厚大鑄鐵皮帶輪缺陷的成因與控制措施

金桂芹，王秋芝，閻 濤

（1.黃岡師范學(xué)院機(jī)電學(xué)院，湖北 黃岡438000；2.河北鋼鐵（集團(tuán)）唐鋼股份有限公司，河北 唐山 063000）

0 前言

某廠生產(chǎn)的厚大型皮帶輪，在輪轂和輪槽處易出現(xiàn)縮孔和縮松缺陷。尤其有許多帶輪鑄造完好無損，后續(xù)經(jīng)加工，常常在輪槽處出現(xiàn)大面積的縮松。這種情況嚴(yán)重影響了產(chǎn)品質(zhì)量及生產(chǎn)進(jìn)度。本文通過對縮孔縮松缺陷的形成機(jī)理及形成原因和影響因素的分析，經(jīng)過合理的工藝改進(jìn)和防止方法，實(shí)現(xiàn)了質(zhì)量和生產(chǎn)雙贏。

1 問題的提出

欲生產(chǎn)型號為SPC1000-08（5050)B型皮帶輪毛坯，毛坯輪廓尺寸：Φ1 023×226 mm，理論重量：332 kg，材質(zhì)：HT250，依重量屬中大型鑄w件。鑄件壁厚較為均勻，輪轂處壁厚值62 mm，為最大壁厚，最大熱節(jié)在輪轂與筋板交匯處，約為Φ75 mm，輪緣與筋板交匯處熱節(jié)約為Φ60 mm，鑄件經(jīng)加工，常常在帶輪的切槽及輪轂處出現(xiàn)大量的縮孔縮松缺陷（見圖1和圖2），有時(shí)會(huì)出現(xiàn)成批量廢品，嚴(yán)重影響帶輪的力學(xué)性能及使用性能，甚至報(bào)廢。因?yàn)榍胁凼亲詈笠坏拦ば颍@給生產(chǎn)帶來了嚴(yán)重的損失，消除縮孔和縮松缺陷是當(dāng)務(wù)之急。

圖1 輪緣縮孔縮松

圖2 輪轂縮孔

2 縮孔縮松的形成機(jī)理

鑄件的收縮包括三個(gè)方面：液態(tài)收縮、凝固收縮、固體收縮。純金屬、共晶成分合金和結(jié)晶溫度范圍窄的合金，在一般鑄造條件下按由表及里逐層凝固的方式凝固。由于金屬或合金在冷卻過程中發(fā)生的液態(tài)收縮和凝固收縮大于固態(tài)收縮，從而在鑄件最后凝固部位形成尺寸較大的集中縮孔。結(jié)晶溫度范圍較寬的合金，一般按照體積凝固的方式凝固，凝固區(qū)內(nèi)的小晶體很容易發(fā)展成為發(fā)達(dá)的樹枝晶。當(dāng)固相達(dá)到一定數(shù)量形成晶體骨架時(shí)，尚未凝固的液態(tài)金屬便被分割成一個(gè)個(gè)互不相通的小熔池。在隨后的冷卻過程中，小熔池內(nèi)的液體將發(fā)生液態(tài)收縮和凝固收縮，已凝固的金屬則發(fā)生固態(tài)收縮。由于熔池金屬的液態(tài)收縮和凝固收縮之和大于其固態(tài)收縮，兩者之差引起的細(xì)小孔洞又得不到外部液體的補(bǔ)充，便在相應(yīng)部位形成了分散性的細(xì)小縮孔，即縮松[1]。

3 形成原因及影響因素

3.1 鑄件結(jié)構(gòu)的原因

該鑄件屬于中大型件，為了保證后續(xù)加工質(zhì)量，輪緣粗加工量較大，致使帶輪切槽部位正好是熱節(jié)部位。該鑄件斷面較厚，存在幾處熱節(jié)，在輪轂與筋板及輪緣與筋板處，由于是樹脂砂造型，砂型的保溫性能較好，該鑄件重量較重，鐵水從高溫冷卻到室溫凝固時(shí)間長，不可能達(dá)到100%的同時(shí)凝固，凝固慢的地方就形成了縮孔和縮松。

3.2 工藝設(shè)計(jì)的原因

3.2.1 澆注系統(tǒng)設(shè)計(jì)不合理

如果鑄件的內(nèi)澆口設(shè)計(jì)到厚壁處，由于內(nèi)澆口開的尺寸不合理，長時(shí)間處于金屬液的沖擊，在鐵水凝固發(fā)生石墨膨脹狀態(tài)下，澆口附近鑄件的厚大部位易產(chǎn)生縮孔和縮松。

3.2.2 冒口及冷鐵設(shè)計(jì)不合理

冒口設(shè)計(jì)的原則應(yīng)是：冒口凝固時(shí)間大于或等于被補(bǔ)縮鑄件的凝固時(shí)間，要有足夠的補(bǔ)液且鑄件凝固過程中一直處于正壓狀態(tài)。冒口的位置要偏離鑄件的熱節(jié)，避免二次熱節(jié)的發(fā)生，否則該補(bǔ)的鐵液得不到補(bǔ)充，很容易發(fā)生縮孔。冷鐵可與冒口配合使用，能加強(qiáng)鑄件的順序凝固條件，擴(kuò)大冒口補(bǔ)縮距離或范圍，減少冒口數(shù)目或體積。但是由于冷鐵與過高的金屬液接觸，鐵水的發(fā)氣量大，易產(chǎn)生縮孔缺陷。

3.2.3 型砂的原因

由于型砂的原因，型砂高溫強(qiáng)度及耐火度低，造成鐵水澆入鑄型時(shí)，使鑄型外移，增加了鐵水的補(bǔ)縮量，易產(chǎn)生縮孔縮松，尤其中大型鑄件更為敏感。

3.3 澆注及熔煉工藝

3.3.1 化學(xué)成分不合格

比如碳當(dāng)量低，鐵水凝固時(shí)，共晶石墨析出的數(shù)量少，石墨化膨脹的作用降低，鐵水的凝固收縮增加，流動(dòng)性變差，導(dǎo)致鐵水的自補(bǔ)縮能力降低，鑄件易產(chǎn)生縮孔和縮松。含磷量偏高，使凝固區(qū)間擴(kuò)大，同時(shí)低熔點(diǎn)磷共晶在最后凝固時(shí)得不到補(bǔ)縮，造成顯微縮孔。尤其對于含碳量低的鑄鐵，體收縮較大，更應(yīng)注意。S是阻礙石墨化的元素，使鐵水氧化嚴(yán)重，鐵水的流動(dòng)性變差，容易產(chǎn)生縮孔和縮松。3.3.2澆注溫度及澆注速度

澆注溫度高，鐵液的流動(dòng)性能好，液態(tài)收縮量增加，易產(chǎn)生縮孔。澆注速度太快，使需要補(bǔ)縮的部位來不及補(bǔ)充足夠的鐵水，也容易產(chǎn)生縮孔縮松缺陷，澆注太慢，由于樹脂砂造型，澆注時(shí)，發(fā)氣量大，排氣不能保證暢通，易形成氣孔。

4 防止縮孔縮松的方法

4.1 合理選擇鑄造工藝

保證鑄件滿足順序凝固的原則，輪緣與筋板交匯熱節(jié)處（即輪緣的外面）處放冷鐵3塊，減少了冒口的數(shù)量，擴(kuò)大了冒口的補(bǔ)縮距離。該皮帶輪工藝圖如圖3所示。

圖3 SPC1000-8皮帶輪毛坯圖

4.2 嚴(yán)格控制化學(xué)成分

鑄件壁厚較厚，且樹脂砂冷卻速度較慢，按中限控制，化學(xué)成分控制如表1所示，P、S量控制到較低范圍，尤其鑄鐵迄今尚無有效的脫P(yáng)辦法，生產(chǎn)中可以采用如下措施控制含P量：①使用低P原材料；②廢鋼中不得摻有廢鑄鐵；③要使用來源清楚的低P廢鑄鐵。爐前用C、S檢測儀測C、S含量，不在此范圍的鐵水不澆注該產(chǎn)品，可以改成其它產(chǎn)品。有經(jīng)驗(yàn)的操作工人，可以根據(jù)鐵水表面的火花來判斷鐵水的“軟”和“硬”。鐵水出鐵槽流入鐵水包時(shí)，鐵水表面因受沖擊而濺出微滴，微滴的某些成分被空氣氧化成火花，火花的特征有兩種：星狀（掃帚狀）和雪花狀，在沖擊條件相同時(shí)，若星狀火花較多，則鐵水含碳量低，若雪花狀較多，則含硅低，若兩種火花均多，則碳、硅均低，鐵水較“硬”，碳當(dāng)量較低。

爐前白口寬度應(yīng)在4～7 mm之間，按中限控制。

表1 鑄件化學(xué)成分表[2]

4.3 澆注溫度及澆注速度的控制

依照樹脂砂澆注系統(tǒng)遵循的“快速澆注、平穩(wěn)充型、排氣通暢”原則，宜采用“高溫出爐、低溫快澆”的總體方案。因在一定溫度范圍內(nèi)，提高鐵水過熱溫度，延長高溫靜止時(shí)間，均會(huì)導(dǎo)致鑄鐵中石墨基體組織細(xì)化，使鑄鐵強(qiáng)度提高。鑄件凝固時(shí)形成石墨產(chǎn)生的膨脹，減少了鑄件體積收縮，降低了鑄件內(nèi)應(yīng)力，防止縮松缺陷的產(chǎn)生。故選用溫度及冷卻時(shí)間如下：出爐溫度：1 380℃以上；澆注溫度：1 320～1 380℃；冷卻時(shí)間：不低于6 h.

4.4 選用適宜的砂型

選用剛性大的樹脂砂造型，其中所用原砂耐火度高、角形系數(shù)接近1，使型砂的抗拉強(qiáng)度在1.0 MPa以上，防止因鑄型外移而增加鐵水的補(bǔ)縮量。

5 結(jié)束語

通過選擇合適的鑄造工藝，嚴(yán)格控制化學(xué)成分，合理的澆注溫度及澆注速度，基本杜絕了厚大V型帶輪縮孔和縮松缺陷的發(fā)生。當(dāng)然，工人的操作也是不可忽視的，應(yīng)該嚴(yán)格管理，按所要求的工藝操作，讓生產(chǎn)質(zhì)量雙豐收。