厚大斷面球鐵的離心鑄造

邵桂群，洪 燕

今年初，公司接德國曼公司訂單，要求生產(chǎn)尺寸如圖1所示的球鐵火焰圈。其成品鑄件斷面大于75mm，加上加工余量、補(bǔ)縮余量，毛坯斷面大于100mm。鑄件材質(zhì)為以鐵素體為基體的球鐵，技術(shù)條件是：石墨：Ⅵ+Ⅴ≥85%、延伸率＞18% 、珠光體≤1%、滲碳體≤1%；硬度：130～160HB、抗拉強(qiáng)度＞400MPa，屈服強(qiáng)度＞250MPa。鑄件不允許經(jīng)高溫石墨化退火（高溫石墨化退火會(huì)改變石墨球的圓整性）。

圖1 火焰圈簡圖

1 鑄件分析

之前，我們生產(chǎn)過其他型號的球鐵火焰圈，但其毛坯斷面不到80mm，要求也不同，主要區(qū)別是延伸率要求大于12%，鐵素體含量大于80%。

球墨鑄鐵是糊狀凝固，其由液態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)楣虘B(tài)的溫度不能確定。隨著鑄件厚度增加，鑄件凝固時(shí)間增長，石墨形態(tài)畸變概率加大；離心鑄造生產(chǎn)時(shí)，在離心力的作用下，成分偏析嚴(yán)重，而且凝固過程中毛坯內(nèi)孔一直與空氣接觸，球化劑氧化時(shí)間增加，石墨形態(tài)更難達(dá)到穩(wěn)定。

通過以上分析知道，要生產(chǎn)出合格鑄件，我們在制定工藝時(shí)要有利于球狀石墨的形成以及鑄件的凝固。球化劑的加入量要考慮離心澆注凝固過程的氧化；冷卻工藝要注意，既要盡可能縮短凝固時(shí)間還不能在毛坯外圓形成激冷。

2 工藝制定

2.1 模具設(shè)計(jì)

離心鑄造的模具，如壁厚小熱容量變小，冷卻水變化對凝固過程變化敏感性增強(qiáng)、模溫難以穩(wěn)定；如壁厚大模具熱容增大，模具溫度難以保證，冷卻水調(diào)節(jié)作用變小[1]。所以，我們按毛坯與模具壁厚比0.8～1.2來設(shè)計(jì)模具，最終模具壁厚按90mm設(shè)計(jì)。

2.2 冷卻水路排布

離心鑄造鑄件凝固時(shí)熱量的散失（含鑄件溫度的降低及結(jié)晶潛熱的散發(fā)）主要是靠模具外圓冷卻水帶走，為縮短凝固時(shí)間，冷卻水要量大壓高。所以，在排布冷卻水管時(shí)，水管道數(shù)比一般鑄件多、再加0.5～0.6MPa的壓縮氣壓以增加冷卻水壓力。冷卻水排布如圖2所示。

2.3 原材料準(zhǔn)備

圖2 冷卻水路

鐵液中如含有過高的磷、硫、鈦等有害元素，不利于石墨球化級別的提高[2]，破壞石墨球的圓整，所以熔煉材料應(yīng)該采用高純低鈦生鐵+碳素鋼熔煉，配比：80%高純低鈦生鐵+20%碳素鋼+合金。

表1 工藝參數(shù)操作指導(dǎo)卡

2.4 成分控制

碳是促進(jìn)石墨化元素，碳含量高有利于石墨的形成[3]，我們控制在3.75%～3.85%，硅也是石墨化元素，但硅過高會(huì)降低球鐵的韌性，降低延伸率。況且為了消除鑄態(tài)滲碳體，必須經(jīng)過多次孕育，原鐵水硅只能控制在1%左右，終硅控制在2.5%～2.8%范圍內(nèi)。

圖3 冷卻曲線

2.5 球化及孕育控制

通過試驗(yàn)得知，鑄件的殘余鎂在0.04%～0.08%時(shí)球化級別最好。離心鑄造由于毛坯內(nèi)孔氧化，如鑄件在800～1200s內(nèi)凝固，那么球化后鐵液殘余Mg應(yīng)控制在0.10%～0.14%，因此球化劑（球化劑為?？舷⊥?鎂）加入量為鐵水重量的1.2%。

為消除鑄態(tài)滲碳體，我們分為四次孕育。一次孕育為鐵水重量的1%與球化劑同時(shí)加入包內(nèi)，型號寧阪硅鋇孕育劑、粒度3～7mm；二次孕育為鐵水重量的0.25%，球化時(shí)隨流加入，型號寧阪硅鋇孕育劑、粒度0.1～0.6mm；三次孕育為球化后鐵液表面浮鐵水重量的0.2%的75硅鐵；最后在澆注過程中繼續(xù)往澆口杯中加0.1%的隨流孕育劑，型號寧阪硅鋇孕育劑、粒度0.1～0.6mm。

圖4 取樣位置簡圖

表2 火焰圈金相檢驗(yàn)報(bào)告

2.6 成形工藝

因?yàn)椴荒墚a(chǎn)生鑄態(tài)滲碳體，所以鑄件不能激冷；同時(shí)鑄件需要盡可能快凝固，以免長時(shí)間氧化、成分偏析。出鐵水溫度過高，球化反映過于激烈勢必造成球化劑的燒損，也容易使?jié)沧囟冗^高；出鐵水溫度太低，可能球化反映不能進(jìn)行造成球化不良。合適的模具溫度能保證涂料干燥、預(yù)防外表激冷。冷卻工藝參數(shù)如表1所示。

冷卻過程鑄件內(nèi)孔溫度變化如圖3所示。

2.7 出模保溫、退火

為得到鐵素體基體，鑄件需緩慢冷卻。因此，鑄件在900℃左右出模，迅速放入保溫箱，在保溫箱內(nèi)緩慢冷卻至300℃以下后，取出進(jìn)行空冷，再進(jìn)行鐵素體化退火。

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

對退火后毛坯，如圖4沿軸向進(jìn)行割圈做金相、性能測試[5]，結(jié)果分別如表2所示。

圖5 火焰圈金相照片

從表2和圖5可以看出，這種工藝生產(chǎn)的球鐵圈有以下特點(diǎn)：

（1）球化率高、石墨球圓整；

（2）石墨球細(xì)小；

（3）軸向金相存在差異，但工藝合理保證相對一致；

（4）靠近模具法蘭相對較差，可以在小端取樣，確保合格。

4 結(jié)論

（1）厚大端面球鐵離心機(jī)鑄造，必須制定合理工藝，關(guān)鍵是控制凝固時(shí)間，減少球化劑燒損。

（2）做好孕育能消除鑄態(tài)滲碳體，做好鑄態(tài)保溫及合理熱處理可以得到鐵素體基體球鐵。

（3）離心鑄造球鐵靠近模具法蘭處金相相對較差，可以在小端取樣，確保合格。

[1] 劉喜軍.鑄造工藝學(xué)[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,1999:3-5.

[2] 鑄造手冊第一卷鑄鐵[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2002:353-355.

[3] 陸文華.鑄鐵及其熔煉[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,1981:21～25.

[4] 宋量,陳永成,俞旭如,等.GBT 1348-2009,球墨鑄鐵件[s].北京:中國標(biāo)準(zhǔn)出版社,2009.

[5] 楊力,孫國雄,陳永成,等.GBT 9441-2009,球墨鑄鐵金相檢驗(yàn)[s].北京:中國標(biāo)準(zhǔn)出版社,2009.