厚大復(fù)雜球墨鑄鐵件的鐵模覆砂工藝探討

趙曉林，余讓剛，陳傳濤

（1.重慶卡森科技有限公司，重慶 404100；2.重慶方汀機(jī)械制造有限公司，重慶 404100）

球墨鑄鐵具有較大的縮孔縮松傾向，如何防止和消除縮孔縮松一直是鑄造工作者關(guān)注的問題。由于球墨鑄鐵縮孔、縮松形成的復(fù)雜性，在縮孔、縮松的形成機(jī)理和防止措施方面，存在許多不一致甚至相互矛盾的看法。本文通過綜合評價有關(guān)球墨鑄鐵件縮孔、縮松的形成及預(yù)防機(jī)理，針對厚大復(fù)雜球墨鑄鐵的鐵模覆砂工藝，提出解決鑄件縮孔、縮松的方案。

1 球墨鑄鐵生產(chǎn)特性

1.1 球墨鑄鐵的凝固特性

球墨鑄鐵有著和其他合金不同的凝固特點，國內(nèi)外鑄造工作者對此進(jìn)行了幾十年的研究，比較一致的看法是：1）共晶凝固溫度范圍寬，呈糊狀凝固；2）與灰鑄鐵相比，共晶團(tuán)數(shù)量多，共晶膨脹較大。

球墨鑄鐵共晶結(jié)晶時，由于加鎂處理的結(jié)果，石墨核心在液相中長到一定尺寸時即被奧氏體包圍，由于奧氏體外殼阻礙碳原子自熔融液體向石墨球擴(kuò)散而使得石墨球生長速度減慢，共晶反應(yīng)的完成除了靠已有共晶團(tuán)長大外，還要靠新的晶核析出完成，因而共晶轉(zhuǎn)變在一個較寬的溫度范圍內(nèi)進(jìn)行，導(dǎo)致鑄件在很寬斷面上固液兩相共存，呈糊狀凝固。

1.2 球鐵液態(tài)冷卻和凝固過程的體積變化

球鐵凝固過程中的體積變化，從對縮孔、縮松形成的影響考慮包括合金本身因比容變化而造成的體積變化和型腔體積變化兩部分。對合金本身凝固時的體積變化研究，有實驗研究和理論計算的方法。C E Bates和B.Patterson[1]用φ12.7 mm×7.01 mm的圓片狀試樣進(jìn)行測試，體積變化過程為：（先共晶）膨脹→收縮→（共晶）膨脹→收縮。最后結(jié)果是凈膨脹0.8%～1%；B P Winter等人用φ91 mm×229 mm試樣用黏土砂干型試驗[2]，結(jié)果發(fā)現(xiàn)球鐵試樣在澆注后體積一直在收縮，其中液態(tài)收縮量為2.0%，凝固收縮量為2.7%.R.W.Heine采用理論計算的方法建立了更切合鑄鐵件實際凝固情況的鑄鐵凝固相圖，并用該相圖對鑄鐵凝固過程的體積變化重新進(jìn)行計算[3]，結(jié)果認(rèn)為灰鐵和球鐵凝固都可能膨脹或收縮，其膨脹或收縮取決于工藝條件和冶金條件。有的研究者采用專門設(shè)計的試驗裝置和方法，去除型壁移動因素，球鐵凝固時的體積變化不固定，所獲結(jié)果仍不一致，甚至相互矛盾。

綜合已有研究結(jié)果可以認(rèn)為，球墨鑄鐵凝固的體積變化還與冶金因素有關(guān)。有研究者分別探討了碳當(dāng)量、鎂含量、稀土、孕育等冶金因素，以及鑄件模數(shù)、鑄型條件、澆注溫度等工藝因素對共晶膨脹和型壁移動的影響[4]，主要結(jié)論表明：碳當(dāng)量在共晶點時的膨脹力最大，這已被大量的研究試驗所證實。加入稀土減少膨脹；增加孕育量使膨脹增加；鑄件模數(shù)增加，鑄型膨脹力增大；鑄型剛度提高使膨脹量減小，鑄型的熱膨脹系數(shù)也有影響；澆注溫度高，膨脹量減小。此外還探討了石墨形狀、數(shù)量、尺寸、分布對共晶膨脹的影響，結(jié)果表明：石墨球化率越高、石墨相對含量越多，共晶膨脹越大；中等偏小的球墨共晶膨脹量最大；大小不均的球墨共晶膨脹力低。雖然國內(nèi)外的鑄造工作者在球鐵的凝固特性和收縮特性的研究上取得了許多成果，但大多數(shù)局限于單因素或雙因素的影響，對多因素的影響及各因素之間的交互作用的研究不十分全面，因而得出相反的結(jié)果也就不足為奇[4]。

1.3 型腔尺寸在鑄件澆注和冷卻過程中的變化

型腔尺寸在鑄件澆注和冷卻過程中的變化是影響縮松形成的另一個重要因素。徐承祖[5]對鑄鐵金屬型和濕砂型的型腔尺寸變化進(jìn)行了測量，并同步測繪了鑄件的冷卻曲線，結(jié)果表明：金屬型在澆注過程中，型腔迅速擴(kuò)大，但此時鐵液可以補充進(jìn)入型腔，故這部分型腔擴(kuò)大對縮松形成不會有影響。澆注結(jié)束時，型腔擴(kuò)大即停止并轉(zhuǎn)為持續(xù)向內(nèi)縮小，顯然對減少縮松有利。濕砂型在澆注開始之后，型腔迅速擴(kuò)大，而后仍以減速度繼續(xù)不斷地擴(kuò)大，直至共晶凝固結(jié)束為止，顯然會增大鑄件縮松傾向。有資料對干砂型的尺寸變化的測量結(jié)果表明[2]：從澆注結(jié)束到共晶凝固初期，型腔迅速擴(kuò)大，而后一直保持不變，直至凝固結(jié)束時，型腔略微縮小，這種變化對防止縮松也是比較有利的。周亙等人用干型砂工藝試制6300ZC大馬力柴油機(jī)曲軸成功后，將全套工藝移植到呋喃樹脂自硬砂型[6]，投產(chǎn)結(jié)果卻產(chǎn)生嚴(yán)重的縮松、縮孔，導(dǎo)致多起斷軸事故。呋喃砂鑄件的凝固時間約為黏土砂干型鑄件的1.5倍，即使大幅度增加冷鐵用量，由于冷鐵外圍的型砂散熱緩慢，鑄型冷速仍然偏慢，鑄件不能在內(nèi)澆道凝固前及時凝固收縮，造成液態(tài)補縮量不足，成為縮孔、縮松的原因。

由于各種鑄型的型腔尺寸在澆注過程中就已發(fā)生變化，因而用澆注前的型腔尺寸或模樣尺寸與鑄件尺寸比較來判斷鑄件外形脹大與否是不準(zhǔn)確的。所謂“高剛度鑄型”，應(yīng)當(dāng)是指型腔的鐵液進(jìn)出口凝固封閉后，型腔尺寸保持不變或縮小的鑄型。

2 厚大復(fù)雜球鐵件鑄造工藝的選擇

2.1 樹脂砂（冷硬樹脂砂）造型

在緊實度保證的情況下砂型（芯）強(qiáng)度較高，熱穩(wěn)定性好，可以有效抵御澆注時的型壁退讓、遷移現(xiàn)象[7]。采用冒口或小冒口自補縮工藝，并在厚大斷面處放置冷鐵，砂型（芯）在澆入鐵液后，作為有機(jī)物的樹脂和固化劑及其反應(yīng)物，會產(chǎn)生熱量。因此在樹脂砂砂型中鑄件冷卻速度較慢，配合在厚大斷面處放置冷鐵，能有效解決縮孔縮松問題。但是樹脂砂工藝存在一些缺點，選擇時還需要綜合考慮：

1）受各項因素的影響樹脂的價格越來越貴，通常樹脂砂鑄造砂鐵比大于3，樹脂用量大，生產(chǎn)成本也隨之逐步上升；

2）對原砂的質(zhì)量要求高；

3）呋喃樹脂砂鑄造生產(chǎn)時，鑄件熱裂的傾向比較大；

4）在鑄件澆注過程中型腔中會有大量的氣體產(chǎn)生，排氣設(shè)計和涂料使用不當(dāng)時產(chǎn)生氣孔的風(fēng)險非常大；

5）造型和澆注現(xiàn)場，在生產(chǎn)過程中有刺激性氣味，勞動作業(yè)環(huán)境相對較惡劣，需要良好的通風(fēng)條件；

6）對球墨鑄鐵件來講，表面因滲硫可能會造成球化不良，這就對所使用的涂料提出更高的要求，鑄造成本隨之增加；

7）樹脂砂造型的最大缺點是無法大規(guī)模的上線生產(chǎn)，只能手工造型，生產(chǎn)效率低，適合大型單件小批量的產(chǎn)品。

2.2 黏土砂造型

1）黏土干砂型

黏土干砂型雖然砂型強(qiáng)度高，但是能耗高，尺寸精度差，勞動強(qiáng)度大，現(xiàn)已逐漸被樹脂砂替代，本文不做分析。

2）黏土濕砂型

黏土濕砂型鑄造是傳統(tǒng)的鑄造工藝，其最大的優(yōu)點是：黏土的資源豐富、價格便宜、制造鑄型的周期短、工效高。其最大的缺點是：鑄型的剛度不高，鑄件的尺寸精度較差，鑄件易于產(chǎn)生縮松、縮孔、沖砂、夾砂、氣孔等缺陷。即使采用高壓、氣沖或靜壓造型設(shè)備，雖然提高了砂型的表面強(qiáng)度，減少了沖砂等缺陷，但是在澆注過程中型腔的擴(kuò)大無法避免。除石墨化膨脹外，澆注后型砂受熱膨脹隆起也會使型腔擴(kuò)大[7]。為了減少和避免鑄件內(nèi)部出現(xiàn)縮孔、縮松缺陷，就需要強(qiáng)有力的外部補縮，通常需要增加體積較大的砂冒口或者強(qiáng)有效的發(fā)熱冒口。除了強(qiáng)有力的外部補縮外，有時還需要配合使用冷鐵，增加冷卻條件。但是在造型線上生產(chǎn)時放置冷鐵，除了會影響到造型線的生產(chǎn)效率，增加了運行成本，還要承受在濕型中放置冷鐵帶來的負(fù)面影響。尤為顯著的是用濕型生產(chǎn)高牌號的球墨鑄鐵件時，為滿足強(qiáng)度和硬度要求，不得不增加合金的使用量，添加合金后又會增加鐵液的液態(tài)收縮傾向，就更需要外部鐵液對鑄件進(jìn)行補縮，工藝出品率低，生產(chǎn)成本高。

2.3 鐵模覆砂造型

鐵模覆砂鑄造是造型時在鐵質(zhì)砂箱表面上覆有一層固態(tài)樹脂膜的型砂形成鑄件的外形，由鐵型和薄的砂胎組成的鑄型鎖緊后剛度高、變形小、冷卻快，得到的鑄件尺寸精度高、加工余量小、組織致密，特別適合球墨鑄鐵的生產(chǎn)。在生產(chǎn)球墨鑄鐵時能利用球墨鑄鐵的石墨化膨脹對鑄件進(jìn)行自補縮，實現(xiàn)球墨鑄鐵的少、無冒口鑄造，得到優(yōu)質(zhì)鑄件，尤其對生產(chǎn)高牌號的珠光體基體的盤類、桿類、軸類等厚大鑄件十分有利。此外鐵模覆砂造型工藝還有其他優(yōu)點：

1）污染小，工作現(xiàn)場環(huán)境明顯改善。雖然燃燒也對環(huán)境有一定的影響，但畢竟用砂量少；

2）覆砂層薄，砂子用量少，生產(chǎn)成本低，浪費??；

3）鐵膜覆砂鑄造具有覆膜砂殼型鑄造的特點，造型方便、快捷，不論什么鑄件砂型，2 min～3 min之內(nèi)便可造型完畢，并且不需要涂刷任何涂料。既得到了光潔的鑄件，又提高了鑄件的形狀和尺寸精度；

4）造型采用自動化生產(chǎn)線作業(yè)，利用鑄件澆注后鐵型的余熱進(jìn)行再循環(huán)生產(chǎn)的覆膜砂固化，不僅減少了用電，而且鑄造過程呈現(xiàn)封閉式循環(huán)生產(chǎn)狀態(tài)，投資少、見效快；

5）由于砂胎的存在避免了金屬型鑄造易產(chǎn)生白口的缺點。對鑄鐵件而言，可鑄態(tài)生產(chǎn)各種材質(zhì)，無需熱處理。

3 模擬分析技術(shù)的應(yīng)用

模擬分析技術(shù)現(xiàn)今已經(jīng)是一門非常成熟的技術(shù)，通過模擬分析技術(shù)可以使得傳統(tǒng)不可見的鑄造澆注、凝固、冷卻過程變得可視化，通過模擬分析技術(shù)，可以實現(xiàn)的目標(biāo)有：

1）預(yù)知凝固時間、開箱時間、確定生產(chǎn)率；

2）預(yù)測縮孔和縮松形成的位置和大小，制定相對應(yīng)的解決措施；

3）預(yù)知鑄型的表面及內(nèi)部的溫度分布，方便鑄型（特別是金屬型）的設(shè)計；

4）控制凝固條件，為預(yù)測鑄件應(yīng)力、微觀及宏觀偏析、鑄件性能等提供必要的依據(jù)和分析計算的數(shù)據(jù)；

5）模擬液態(tài)金屬在鑄型中的流動狀態(tài)，并根據(jù)模擬得到液態(tài)金屬的流動速度、壓力等變化規(guī)律優(yōu)化澆冒口系統(tǒng)設(shè)計，防止?jié)驳乐形鼩?，消除流股分離現(xiàn)象以避免氧化，減輕液態(tài)金屬對鑄型的沖蝕；

6）模擬出液態(tài)金屬的溫度分布，從而預(yù)測澆不足、冷隔等缺陷；

7）降低澆注重量和廢品率，提高工藝出品率，節(jié)約能源和成本。

凝固過程數(shù)值模擬不僅可以形象地顯示液態(tài)金屬充填型腔和在型腔中冷卻凝固的進(jìn)程，還可預(yù)測可能產(chǎn)生的缺陷，所以可在制造計劃現(xiàn)場實施前，綜合評價各種工藝方案和參數(shù)，優(yōu)化工藝方案，取代或減少現(xiàn)場試制，這對大型復(fù)雜形狀或貴重材料凝固成形鑄件的生產(chǎn)，其優(yōu)越性和經(jīng)濟(jì)效益尤為突出。

綜上所述，鐵模覆砂工藝在鐵水澆注到鐵模覆砂鑄型中，鐵水充型、凝固和冷卻過程在一個比較理想的條件下完成，最大限度地消除了鑄造缺陷產(chǎn)生的一些因素，從而提高鑄件的質(zhì)量。同時，金屬型沒有退讓性、剛性強(qiáng)，促使鑄件凝固時石墨化膨脹不會造成覆砂層退讓而泄壓，在外層金屬型條件下快速凝固冷卻，從而獲得沒有收縮缺陷的鑄件，尤其在改善和預(yù)防中小型厚大斷面球墨鑄鐵件縮孔縮松問題上具有其他造型方式不具備的優(yōu)越性。本文以一大型厚大輪型回轉(zhuǎn)體鑄件的鐵模覆砂鑄造工藝設(shè)計及生產(chǎn)驗證過程為例，闡述如何利用模擬分析技術(shù)，使用鐵模覆砂工藝生產(chǎn)出高質(zhì)量合格鑄件。

4 典型工藝實例

4.1 鑄件的技術(shù)要求

鑄件為厚大輪型回轉(zhuǎn)體，單重134 kg，材料牌號QT600-3，要求在滿足延伸率的前提下，強(qiáng)度必須達(dá)到750 MPa以上。由于此鑄件要承受動靜載荷，因此要求其具有強(qiáng)度大、韌性好、耐磨損、耐沖擊的性能，鑄件要求100%通過超聲波探傷檢測。為了減少工作面磨損，對繩槽的工作表面的硬度等提出嚴(yán)格的要求，硬度要求為240 HB～270 HB，同一圓周面四點硬度差在15 HB以內(nèi)。為保證鑄件硬度的均一性，還需要對鑄件進(jìn)行熱處理。鑄件結(jié)構(gòu)如圖示1.

圖1 鑄件結(jié)構(gòu)

4.2 鑄造工藝方案

為提高鑄件的質(zhì)量，選用鐵模覆砂工藝代替普通砂型，考慮到鐵型對鐵液的強(qiáng)制激冷作用，在工藝設(shè)計上遵循薄壁處先凝固、厚大熱節(jié)處利用鐵型冷卻較快的優(yōu)點，使鐵液在充型過程中及充型結(jié)束后的初期冷卻中提早完成部分液態(tài)和凝固收縮，及時從未凝固的澆注系統(tǒng)和發(fā)熱冒口中獲取補縮液量，與此同時又可借助鐵型剛度較高的有利條件，在鑄件凝固后期充分利用石墨化膨脹進(jìn)行自補縮。

對鑄件結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)鑄件壁厚差異比較大，薄壁處15 mm，厚壁處85mm.從縮松縮孔形成的原理分析，消除鑄件的縮松、縮孔的關(guān)鍵是克服小模數(shù)薄壁分體的阻隔作用，保持補縮通道的暢通，為此依據(jù)鑄造生產(chǎn)的實際經(jīng)驗設(shè)計了2種工藝方案，并對其進(jìn)行計算機(jī)模擬分析和試驗驗證。

4.2.1 鑄造工藝方案一

澆注系統(tǒng)采用從鑄件法蘭圓周切向進(jìn)水的方式，配合使用冷鐵和熱冒口對鑄件進(jìn)行補縮處理。工藝方案如圖2所示

利用均衡凝固原理，通過在熱節(jié)處放置冷鐵，降低熱節(jié)模數(shù)提高冷卻速度，盡可能使鑄件壁厚趨于一致，利用凝固過程中的石墨膨脹實現(xiàn)自補縮。

利用鐵模覆砂工藝可實現(xiàn)無冒口鑄造的特點，在鑄件本體上不放置補縮冒口，只是在澆注系統(tǒng)上設(shè)置一定體積的普通熱冒口，既能提高澆注系統(tǒng)的擋渣能力，又能在鑄件凝固過程中提供一定量的液態(tài)金屬對鑄件進(jìn)行補縮。

方案一的鑄造工藝出品率為83.5%.

4.2.2 鑄造工藝方案二

澆注系統(tǒng)采用發(fā)熱冒口在鑄件頂部直澆的方式，并在鑄件上放置三個發(fā)熱冒口，對鑄件熱節(jié)部位進(jìn)行補縮，工藝方案如圖3所示。

鐵液從鑄件頂部通過放置泡沫陶瓷過濾網(wǎng)的直澆冒口均勻、平穩(wěn)地進(jìn)入型腔，不僅能夠保證進(jìn)入型腔的鐵水的潔凈度，澆注系統(tǒng)還能起到補縮冒口的作用，此外在靠近熱節(jié)的位置放置了三個發(fā)熱冒口，對其余部位進(jìn)行補縮。

依據(jù)鑄件預(yù)防產(chǎn)生縮孔縮松的理論研究結(jié)果，結(jié)合長期一線生產(chǎn)的鑄造工作經(jīng)驗，設(shè)計合理的鑄造工藝模型，再利用模擬軟件反復(fù)分析論證，選擇合適的冒口體積、冒口頸尺寸、冒口擺放位置，利用順序凝固的原理，將最后凝固的部位移至冒口，并保持冒口與熱節(jié)處的通道，從而使冒口對熱節(jié)處直接進(jìn)行補縮。

發(fā)熱冒口的設(shè)計原理是通過發(fā)熱材料的化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生熱量，保溫材料減緩熱量損失的雙效結(jié)合，以提高冒口內(nèi)金屬液溫度，延長冒口內(nèi)金屬液的凝固時間，使冒口對鑄件的補縮能力大大提高。通常情況下發(fā)熱保溫冒口的補縮效率可達(dá)到30%～35%.

方案二的鑄造工藝出品率為93.8%.

圖2 工藝方案一

圖3 工藝方案二

4.3 工藝方案模擬分析

基于砂箱、覆砂層厚度等冷卻邊界條件、鑄件材質(zhì)一致的情況下，對設(shè)計的兩種工藝方案做模擬分析。

方案一模擬結(jié)果如圖4所示。從模擬結(jié)果看鑄件中有少量的凝固液相孤立區(qū)域，凝固收縮時將有可能依靠石墨化膨脹來補縮，可能消除縮孔、縮松缺陷。

圖4 方案一模擬結(jié)果

方案二模擬結(jié)果如圖5所示。從模擬結(jié)果看，熱節(jié)與冒口之間的通道一直保持暢通，沒有形成孤立的凝固區(qū)域，使用發(fā)熱冒口在凝固收縮階段，熱節(jié)處的凝固收縮可以從冒口中得到補縮，從而可以消除縮松縮孔。

4.4 鑄件生產(chǎn)

原材料使用冷軋薄板廢鋼，質(zhì)量分?jǐn)?shù)占60%～70%，回爐料使用工廠內(nèi)部回料，質(zhì)量分?jǐn)?shù)占30%～40%，鐵液采用中頻感應(yīng)電爐熔煉，選用卡森科技石墨化增碳劑，預(yù)處理劑，KM-071球化劑，KY-C孕育劑，采用沖入法球化工藝，鑄型采用鐵模覆砂制作。

4.4.1 鑄件化學(xué)成分

根據(jù)化學(xué)元素對球鐵力學(xué)性能及鑄造性能的影響，結(jié)合公司內(nèi)部生產(chǎn)控制工藝，化學(xué)成分控制范圍如表1所示。

表1 化學(xué)成分各元素含量（質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%）

圖5 方案二模擬結(jié)果

4.4.2 球化及孕育處理

球化劑的選用與鐵液有關(guān)，鑄造工藝要求澆注溫度不同選用含鎂量不同的球化劑；原鐵液中含硫量不同，選用含稀土量不同的球化劑。采用感應(yīng)電爐熔煉，鐵液含硫量較低，比較純凈，故選用卡森科技KM-071厚大件專用球化劑。

球化劑的顆粒度選擇主要與一次處理鐵液量有關(guān)，粒度過小，容易粘包，粒度過大，空隙率大，上浮過快，氧化燒損增加，特別是鐵液溫度高時，氧化燒損加劇，吸收率降低。實際生產(chǎn)澆包為500 kg包，選擇5 mm～20 mm粒度的球化劑。

球化處理采用沖入法，球化劑加入質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1.0%～1.6%，球化反應(yīng)時間為 70 s～100 s，出鐵溫度控制在1 520℃～1 580℃，澆注溫度控制在1 340℃～1 420℃，從球化處理完成到澆注結(jié)束時間控制在8 min內(nèi)。

孕育對縮松、縮孔的影響不是單向變化的，提高孕育量也不見得能減少縮松，可以說孕育有一個最佳量，孕育劑加入量過少時，會導(dǎo)致孕育不足并出現(xiàn)白口和硬度過高的現(xiàn)象，但孕育劑加入量過多未必都能熔化，因此可能造成夾渣，增大鑄鐵的收縮量，產(chǎn)生縮孔縮松等缺陷。為提高球鐵的綜合性能，采用爐前對鐵水進(jìn)行預(yù)處理，之后采用大劑量孕育和多級孕育處理工藝，在包內(nèi)放入粒度3 mm～8 mm的KY-C，加入質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.5%～0.9%，澆注時使用卡森科技粒度為0.2 mm～0.7 mm的KY-D隨流孕育劑，粒度集中度均大于80%.

4.4.3 覆砂層厚度及排氣

覆砂層是采用覆膜砂工藝，覆砂層的厚度按照模擬分析的結(jié)果為：澆道部分覆砂層厚度12 mm～15 mm，筋板與輪緣接觸處的覆砂層6 mm～8 mm，其余部位的覆砂層在8 mm～10 mm，整體砂鐵比達(dá)到0.2.

型砂在高溫金屬液的作用下，由于水分蒸發(fā)及有機(jī)物的揮發(fā)、分解和燃燒，在澆注過程中會產(chǎn)生大量的氣體，當(dāng)砂芯排氣不暢時，這些氣體會侵入到金屬液中，使鑄件產(chǎn)生氣孔缺陷。此外，排氣嚴(yán)重不暢時，還會出現(xiàn)澆不足、抬箱等問題。因此在上下箱都要預(yù)留出一定的排氣孔，增加型腔的排氣。

4.4.4 冒口的選擇

采用模數(shù)計算法，粗略估計冒口的大小規(guī)格尺寸，再利用模擬軟件分析測試，選擇最適合鑄件的冒口體積和擺放位置，在避免鑄件出現(xiàn)縮松、縮孔缺陷，確保鑄件質(zhì)量的同時，還要提高鑄件出品率，實現(xiàn)冒口最大補縮率，以降低鑄造生產(chǎn)成本。

冒口設(shè)在鑄件熱節(jié)上、冒口頸適當(dāng)厚大有利于延長補縮時間，增加進(jìn)鐵量，增大鑄件材料含量和膨脹量，并有利于最后凝固區(qū)移入冒口，有利于防止縮孔、縮松[8]。

用于做頂注澆注系統(tǒng)的冒口在保證有一定的高溫強(qiáng)度的情況下，還需要有一定的保溫效果，保證頂注冒口中的鐵水在內(nèi)澆口凝固前始終保持液態(tài)，形成向冒口方向擴(kuò)展的補縮通道。

為得到最佳的補縮效率，保證冒口有一定的補縮壓力，首先考慮暗冒口。

4.5 生產(chǎn)驗證

4.5.1 方案一生產(chǎn)結(jié)果

按照方案一生產(chǎn)鑄件，解剖后發(fā)現(xiàn)鑄件中有不能消除的縮松問題，分析主要的原因為：鑄件型腔總是有鐵液進(jìn)口和出口（澆道、冒口、氣眼等），在液態(tài)冷卻期間，型腔尚未封閉，但是已有部分的石墨在液相中成核并不斷長大，這種先共晶石墨析出引起的過早的膨脹不但起不到補縮作用，反而會將鐵液擠出型腔，妨礙補縮鐵液進(jìn)入鑄件而引起縮松。此外如果在后期凝固時產(chǎn)生的石墨化膨脹小于凝固收縮，那么在熱解最后凝固處將得不到補縮，從而產(chǎn)生縮孔、縮松缺陷。解剖結(jié)果如圖6所示。

圖6 方案1解剖厚大處縮松缺陷

4.5.2 方案二生產(chǎn)結(jié)果

按照方案二生產(chǎn)鑄件，根據(jù)顧客要求在鑄件本體上取樣檢測抗拉強(qiáng)度和延伸率，在本體法蘭面不同部位檢測四點硬度，機(jī)械性能檢測結(jié)果如表2所示。

表2 鑄件本體機(jī)械性能

按照公司質(zhì)檢部門制定的品質(zhì)評價方案，對實際生產(chǎn)的鑄件在100%做完超聲檢測后，進(jìn)一步做解剖著色檢測，檢測結(jié)果見圖7，7a）為頂部單獨放置發(fā)熱冒口的筋板解剖結(jié)果，7b）為用直澆口杯做冒口的筋板解剖結(jié)果，從結(jié)果看鑄件內(nèi)部組織致密，沒有缺陷，完全滿足顧客需求。

圖7 方案二解剖著色檢測結(jié)果

取鑄件本體熱節(jié)部位（筋板和圓周連接部位）做金相檢測，結(jié)果見圖8，球化率＞90%，球化等級2級，石墨大小6～7級，珠光體組織＞85%，滿足顧客要求。

圖8 厚大部位本體金相檢測結(jié)果

5 結(jié) 論

1）對于壁厚均勻的中小型鑄件，鐵模覆砂工藝可實現(xiàn)無冒口鑄造，但是在厚大斷面尤其是壁厚差異比較大的產(chǎn)品，僅僅利用鐵模覆砂工藝鐵型對鐵液的強(qiáng)制激冷作用和在鑄件凝固后期充分利用石墨化膨脹進(jìn)行自補縮作用，并不能夠解決縮孔縮松問題，需要借助外部的強(qiáng)力補縮。

2）無論是均衡凝固理論還是順序凝固理論，都有其適用的產(chǎn)品類型，在實際的鑄造工藝設(shè)計上不能一概而論，不能非此即彼。往往為了得到合格鑄件，在工藝設(shè)計上既使用均衡凝固理論又使用順序凝固理論，這就需要工藝設(shè)計者具有良好的技能素質(zhì)。

3）通過精準(zhǔn)分析，建立合適的鑄造工藝模型，利用先進(jìn)的模擬分析技術(shù)，使用高質(zhì)量發(fā)熱保溫冒口，合適的合金材料和球化孕育處理工藝，采用鐵模覆砂鑄造工藝生產(chǎn)出各項指標(biāo)均高于技術(shù)要求的合格鑄件，降低澆注重量和廢品率，提高工藝出品率，降低鑄造生產(chǎn)成本，創(chuàng)造更高的效益。