卿.鑄造工藝手冊(cè)［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2003.

［2］王文清，李魁盛.鑄造工藝學(xué)［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2002.

［3］王福京.鑄鋼件縮孔縮松的形成與預(yù)防［J］.金屬加工，2011（15）:69-70.

［4］李慶春.鑄件形成理論［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1989.

［5］陳國(guó)楨.鑄件缺陷和對(duì)策［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2007:28.