大型高鉻鑄鐵薄壁四通管砂型鑄造工藝研究

范國均，劉亞軍，劉敏娟，吳龍祥

（中冶陜壓重工設(shè)備有限公司，陜西富平 711711）

由于高鉻鑄鐵與普通鑄鐵相比，具有良好的耐磨性、高溫強(qiáng)度、耐熱性及較高的韌性，使得高鉻鑄鐵件在破碎，研磨、物料輸送及其他磨料磨損和沖擊磨損的機(jī)件產(chǎn)品和冶金設(shè)備方面應(yīng)用廣泛，尤其被普遍使用于挖泥船舶的各類抗磨部件上。

本文所研究高鉻鑄鐵四通管為挖泥船舶重要的過流部件，不僅要求自身具備較高的抗磨蝕性能和強(qiáng)的耐沖刷能力，而且要求鑄造管壁成型均勻，尺寸精度高，內(nèi)壁光滑，流線型好，不允許有氣孔、夾雜、裂紋等缺陷。結(jié)構(gòu)立體如圖1所示。

圖1 四通管三維立體圖

首次用CO2-水玻璃砂所生產(chǎn)兩件薄壁四通管，材質(zhì)選用K mT B Cr26，均在打箱過程中發(fā)生局部開裂，缺陷具體位置及形貌如圖2所示。打箱時(shí)溫度低于100℃，無撞擊磕碰，且開裂部位相同，結(jié)合裂口形貌初步判定缺陷在打箱前的凝固保溫階段已生成。因此為了徹底消除該類產(chǎn)品裂口缺陷，本文結(jié)合材料特性、工藝特點(diǎn)、生產(chǎn)方法進(jìn)行分析研究，提出改進(jìn)措施，確保鑄造成品率。

圖2 四通管開裂缺陷位置及裂口形貌

1 原因分析

影響高鉻鑄鐵件產(chǎn)生局部開裂的因素并非單一，比如本體材料特性、鑄件本身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、造型工藝方法等，這些都有可能成為缺陷生成的“誘因”。根據(jù)四通管的結(jié)構(gòu)及工藝特點(diǎn)，分析其成因主要為：

1.1 本體材料

熱裂的敏感性與凝固方式有關(guān)，因而與高鉻鑄鐵合金組成的成分關(guān)系密切。熱裂傾向性與合金具有一定的內(nèi)聚力但韌性還很小時(shí)的溫度范圍大小有關(guān)。由于凝結(jié)是在固相與殘余液體成臨界比例時(shí)達(dá)到的，所以這個(gè)溫度范圍與合金的凝固溫度范圍有關(guān)。而高鉻鑄鐵的凝固溫度范圍約為1 280℃～1210℃，在此結(jié)晶溫度范圍內(nèi)，當(dāng)固相形成完整的結(jié)晶骨架時(shí)，線收縮便開始進(jìn)行，因高鉻鑄鐵的凝固范圍較寬，致使固相晶粒骨架隨著降溫而發(fā)生的線收縮量大，一旦線收縮受阻，就會(huì)產(chǎn)生很大的拉應(yīng)力，再加上雜質(zhì)偏析等對(duì)材料本身抗裂強(qiáng)度的影響，極易被拉裂。

1.2 鑄件結(jié)構(gòu)

兩件薄壁四通管開裂部位均發(fā)生在兩管口交接拐角部位，分析認(rèn)為鑄件結(jié)構(gòu)對(duì)熱裂形成有影響，主要表現(xiàn)在溫度分布和收縮阻力兩個(gè)方面。該鑄件產(chǎn)品雖然為管口相通的腔體，且管壁厚度均勻，但每個(gè)管口的大小和交接角度不同，這就會(huì)造成在冷卻期間因溫差交接部位形成熱節(jié)，且交接處圓角過渡越小，熱節(jié)越大。當(dāng)鑄件整體收縮時(shí)，內(nèi)腔及管口之間均受到型砂的阻礙，阻礙收縮所造成的應(yīng)力聚集在交接狹窄區(qū)，形成應(yīng)力集中，造成大的熱裂傾向。

1.3 造型材料

鑄件進(jìn)行線收縮時(shí)，會(huì)受到型、芯的阻礙，阻力的大小主要反映在鑄型或砂芯的退讓性上。因四通管內(nèi)腔CO2-水玻璃砂砂層厚大，凝固過程中厚實(shí)的型芯表層一定范圍受熱溫度高而潰散，而砂芯中心部位受熱溫度較低，該區(qū)域砂芯仍有較高的強(qiáng)度，致使砂芯綜合退讓性較差。雖然實(shí)際生產(chǎn)中內(nèi)腔芯中心部位添加部分松散物（如圖3所示），退讓性有所改善，但對(duì)于線收縮量比較大的高鉻鑄鐵管類件來說，CO2-水玻璃砂砂芯整體高溫退讓性還是有所不足，易引起開裂。

2.改進(jìn)措施

2.1 增強(qiáng)材料的抗裂性

在原有普通稀土硅鐵變質(zhì)劑的基礎(chǔ)上，加入一定量的AL-M g元素及其他物質(zhì)，形成多元合金復(fù)合變質(zhì)劑，讓多種合金元素發(fā)揮“協(xié)調(diào)”作用，具備強(qiáng)烈吸附及強(qiáng)烈凈化能力，使材料組織進(jìn)一步細(xì)化，一定體積內(nèi)的晶粒數(shù)目和晶界曲折進(jìn)一步增多。這樣在同樣的受力狀態(tài)下，材料的變形會(huì)在更多的晶粒內(nèi)進(jìn)行分散，使得變形趨于均勻，引起較小的應(yīng)力集中，讓裂紋延晶界傳播的阻礙加大，提升抗裂性。

圖3 松散物放置示意圖

2.2 提升鑄件局部抗裂強(qiáng)度

不改變鑄件設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)的情況下，在兩管口交接熱節(jié)區(qū)增設(shè)一定厚度及形狀的收縮肋（加強(qiáng)筋位置如圖4所示），在凝固過程中先于鑄件凝固獲得一定強(qiáng)度，承擔(dān)本體鑄件收縮時(shí)引起的拉應(yīng)力，并強(qiáng)化局部散熱冷卻，提高易裂部位抗裂強(qiáng)度。

圖4 防裂筋設(shè)置位置及形狀示意圖

2.3 提高砂芯退讓性

制作四通管砂芯時(shí)將配制好的特殊松散物按一定比例混入砂芯中（如圖5所示），增加變形能力，在保證中間砂芯強(qiáng)度的前提下，砂芯退讓性可提升25%～40%.

圖5 砂芯退讓性改進(jìn)示意圖

3 改進(jìn)效果

通過上述新工藝方法重新生產(chǎn)高鉻鑄鐵四通管產(chǎn)品，圖6為采用改進(jìn)工藝所生產(chǎn)產(chǎn)品打箱后效果圖?？梢园l(fā)現(xiàn)，管壁連接部位開裂問題已被解決，證實(shí)了改進(jìn)方案的有效性。

圖6 改進(jìn)方法生產(chǎn)產(chǎn)品打箱清砂后照片

4 結(jié)論

1）高鉻鑄鐵薄壁四通管鑄件打箱前開裂缺陷屬于熱裂，是多種原因形成的，有時(shí)某種原因起主導(dǎo)作用，有時(shí)則是多種原因的綜合作用所致。

2）通過優(yōu)化結(jié)構(gòu)提升四通管自身抗裂強(qiáng)度、改進(jìn)制芯工藝方法提高型芯的退讓性等措施，熱裂缺陷得以有效避免。

3）此次改進(jìn)方案的成功對(duì)高鉻鑄鐵薄壁管類鑄件的生產(chǎn)積累了寶貴的經(jīng)驗(yàn)，對(duì)該類產(chǎn)品鑄造工藝的固化奠定了基礎(chǔ)。