合金鑄鐵磨球生產(chǎn)用金屬型的設(shè)計及其制造工藝

■李健

1. 概述

球磨機是廣泛應(yīng)用于礦山等行業(yè)的制粉設(shè)備，磨球是球磨機工作過程中消耗金屬材料最多的易損件，磨球的表面質(zhì)量及內(nèi)在質(zhì)量不但影響其制造成本，而且影響球磨機的臺時質(zhì)量，所以生產(chǎn)優(yōu)質(zhì)的磨球，是生產(chǎn)企業(yè)重點研究解決的問題。

我公司每年為鞍山礦業(yè)公司生產(chǎn)磨球2萬余噸，磨球材質(zhì)采用的是低鉻合金白口鑄鐵，是一種生產(chǎn)成本低、耐磨性較好的耐磨材料，其生產(chǎn)工藝流程為配砂、造型、制芯、合箱、澆注、打箱、余熱淬火，采用的是手工生產(chǎn)方式。

在磨球的生產(chǎn)實踐中，我們認識到低鉻合金白口鑄鐵磨球?qū)﹁T造缺陷比較敏感，磨球破碎的主要原因就是磨球表面或心部存在裂紋源，如縮孔、縮松、夾雜、疏松等鑄造缺陷，在沖擊應(yīng)力作用下擴展造成破碎，而這些缺陷又與鑄造工藝密切相關(guān)的。由于砂型鑄造是典型的體積凝固方式，不可能完全消除縮松、疏松等鑄造缺陷。

金屬型有高的導熱性和蓄熱性，液態(tài)金屬在金屬型中冷卻速度快，過冷度大，金屬型的凝固方式為中間凝固或近似逐層凝固，所鑄造出的磨球組織致密，晶粒細化，可明顯減少縮孔、縮松等鑄造缺陷，具有較高尺寸精度和較好的表面粗糙，磨球表面良好，降低磨球碎球率。同時因金屬型鑄造工序簡化，影響磨球質(zhì)量的工藝因素比較少，工藝條件較易控制，因而磨球質(zhì)量較穩(wěn)定，廢品率降低。因此，我公司多年來一直采用金屬型進行磨球生產(chǎn)。

2. 磨球金屬型的技術(shù)要求

磨球金屬型形成鑄球型腔表面粗糙度為Ra1.5μm，其余加工表面的表面粗糙度為Ra3.2μm，非加工表面的表面粗糙度為Ra50μm，不允許有肉眼可見的縮孔、縮松、氣孔、裂紋、冷隔、夾砂、砂眼等缺陷存在。模具應(yīng)清理干凈，修整飛邊、毛刺，去除澆冒口、粘砂、氧化皮及內(nèi)腔殘留物等。

3. 鑄鐵球金屬型材料的選擇

金屬型主要承受激冷、激熱、磨損及反復(fù)震擊的工況條件，因此金屬型必須具有良好的抗激冷激熱性、耐磨性及減震性能?；诣T鐵是一種價廉易得的金屬材料，鑄造及機械加工性能好，耐磨及減震性能良好。從生產(chǎn)技術(shù)、成本及設(shè)備等方面考慮，選擇了HT200為金屬型的制造材料。

鑄鐵球材料化學成分的選擇如下：

（1）碳、硅 C、Si都是強烈地促進石墨化的元素，在一定的冷卻速度和孕育條件下，碳當量CE增加可以提高灰鑄鐵的石墨化程度，碳以碳化物形態(tài)存在的數(shù)量減少，以石墨形態(tài)存在的數(shù)量增加，在組織上表現(xiàn)為白口傾向減小，鑄態(tài)滲碳體和珠光體數(shù)量減少。此外，提高碳、硅含量還可提高鑄造性能，降低鑄件斷面敏感性，減少鑄件內(nèi)應(yīng)力，提高切削加工性能。

綜合考慮金屬型的結(jié)構(gòu)尺寸及保證金屬型的使用性能，確定wC＝3.1%～3.3%，wSi＝1.6%～1.9%。

（2）錳和硫 Mn、S是穩(wěn)定碳化物且阻礙石墨化元素，但兩者共同存在時，會結(jié)合成硫化錳和硫、鐵錳化合物，以顆粒狀分布于基體中。這些化合物的熔點在1 6 0 0℃以上，不僅無阻礙石墨化的作用，而且還可作為石墨化的非自發(fā)性晶核?？紤]到使用沖天爐冶煉，使用的原材料生鐵、廢鋼等爐料的wS為0.05%，冶煉后鑄件的wS能控制在0.10%～0.1 2%，因此wMn為0.6%～0.8%。

灰鑄鐵中磷高可以提高鑄件的耐磨性，但隨著含磷量的提高，鑄件力學性能尤其是韌性和致密性降低。此外,含磷量高往往是鑄件冷裂的原因，所以控制wP＝0.05%~0.07%。

4. 金屬型的設(shè)計簡述

鑄鐵球金屬型分上型、下型，在上半型球腔頂部各設(shè)一個排氣孔。在鑄型中布置6個鑄球型腔，對定位銷的安裝要求：在下半型上為過盈配合，而在上半型上為間隙配合。

合箱時主要靠兩個定位銷定位，以往采用的明長合箱銷，經(jīng)過生產(chǎn)實踐證明，使用一段時間后，定位銷就會發(fā)生彎曲現(xiàn)象，造型時金屬型合箱不嚴，生產(chǎn)的磨球常產(chǎn)生偏箱及飛邊缺陷，且澆注時合箱銷易被鐵液粘結(jié)，清理起來難度很大，鐵液粘結(jié)嚴重時常造成金屬型報廢，經(jīng)濟損失較大。經(jīng)過研究，將明長合箱銷改為短暗合箱銷，可顯著解決上述問題，且減輕了金屬型重量，方便操作，兩種金屬型結(jié)構(gòu)如圖1、圖2所示。

5. 金屬型的鑄造工藝

（1）混砂 采用粒度為0.224~0.154mm（70/100目）硅砂作為原砂，以保證金屬型的表面粗糙度達到規(guī)定要求。使用碾式混砂機進行混砂，粘結(jié)劑采用普通黏土，型砂由新砂、舊砂、黏土及適量的水組成，先加入舊砂后進行預(yù)加水，使舊砂表面所包覆的附加物先吸收一些水分，然后再加入新砂、黏土等繼續(xù)加水濕混，達到所規(guī)定的型砂緊實率后出碾，混砂效果較好。

（2）造型 金屬液澆入鑄型后，夾在金屬液中的熔渣，由于密度較小，常浮在上面，如果鑄件加工面朝上，加工后表面很可能產(chǎn)生縮孔、縮松、氣孔、夾渣等缺陷而報廢，所以澆注位置的選擇是使重要面朝下或者置于垂直方向。

由于球窩表面是金屬型最重要的工作表面，不允許存在任何鑄造缺陷，所以澆注位置的選擇是使該工作面朝下，以保證球窩表面的質(zhì)量，球窩最初工藝設(shè)計由砂芯形成，澆注后進行機械加工發(fā)現(xiàn)6個球窩中心點不在一個圓周線上，經(jīng)分析認為主要是由于操作誤差造成芯座底面不平，下芯后砂芯不同程度地存在傾斜現(xiàn)象。此外，起模操作時造成芯座尺寸超差過大，每個芯座尺寸大小不同，澆注后金屬型也會產(chǎn)生球窩不在一個圓周線上的現(xiàn)象。

經(jīng)過研究，決定取消砂芯，造型時6 個球窩由砂胎直接形成，修型時對球窩砂胎修整要精心操作。工藝改進后經(jīng)劃線檢查發(fā)現(xiàn)消除了6個球窩不同心現(xiàn)象，同時簡化了生產(chǎn)工序，縮短了生產(chǎn)周期。

采用濕型砂造型，因為濕型砂不用烘干，造型效率高，生產(chǎn)周期短，材料成本低，便于組織生產(chǎn)。

圖1 原金屬型示意

圖2 改進后金屬型示意

6. 熔煉

（1）爐料的控制要求 冶煉用爐料主要有生鐵、廢鋼、鐵合金。

生鐵：硫是一種阻礙石墨化元素，特別是硫的共晶體或富鐵硫化物存在時，這種作用更為明顯，可能使鑄件出現(xiàn)白口，磷在灰鑄鐵中多以磷共晶形式存在于晶界上，使鑄件韌性降低，磷含量過高則強度下降，因此生鐵應(yīng)低磷、低硫。選用遼陽某廠Z18生鐵，其化學成分：wC＞3.3%，wSi＝1.40%～1.80%，wP≤0.06%，wS≤0.04%，生鐵要求銹蝕少，夾渣少，化學成分準確。

廢鋼：廢鋼使用碳素鋼，塊度必須符合規(guī)定，每塊廢鋼長度不得大于加料口的1/3，廢鋼表面不得有嚴重的銹蝕，否則會導致局部產(chǎn)生白口等缺陷，造成加工困難，夾帶的泥沙必須清理干凈，并分類保管。

回爐料：采用金屬型本體回爐料或同一牌號的其他產(chǎn)品回爐料。使用前應(yīng)清除表面的粘砂及型腔內(nèi)的砂芯，入爐前回爐料應(yīng)破碎成一定塊度，長度不得大于加料口的1/3。

鐵合金：主要使用硅鐵、錳鐵，要求不得受潮，不得黏附泥沙及油污并要求做除銹處理。

（2）焦炭 焦炭的優(yōu)劣直接影響到?jīng)_天爐熔煉時的冶金質(zhì)量和鐵液溫度，要求固定碳高，強度高，硫量低，灰分少。如果焦炭的含硫量高，焦炭中的硫就會大量進入到鐵液中，鐵液含硫量就高。

選用的焦炭理化指標是：固定碳含量＞82%，焦炭塊度80～12 0mm，水分≤5.0%，灰分≤8.0%，揮發(fā)分≤1.5%，硫分≤0.6%，落下強度≥92.0%，碎焦率（＜40mm）≤4.0%。

（3）熔劑 石灰石主要作用是爐內(nèi)造渣，主要指標要求：Ca O≥52%，Si O2≤1.5%，MgO≤2.5%。

7. 生產(chǎn)工藝控制要點

（1）高溫熔煉 保證鐵液有一定過熱，可以消除生鐵爐料中的粗大過共晶石墨，避免粗大石墨從液態(tài)遺傳到固態(tài)，有利于改善石墨形態(tài)，從而提高材料的使用性能。此外，從鐵液出爐到吊運至澆注場地，鐵液溫度要降低50～100℃，因此出鐵溫度要控制在1450℃以上。

（2）澆注 ①澆包烘干。澆包搪好后，一定要進行烘干。若沒有烘透，在注入鐵液后，就會吸收部分熱量而降低鐵液溫度，因此修好的澆包一定要充分烘干，澆注前還要預(yù)熱，使?jié)舶臏囟葹? 5 0～8 0 0℃。②澆注溫度。澆注溫度的高低，對鑄件的質(zhì)量影響很大，溫度越低則流動性越差，容易產(chǎn)生冷隔和澆不足，但溫度過高，會使鑄件表面粘砂，縮孔增大，晶粒變粗。根據(jù)金屬型材質(zhì)牌號及壁厚尺寸，確定澆注溫度為1330～1360℃。③澆注操作。扒渣：鐵液出爐后，在鐵液表面加保溫集渣覆蓋劑，扒盡熔渣。這個操作要迅速，以免時間過長，使鐵液溫度降低太多；澆注：澆注開始時應(yīng)緩慢以細流鐵液注入，防止鐵液飛濺，隨后快速充滿澆口，不可斷流，最后細流注入，以防鐵液溢出，鑄型充滿后稍停一下，再在冒口內(nèi)補澆熱鐵液。

8. 應(yīng)用效果

幾年來，按照選定材料的化學成分及生產(chǎn)工藝生產(chǎn)了近千件金屬型，經(jīng)檢驗完全符合技術(shù)要求，使用過程中發(fā)現(xiàn)操作靈便，消除了以往金屬型因合箱銷長而產(chǎn)生的彎曲及澆注時被鐵液黏附現(xiàn)象，使金屬型的使用壽命顯著提高。

9. 結(jié)語

金屬型使用壽命的長短，對鑄鐵球的生產(chǎn)組織有直接影響。生產(chǎn)實踐表明，合理選擇金屬型材料的化學成分，優(yōu)化其結(jié)構(gòu)設(shè)計，并對金屬型的制造工藝過程嚴格控制，防止其產(chǎn)生縮孔、縮松、粘砂、氣孔、夾渣等鑄造缺陷，是保證金屬型使用壽命的重要條件。

[1] 李魁盛. 鑄造工藝設(shè)計基礎(chǔ)[M].天津：河北工學院出版社, 1985.

[2] 中國機械工程學會鑄造鑄業(yè)學會.鑄造手冊.第1卷.鑄鐵[M].北京: 機械工業(yè)出版社,2002.

[3] 中國機械工程學會鑄造學會編.鑄造手冊. 第5卷. 鑄造工藝[M].北京: 機械工業(yè)出版社, 2002.

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[6] 艾小玲.低鉻白口鑄鐵磨球質(zhì)量的影響因素[J].武漢職業(yè)技術(shù)學院學報, 2008(3).