液壓支架柱窩水玻璃砂型鑄造缺陷分析及預防措施

陽泉煤業(yè)集團華越機械有限公司 （山西 045008）劉海東

液壓支架為煤礦井下開采的重要支護設備，是煤礦安全生產(chǎn)的根本保障，而柱窩是整個液壓支架的關鍵部件，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)質量問題，將會影響整個液壓支架的正常工作，同時會給煤礦生產(chǎn)帶來重大的安全隱患。針對這些情況，在鑄造生產(chǎn)過程中，必須高度重視柱窩鑄件的綜合質量，避免鑄件缺陷產(chǎn)生。

在實際生產(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）、砂子質量（含泥量、粒度、顆粒形狀及礦物組成及化學成分），以及鑄件的特征有關，水玻璃砂型的流動性好，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)品質量的主要原因。因此，為了提升鑄件的產(chǎn)品質量，應該從鑄造缺陷產(chǎn)生的根源上進行分析，并制訂相應的預防措施。

一、柱窩鑄件缺陷分析

1.縮孔缺陷

縮孔是支架柱窩在液態(tài)凝固過程中，由于補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。縮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，降低了機械強度。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，由于十字筋部位補縮通道受阻，沒有得到足夠的金屬液補縮，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，支架柱窩一般是在其背部十字筋部位安放一個冒口，如果冒口的直徑和高度不符合工藝要求，會造成金屬液的補縮能力達不到預期效果。

（3）在澆注過程中，如果澆注溫度偏高，會造成鑄件在液態(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“反補縮”，即鑄件中的金屬液反過來補縮冒口。

2.氣孔缺陷

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，同時減少了鑄件的有效承載截面，大大降低了支架柱窩的力學性能，根據(jù)氣體來源和形成機理不同，氣孔可分為析出性氣孔、侵入性氣孔和反應性氣孔三種。一般情況下，反應性氣孔在實際生產(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，而這時金屬液的流動性很差，較難聚集浮起，因此在鑄件中形成尺寸細小、多而分散的氣孔，其形狀為圓形、橢圓形或針狀，往往分布在整個柱窩表層（機加工后可見）。

（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。當金屬液進入型腔時，對砂型產(chǎn)生劇烈的熱作用，由于型腔表層水分的蒸發(fā)，水玻璃及其粘結劑會瞬時燃燒和揮發(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，影響柱窩的力學性能，這將會嚴重降低液壓支架的支承能力。尤其是對于支架頂梁柱窩，由于柱窩耳部砂型透氣性不好，容易窩氣，所以在機加工時耳部容易出現(xiàn)侵入性氣孔。另外，金屬液在澆注系統(tǒng)和型腔內(nèi)的流動過程中，由于澆注速度控制不當，致使金屬液流動不穩(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（夏天時砂型容易返潮），是不可避免的，有些是操作者的責任意識差，在造型時所開設的排氣孔數(shù)量不夠，鋼液脫氧不徹底，尤其是二次出鋼，脫氧沒有嚴格按照工藝規(guī)程執(zhí)行，都可能造成鑄件氣孔缺陷。

3.粘砂缺陷

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，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方面：

（1）型腔表面砂型緊實度低或不均勻，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，型腔內(nèi)的浮砂未清理干凈，澆注時，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，由于型腔表面長時間的高溫烘烤，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。

二、柱窩鑄件缺陷的預防措施

1.防止柱窩鑄件產(chǎn)生縮孔的方法

（1）鑄件產(chǎn)生縮孔往往是在鑄件最后凝固的部位，由于補縮不好而形成的。優(yōu)化鑄造工藝設計，增強冒口的補縮作用，力求實現(xiàn)順序凝固，必要時，可采用特殊冒口（保溫冒口、發(fā)熱冒口、大氣壓力冒口），以提高補縮效率。

（2）加強合金精煉，凈化金屬液，加強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雜質的含量，以增強金屬液的凝固補縮。

（3）遵守“高溫出爐，低溫澆注”的原則，根據(jù)鑄件的結構不同，嚴格控制澆注溫度和澆注速度，澆注溫度偏高時，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，降低澆注速度并從冒口進行澆注，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殼），讓冒口中的鋼液在大氣壓力的作用下對柱窩進行補縮，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殼，同時用木棒捅冒口，以增強冒口對鑄件的補縮能力。

2.防止柱窩產(chǎn)生氣孔缺陷的方法

（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熱烘干，待爐料完全熔化后，要對爐內(nèi)的鋼液進行攪動，使鋼液中的氣體和雜質上浮。

（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，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，必須對型腔進行引氣，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，要合理設計澆注系統(tǒng)的工藝參數(shù)及其位置。由于鋼液流動性差，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致將空氣中的氣體卷入型腔內(nèi)。另外，為了增強型砂的排氣性，在造型完畢后，必須對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。

3.防止柱窩鑄件產(chǎn)生粘砂的方法

（1）在造型材料方面，盡量選用耐火度高、粒度適宜的原砂，嚴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，提高砂型的緊實度，減少砂?？紫抖?。

（3）根據(jù)鑄件的結構，適當降低澆注溫度和澆注速度，以減小液態(tài)金屬對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。

三、結語

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)驗與實踐摸索，有一定的局限性。隨著現(xiàn)代鑄造技術的不斷發(fā)展，傳統(tǒng)的鑄造生產(chǎn)工藝逐漸不能適應實際生產(chǎn)的需要，依靠計算機輔助設計、計算機模擬分析和先進的設備設施，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成果，結合傳統(tǒng)技術形成現(xiàn)代的鑄造技術，使鑄造生產(chǎn)更加趨于可控化、精密化、優(yōu)質化、高效化，減少環(huán)境及人為因素造成的各類鑄件質量問題，這樣就能夠在很大程度上提升柱窩及其他鑄件產(chǎn)品的綜合質量，給煤礦機械裝備制造提供可靠的質量保證。