陽泉煤業(yè)集團(tuán)華越機(jī)械有限公司 (山西 045008)劉海東
液壓支架為煤礦井下開采的重要支護(hù)設(shè)備,是煤礦安全生產(chǎn)的根本保障,而柱窩是整個(gè)液壓支架的關(guān)鍵部件,一般為鑄鋼件,其承載著頂梁上方巨大的礦山壓力,一旦柱窩出現(xiàn)質(zhì)量問題,將會(huì)影響整個(gè)液壓支架的正常工作,同時(shí)會(huì)給煤礦生產(chǎn)帶來重大的安全隱患。針對(duì)這些情況,在鑄造生產(chǎn)過程中,必須高度重視柱窩鑄件的綜合質(zhì)量,避免鑄件缺陷產(chǎn)生。
在實(shí)際生產(chǎn)過程中,90%的鑄件是采用砂型鑄造生產(chǎn)的,我廠主要是以水玻璃砂造型為主。水玻璃的加入量與水玻璃的規(guī)格(包括模數(shù)、密度、含固量和粘度)、砂子質(zhì)量(含泥量、粒度、顆粒形狀及礦物組成及化學(xué)成分),以及鑄件的特征有關(guān),水玻璃砂型的流動(dòng)性好,硬化快(可采用CO2硬化或烘干),潰散性差,在金屬液凝固過程中阻礙鑄件的收縮。支架柱窩的材質(zhì)采用ZG30Cr06,屬于低碳合金鋼,收縮性大,容易造成鑄件產(chǎn)生縮孔傾向。另外,氣孔、粘砂等鑄造缺陷也是困擾鑄件產(chǎn)品質(zhì)量的主要原因。因此,為了提升鑄件的產(chǎn)品質(zhì)量,應(yīng)該從鑄造缺陷產(chǎn)生的根源上進(jìn)行分析,并制訂相應(yīng)的預(yù)防措施。
縮孔是支架柱窩在液態(tài)凝固過程中,由于補(bǔ)縮不好而造成在鑄件最后凝固的部位或熱節(jié)處形成的孔洞??s孔的形狀一般呈不規(guī)則狀態(tài),而且孔壁粗糙、無光澤,一般出現(xiàn)在冒口根部或鑄件表層,如圖1所示。
支架柱窩的縮孔缺陷減少了其有效斷面,降低了機(jī)械強(qiáng)度。造成柱窩產(chǎn)生縮孔的原因主要有以下幾方面。
(1)柱窩在凝固過程中,由于十字筋部位補(bǔ)縮通道受阻,沒有得到足夠的金屬液補(bǔ)縮,致使鑄件在最后凝固的部位產(chǎn)生縮孔。
(2)冒口的尺寸和數(shù)量要適當(dāng),支架柱窩一般是在其背部十字筋部位安放一個(gè)冒口,如果冒口的直徑和高度不符合工藝要求,會(huì)造成金屬液的補(bǔ)縮能力達(dá)不到預(yù)期效果。
(3)在澆注過程中,如果澆注溫度偏高,會(huì)造成鑄件在液態(tài)凝固過程中收縮大,金屬液容易吸氣而產(chǎn)生氣縮孔。
(4)冒口的保溫效果不好,冒口中的金屬液先于鑄件凝固,造成鑄件“反補(bǔ)縮”,即鑄件中的金屬液反過來補(bǔ)縮冒口。
柱窩鑄件表面或內(nèi)部由于氣體聚集而形成的孔洞為氣孔,氣孔的形狀、大小不一,內(nèi)壁光滑,并且微帶氧化色或明亮,如圖2、圖3所示。由于氣孔的存在,嚴(yán)重影響到柱窩內(nèi)部致密度,破壞了金屬組織的連續(xù)性,同時(shí)減少了鑄件的有效承載截面,大大降低了支架柱窩的力學(xué)性能,根據(jù)氣體來源和形成機(jī)理不同,氣孔可分為析出性氣孔、侵入性氣孔和反應(yīng)性氣孔三種。一般情況下,反應(yīng)性氣孔在實(shí)際生產(chǎn)中出現(xiàn)的較少。
圖2 柱窩的析出性氣孔缺陷
圖3 柱窩的侵入性氣孔缺陷
(1)析出性氣孔 溶解在液態(tài)金屬中的氣體,在凝固時(shí)由于金屬液中的氣體析出而產(chǎn)生的氣孔,稱為析出性氣孔。液態(tài)金屬具有溶解氣體(如氫、氮、氧等)的能力,在冷卻過程中,隨著金屬液溫度的降低,使其氣體溶解度降低而析出氣體,這些析出的氣體所形成的氣泡很小,而這時(shí)金屬液的流動(dòng)性很差,較難聚集浮起,因此在鑄件中形成尺寸細(xì)小、多而分散的氣孔,其形狀為圓形、橢圓形或針狀,往往分布在整個(gè)柱窩表層(機(jī)加工后可見)。
(2)侵入性氣孔 在澆注和鑄件凝固過程中,由于柱窩型腔空氣或型砂受熱產(chǎn)生的氣體,侵入金屬液內(nèi)部所形成的氣孔。當(dāng)金屬液進(jìn)入型腔時(shí),對(duì)砂型產(chǎn)生劇烈的熱作用,由于型腔表層水分的蒸發(fā),水玻璃及其粘結(jié)劑會(huì)瞬時(shí)燃燒和揮發(fā),產(chǎn)生大量的氣體,在與金屬液的相互作用中,逐漸侵入到鑄件的內(nèi)部,從而造成鑄件內(nèi)部致密度下降,影響柱窩的力學(xué)性能,這將會(huì)嚴(yán)重降低液壓支架的支承能力。尤其是對(duì)于支架頂梁柱窩,由于柱窩耳部砂型透氣性不好,容易窩氣,所以在機(jī)加工時(shí)耳部容易出現(xiàn)侵入性氣孔。另外,金屬液在澆注系統(tǒng)和型腔內(nèi)的流動(dòng)過程中,由于澆注速度控制不當(dāng),致使金屬液流動(dòng)不穩(wěn)定,將氣體卷入金屬液內(nèi)而生成氣孔。
上述生成的各類氣孔中,有些由于受天氣的影響(夏天時(shí)砂型容易返潮),是不可避免的,有些是操作者的責(zé)任意識(shí)差,在造型時(shí)所開設(shè)的排氣孔數(shù)量不夠,鋼液脫氧不徹底,尤其是二次出鋼,脫氧沒有嚴(yán)格按照工藝規(guī)程執(zhí)行,都可能造成鑄件氣孔缺陷。
粘砂是指鑄件表面由于在澆注過程中,高溫液態(tài)金屬或金屬氧化物在充型時(shí),通過滲透方式鉆入型腔表面的砂粒中,形成金屬與砂粒的混合物,粘附在鑄件表面上,而且硬度比較高,不易清理,直接影響鑄件外觀質(zhì)量的提高,也給后續(xù)柱窩焊接工序帶來不便,如圖4所示。
圖4 柱窩的表面粘砂缺陷
表面粘砂產(chǎn)生的主要原因有以下幾個(gè)方面:
(1)型腔表面砂型緊實(shí)度低或不均勻,砂粒之間空隙大,致使高溫液態(tài)金屬滲入砂粒中,造成鑄件表面粘砂。
(2)合箱時(shí),型腔內(nèi)的浮砂未清理干凈,澆注時(shí),砂粒隨金屬液的充型而上浮到型腔的上表面,造成鑄件表面粘砂。
(3)澆注溫度過高時(shí),由于型腔表面長時(shí)間的高溫烘烤,砂型的耐火度降低,金屬液的表面張力過大,滲入砂粒間隙中并不斷消蝕砂粒,使其間隙不斷擴(kuò)大,從而形成金屬液或金屬氧化物與砂粒的混合物,造成鑄件表面粘砂。
(1)鑄件產(chǎn)生縮孔往往是在鑄件最后凝固的部位,由于補(bǔ)縮不好而形成的。優(yōu)化鑄造工藝設(shè)計(jì),增強(qiáng)冒口的補(bǔ)縮作用,力求實(shí)現(xiàn)順序凝固,必要時(shí),可采用特殊冒口(保溫冒口、發(fā)熱冒口、大氣壓力冒口),以提高補(bǔ)縮效率。
(2)加強(qiáng)合金精煉,凈化金屬液,加強(qiáng)鋁終脫氧和二次出鋼脫氧,減少合金中溶解性氣體和低熔點(diǎn)雜質(zhì)的含量,以增強(qiáng)金屬液的凝固補(bǔ)縮。
(3)遵守“高溫出爐,低溫澆注”的原則,根據(jù)鑄件的結(jié)構(gòu)不同,嚴(yán)格控制澆注溫度和澆注速度,澆注溫度偏高時(shí),收縮性大,容易使柱窩產(chǎn)生縮孔缺陷。
(4)在鋼液上升到冒口根部時(shí),降低澆注速度并從冒口進(jìn)行澆注,待金屬液澆滿后,停留片刻(必須保證冒口中的鋼液表層不得結(jié)殼),讓冒口中的鋼液在大氣壓力的作用下對(duì)柱窩進(jìn)行補(bǔ)縮,然后繼續(xù)緩慢地向冒口內(nèi)增添高溫金屬液,并加木炭覆蓋,防止冒口中的金屬液過早結(jié)殼,同時(shí)用木棒捅冒口,以增強(qiáng)冒口對(duì)鑄件的補(bǔ)縮能力。
(1)在冶煉過程中,要確保入爐料干燥沒有油污,所使用的冶煉工具要提前預(yù)熱烘干,待爐料完全熔化后,要對(duì)爐內(nèi)的鋼液進(jìn)行攪動(dòng),使鋼液中的氣體和雜質(zhì)上浮。
(2)在澆注方面,出鋼前一定要在澆包內(nèi)放入一定數(shù)量的鋁屑,確保澆包中的鋼液脫氧徹底,待鋼液接入澆包內(nèi)時(shí),讓高溫的鋼液鎮(zhèn)靜片刻,這樣有利于鋼液中的氣體上浮,同時(shí),必須對(duì)型腔進(jìn)行引氣,避免澆注過程中砂箱內(nèi)窩氣,引起放炮或爆炸。
(3)在制訂鑄造工藝時(shí),要合理設(shè)計(jì)澆注系統(tǒng)的工藝參數(shù)及其位置。由于鋼液流動(dòng)性差,要盡量選擇開放式澆注系統(tǒng),以適宜的速度連續(xù)平穩(wěn)地充滿型腔,避免鋼液流速過快導(dǎo)致將空氣中的氣體卷入型腔內(nèi)。另外,為了增強(qiáng)型砂的排氣性,在造型完畢后,必須對(duì)上下砂箱扎適量的排氣孔,并控制好砂型的烘干程度。
(4)在造型方面,砂型的緊實(shí)度要合理。選用粒度適宜且含泥量少的原砂,控制粘土、水分及其附加物的加入量,確保砂型有良好的透氣性。
(1)在造型材料方面,盡量選用耐火度高、粒度適宜的原砂,嚴(yán)格控制水玻璃和粘土的含量(水玻璃的加入比例控制在8%以下)。
(2)在滿足透氣性要求的前提下,提高砂型的緊實(shí)度,減少砂??紫抖?。
(3)根據(jù)鑄件的結(jié)構(gòu),適當(dāng)降低澆注溫度和澆注速度,以減小液態(tài)金屬對(duì)型腔表面的的熱力作用和沖刷力,削弱液態(tài)金屬的滲透能力。
在熱加工行業(yè)中,鑄造生產(chǎn)工藝過程比較抽象,微觀變化過程難以控制。傳統(tǒng)的生產(chǎn)工藝基本上是靠生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)與實(shí)踐摸索,有一定的局限性。隨著現(xiàn)代鑄造技術(shù)的不斷發(fā)展,傳統(tǒng)的鑄造生產(chǎn)工藝逐漸不能適應(yīng)實(shí)際生產(chǎn)的需要,依靠計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)、計(jì)算機(jī)模擬分析和先進(jìn)的設(shè)備設(shè)施,通過不斷吸收電子、信息、材料、能源、現(xiàn)代化管理等高新技術(shù)成果,結(jié)合傳統(tǒng)技術(shù)形成現(xiàn)代的鑄造技術(shù),使鑄造生產(chǎn)更加趨于可控化、精密化、優(yōu)質(zhì)化、高效化,減少環(huán)境及人為因素造成的各類鑄件質(zhì)量問題,這樣就能夠在很大程度上提升柱窩及其他鑄件產(chǎn)品的綜合質(zhì)量,給煤礦機(jī)械裝備制造提供可靠的質(zhì)量保證。