細長孔鑄件的工藝設計與過程控制

鄭建斌

（福建興航機械鑄造有限公司，福建 長樂 350207）

壓柱鑄件是壓力9 000 t大型型材擠壓機上的關鍵部件，要求整體鑄造而成，不允許分段鑄造、組裝焊接而成。其質(zhì)量好壞直接影響著型材擠壓機的使用效果、使用效率和使用壽命。本文分析了壓柱鑄件結構特點、生產(chǎn)及過程控制難點，從優(yōu)化工藝方案、選取合適制芯材料及加強生產(chǎn)過程控制等多方面入手，取得良好效果，并應用于其他機型，實現(xiàn)了批量化生產(chǎn)，突破了細長孔鑄鋼件技術瓶頸，提高了公司的鑄造技術水平，摸索出了類似鑄鋼件的工藝方案及生產(chǎn)過程控制的經(jīng)驗，為公司在激烈的市場競爭中開發(fā)新的經(jīng)濟增長點，拓展了市場空間。

1 鑄件技術要求

1.1 鑄件簡圖

壓柱簡圖如圖1所示，鑄件長9 410 mm，內(nèi)孔φ550 mm，毛重約28 t，主要工作面為內(nèi)孔。材質(zhì)為Z G270-500.主要化學成分見表1.

圖1 壓柱簡圖

表1 主要化學成分（質(zhì)量分數(shù)，%）

主要力學性能見表2.

表2 主要機械性能

1.2 主要技術要求

1）鑄件不得有裂紋、縮孔、砂眼等影響結構件強度的缺陷；

2）壓柱需進行探傷檢查，檢測符合J B/4730-2005Ⅲ級標準；

3）長度尺寸9 360 mm必須四根一致，裝配時以此定位并調(diào)整；

4）鑄件必須正火+回火后再進行機械加工，鑄件經(jīng)熱處理后符合G B5676-86之規(guī)定。

1.3 鑄造工藝性分析

分析壓柱鑄件的工藝結構，其具有四個顯著特點：

1）細長比特別大

其中：L—孔長度，mm；

D—孔直徑，mm.

L/D比值遠大于3，屬超細長型鑄件[1]，細長孔在鑄造中歷來是一個難題，尤其是砂型鑄造。

2）鑄件變形可能性大

鑄件長度達9 410 mm，鑄件尺寸及形狀控制難度大，存在較多影響鑄件變形的因素，尤其是內(nèi)孔質(zhì)量及尺寸控制難度大。

3）泥芯生產(chǎn)過程難度大

超細長泥芯不僅木模芯盒制造難度大，制芯、下芯操作也相當困難。

4）內(nèi)孔存在裂紋傾向性大，而且泥芯出砂及清砂困難

超細長泥芯阻礙了鑄件徑向收縮，要充分考慮泥芯砂的退讓性，同時兼顧泥芯砂的強度、潰散性等性能。

這四個特點是鑄造工藝方案制定難點及生產(chǎn)過程控制的焦點，預先在工藝設計時給予考慮，在材料選用上合理配置，在鑄件生產(chǎn)過程中加強管控。

2 鑄造工藝方案的確定

2.1 確定澆注位置及分型面

澆注位置的確定是鑄造工藝方案設計的重要環(huán)節(jié)，關系到能否獲得健全的鑄件，并使造型、造芯和清理方便。在綜合分析了壓柱的結構特點，結合公司生產(chǎn)現(xiàn)場特點，選擇采用平做平澆的工藝方案。其優(yōu)點在于：①便于木模及泥芯盒制作；②便于造型、下芯操作；③便于合箱時尺寸的檢查；④便于澆注過程操作。其缺點在于：壓柱上表面及內(nèi)孔上表面易產(chǎn)生砂眼、氣孔、夾渣等鑄造缺陷。

澆注位置確定后，選擇壓柱的分型面與分模面，見圖2.

圖2 壓柱分型分模簡圖

2.2 確定工藝參數(shù)

1）鑄造收縮率

鑄造收縮率不僅與鑄造金屬的收縮率和線收縮起始溫度有關，而且還與鑄件結構、鑄型種類、澆冒口系統(tǒng)結構、砂型和砂芯的退讓性等因素有關。影響鑄造收縮率的主要因素是鑄件的結構復雜程度和尺寸大小。細長鑄件沿長度方向阻礙收縮的型壁阻力較大，鑄造收縮率比沿其他方向的小[2]。壓柱鑄件在長度方向收縮阻力較小，近于自由收縮，收縮率選為1.9%，高度方向受到一定阻礙，故收縮率選為1.8%.

2）加工余量

加工余量選取時需考慮模型、芯盒制作，綜合各方面考量，上下外表面加工余量定為20 mm，內(nèi)孔φ605加工余量定為25 mm，內(nèi)孔φ588加工余量定為16.5 mm，長度方向兩側面加工余量定為25 mm.

3）分型負數(shù)

根據(jù)公司的生產(chǎn)實際及經(jīng)驗，壓柱的分型負數(shù)選定為3 mm.

4）芯頭

根據(jù)泥芯長度、直徑及泥芯的硬化度等因素，芯頭長度選240 mm，間隙選3 mm.

2.3 澆注系統(tǒng)設計

澆注系統(tǒng)的設計要求是控制金屬液流動的速度和方向，保持平穩(wěn)、均勻，并有利于鑄件溫度的合理分布?？紤]壓柱高度不高，壁厚均勻，選擇開放式中注澆注系統(tǒng)，兼有頂注式和底注式優(yōu)缺點，而且造型方便。為盡量避免高溫鋼水的長時間烘烤，造成型腔表面及泥芯表面開裂脫落從而引起夾砂等缺陷，因此對澆注系統(tǒng)流量的選擇要適當加大，達到快速澆注目的。所以，選擇兩個漏底鋼水包同時澆注，包孔直徑選取φ90 mm，直澆道用φ120 mm陶瓷管，橫澆道選用φ120 mm陶瓷管，內(nèi)澆道用8道φ100mm陶瓷管。通過計算，ΣF包＜ΣF直＜ΣF橫＜ΣF內(nèi)，符合開放式澆注系統(tǒng)要求，能確保鋼水平穩(wěn)、快速上升。同時為了防止內(nèi)澆口位置芯砂過熱，保證冒口過熱度，確保補縮效果，內(nèi)澆口盡量開設在冒口附近。

澆注時間與澆注速度的驗算[3]：

式中：t—澆注時間，s；

Q—鑄件重量，kg；

n—注孔數(shù)量，個；

q—鋼水的流量（由包孔直徑確定），kg/s.

式中：H—鑄件在澆注位置的高度，mm；

t—澆注時間，s.

對于壓柱這類高度比較低，同時長度比較大的鑄件，澆注速度大于8 mm/s就能夠保證充型快速、平穩(wěn)、順暢，有利于夾雜物等雜質(zhì)的上浮，充滿型腔的時間較為適宜，能獲得輪廓完整、清晰的鑄件[3]。若上升速度太慢，型腔、泥芯上部會因長時間受熱輻射而產(chǎn)生應力以致脫落，造成鑄件夾砂和結疤，也會因砂型受熱時間過長造成鑄件粘砂。此外，還會使鋼液表面氧化而使鑄件形成皺紋、隔層等缺陷。澆注系統(tǒng)簡圖見圖3.

圖3 壓柱澆注系統(tǒng)簡圖

2.4 冒口的設計

考慮采用明保溫冒口，加設內(nèi)冷鐵，加以添加冒口覆蓋劑等方式，以期達到良好的補縮效果。冒口計算方法采用模數(shù)法計算，具體的計算方法如下：

將壓柱視作展開的板狀結構，冒口模數(shù)的選取[2]：

式中：α—板的厚度，cm.

保溫冒口選?。?50×825×660，冒口數(shù)量確定為5個，按板狀結構驗算其水平補縮距離符合要求。

除有冒口進行補縮外，還有內(nèi)冷鐵配合補縮。因此，從計算結果來看，鑄件工藝出品率符合大件鑄鋼件生產(chǎn)的要求，說明冒口尺寸和數(shù)量的選擇是合適的[2]。

冒口布置見圖4壓鑄工藝。

2.5 內(nèi)冷鐵的設計

鑄鋼件常采用內(nèi)冷鐵以縮小鑄件整體或局部熱節(jié)模數(shù)，控制順序凝固，減少冒口體積和消除縮孔、縮松[2]。內(nèi)冷鐵的激冷作用比外冷鐵強。應用內(nèi)冷鐵，除能滿足工藝需要外，還有利于細化晶粒和減少鑄造應力，減少熱裂紋的產(chǎn)生；提高鑄件工藝出品率，降低生產(chǎn)成本。所以，內(nèi)冷鐵成為國內(nèi)大中型鑄鋼生產(chǎn)企業(yè)不可缺少的工藝手段。但內(nèi)冷鐵應用于要求探傷鑄件，國內(nèi)存在不少爭議。日本企業(yè)中內(nèi)冷鐵應用也相當普遍，包括探傷鑄件[4]。我們認為，內(nèi)冷鐵只要科學、合理、規(guī)范地在鑄鋼件上使用，既能與冒口良好配合，相得益彰，又能防止熱裂紋產(chǎn)生。

壓柱鑄件選擇使用內(nèi)冷鐵還有一個重點目的，即：加快鋼水冷卻速度，減少鋼水烘烤泥芯的時間。

熔合內(nèi)冷鐵使用重量及最大直徑的計算歷來是鑄造工藝設計人員棘手的事，通過摸索總結，形成一整套行之有效的內(nèi)冷鐵設計和應用經(jīng)驗。一般內(nèi)冷鐵使用重量占被冷卻部份鑄件重量的2%～5%[4].根據(jù)壓柱探傷質(zhì)量要求，選擇內(nèi)冷鐵重量占冷卻部份鑄件重量的2%左右，選用φ12 mm圓鋼作內(nèi)冷鐵，冷鐵間距控制在70 mm左右，在型腔中下放冷鐵前認真做好除銹及清渣工作。這樣既能保證內(nèi)冷鐵的完全熔合，又能起到內(nèi)冷鐵的作用，能滿足無損探傷要求。冷鐵使用情況如圖4所示。

圖4 壓柱工藝簡圖

3 生產(chǎn)過程質(zhì)量控制

3.1 模型制作

由于壓柱尺寸結構較大，生產(chǎn)數(shù)量僅4件，如果仍按常規(guī)方式制作整體木模實樣，將浪費大量材料，增加生產(chǎn)成本。針對壓柱模結構上下對稱的特點，可以將外模制作成半邊的實樣模型，造好下型后取出半邊模再造上型，注意做好分型合箱定位。為方便制芯操作，芯盒做成半邊芯盒加水平導向刮板。制芯時先做下半部分泥芯，上半部分芯采用刮板刮制。此種芯盒方式不僅解決細長泥芯的填砂、舂砂等難題，而且還節(jié)約了木材，縮短了木模制作進度。缺點是泥芯上半部緊實度稍差。

3.2 造型及過程控制

外模鑄型采用CO2硬化普通水玻璃砂，在冒口四周部位均勻敷上20 mm～30 mm厚鉻鐵礦砂。鉻鐵礦砂具有更高的耐熱性，而且熱導率比硅砂大幾倍，所以在冒口四周處覆鉻鐵礦砂有利于防止粘砂、減少冒口切割難度，縮短冒口切割時間，降低鑄造應力，防止裂紋缺陷的產(chǎn)生，有利于提高鑄件質(zhì)量。

澆道用陶瓷型澆管，內(nèi)澆口附近也使用鉻鐵礦砂，增加內(nèi)澆口附近砂型耐火度，防止此處易產(chǎn)生的粘砂缺陷。

3.3 制芯及過程控制

3.3.1 材料選擇

考慮細長泥芯由于其砂芯在澆注后受到周圍高溫鋼水的包圍，很容易造成粘砂，甚至砂芯局部形成燒結，清砂困難。選擇潰散性和退讓性均較好的CO2硬化的堿酚醛樹脂砂作芯砂。CO2硬化的堿酚醛樹脂砂是90年代開發(fā)的工藝，該樹脂為堿性甲階酚醛樹脂水溶液，完全不含N、P、S，而且游離甲醛、苯酚含量低、氣味小，但強度較低。由于其對CO2氣體不敏感，適當加長吹氣時間，不會發(fā)生過吹現(xiàn)象。因此，生產(chǎn)中可采用小流量長時間吹氣工藝，吹氣流量約5 L/min，吹氣時間約120 s，易于獲得較高初強度和終強度[7]。

由于不含N、P、S等有害元素，因此杜絕了這些元素引起的鑄造缺陷，如氣孔、表面微裂紋等。澆注時不釋放H2S、SO2等有害氣體，有利于環(huán)境保護。潰散性好，極易清理，尺寸精度保證，生產(chǎn)效率高[7]。

在泥芯的特殊位置，如泥芯冒口下部泥芯注意覆25mm～35 mm厚鉻鐵礦砂，防止此處受鋼水長時間烘烤，造成泥芯燒結引起缺陷。在泥芯正對內(nèi)澆口位置，也相應覆25 mm～35 mm厚鉻鐵礦砂，防止鋼水不斷沖刷烘烤及過熱，內(nèi)澆口位置芯砂脫落，形成夾砂等缺陷。

3.3.2 制作過程控制

芯骨選用φ150×20鋼管，沿鋼管圓周及長度方向均勻氣割出φ10～15小孔，以利于泥芯排氣；沿鋼管圓周及長度方向均勻焊φ16×200鋼筋作插骨芯齒；用φ20草繩捆綁鋼管2～3圈，防止芯骨阻礙收縮，有利于提高泥芯的退讓性，防止裂紋缺陷；同時焊牢起吊裝置。

由于壓柱泥芯細長，在鋼水長時間烘烤過程，容易變形、垮砂，僅靠芯頭是不夠的，必須采用芯撐，加強泥芯的固定，提高穩(wěn)定性。選擇合適芯撐，否則強度不足，芯撐可能過早熔化而喪失支撐作用。芯撐規(guī)格選取可根據(jù)鑄件壁厚、澆注溫度查“熔合芯撐柱直徑列線圖”[2]相應選取，芯撐表面應干凈、平整，最好鍍鋅，使用時應無銹、無油、無水汽。放置時避開內(nèi)澆道附近使用。

為防止?jié)沧⑦^程中造成粘砂，提高型腔、泥芯的抗粘砂能力，在型、芯表面均勻涂刷與型砂性質(zhì)相匹配的、耐火度較高的醇基鋯英粉涂料，型腔涂料厚度不小于1.0 mm，泥芯涂料厚度不小于1.2 mm.

3.4 冶煉澆注

熔煉設備為 5 t、10 t、15 t中頻爐及 30 t雙工位L F精煉爐，鋼水需47 t.針對壓柱要求及企業(yè)生產(chǎn)實際，選擇中頻感應爐與L F精煉爐雙聯(lián)熔煉方案。通過L F精煉后，鋼液脫氣、雜質(zhì)去除干凈徹底，鋼液中磷、硫質(zhì)量分數(shù)能控制到低于0.020%的低限范圍，從而減少壓柱鑄件的冷、熱裂紋傾向，防止夾渣等缺陷。

壓柱澆注溫度設為1 540℃，澆注時2個包孔同時打開，使鋼液快速、平穩(wěn)地充滿型腔，達到鋼水低溫快澆目的，減輕高溫金屬液對鑄型頂部尤其是泥芯長時間烘烤，有效防止鑄件上表面及內(nèi)孔產(chǎn)生鑄造缺陷。澆注過程一定要及時將泥芯氣及時引出。當鋼液恰好上升到冒口550 mm左右時，將鋼液包從冒口上部進行點澆冒口，點澆進行1次后，將冒口保溫覆蓋劑放入冒口內(nèi)，將冒口表面覆蓋好。這樣鋼液消耗少，補縮效率高，且保證鑄件的化學成分不容易變化。

3.5 熱處理

根據(jù)壓柱鑄件技術要求，對其進行了正火+回火熱處理，使其達到機械性能要求。正火用以消除鑄造應力，使晶粒細化和碳化物分布均勻化；回火則消除正火冷卻時產(chǎn)生的應力，提高韌性和塑性。

裝爐操作時要注意將壓柱墊平、墊實，防止變形；加熱速度不宜太快，減少壓柱工件內(nèi)外溫差，升溫速度控制在≤50℃/h為宜。其熱處理工藝曲線見圖5.

圖6 壓柱鑄件整裝發(fā)貨

3.6 鑄件清理

鑄件澆注后在砂箱中的保溫時間須達到60 h以上才能開箱，為防止鑄件產(chǎn)生裂紋、變形，澆注24h后必須對稱、逐步去掉壓鐵，松動砂型、砂芯，以減少鑄件收縮的阻礙，防止鑄件變形及產(chǎn)生裂紋。由于采用CO2硬化的堿酚醛樹脂砂制作泥芯，細長泥芯清砂較為容易，清砂效率高，內(nèi)孔壁較為光滑。

鑄件經(jīng)檢驗，達到了預期的目標：鑄件組織致密，無鑄造缺陷。粗加工和表面精整后進行超聲波探傷檢測，符合產(chǎn)品技術要求，順利實現(xiàn)發(fā)貨（見圖6），贏得了客戶好評，客戶陸續(xù)將型材擠壓機系列產(chǎn)品交于我公司生產(chǎn)。

4 結論

1）細長孔鑄件是鑄造生產(chǎn)一個難題，如何保證細長芯的剛性、強度、耐火度、退讓性、出砂性、出氣等綜合性能要求是關鍵，因此只有從工藝設計、材料選取、過程控制等多方面著手，才能獲得良好鑄件。

2）工藝設計中要確保澆注系統(tǒng)充型快速、平穩(wěn)、順暢；合理設定澆注溫度；采取合適內(nèi)冷鐵設計，提高鋼水冷卻速度，縮短鋼水烘烤泥芯時間。

3）CO2硬化的堿酚醛樹脂砂是制作細長孔泥芯砂的不錯選擇，鋼水烘烤較長時間的部位可采用特種砂、重視涂料作用，同時做好芯骨制作、芯撐選用、砂型芯排氣等環(huán)節(jié)。