高強度厚大斷面灰鐵軸承座縮孔問題的工藝改進

（廣東荻賽爾機械鑄造股份有限公司，廣東 梅州 514600）

高強度厚大斷面灰鐵軸承座產(chǎn)品是給排水能源動力系統(tǒng)的重要零部件之一，同時也是一種非常典型的厚壁灰鐵件，主體壁厚為80 mm，最小壁厚30 mm，底座面壁厚250 mm，鑄件單重4 000 kg，材料牌號為HT300，不允許有氣孔、裂紋、夾砂、縮松缺陷。

1 產(chǎn)品結(jié)構(gòu)特點

產(chǎn)品具體結(jié)構(gòu)如圖1 所示，底座面整體壁厚為250 mm，圓弧面最小部位壁厚為30 mm，其余圓弧面壁厚為80 mm，具有壁厚相差懸殊、底座面壁厚大的結(jié)構(gòu)特點，容易產(chǎn)生以下鑄造缺陷：1）鑄件在冷卻過程中降溫不均勻、鑄造應力大，容易在圓角、壁厚交接處產(chǎn)生裂紋缺陷；2）壁厚嚴重不均勻，鐵水補縮困難，造成厚壁部位縮孔難以解決；3）厚壁部位冷卻緩慢使金相組織變差，出現(xiàn)粗大石墨等鑄造缺陷。關(guān)鍵加工面為圖示內(nèi)圓孔及軸座端面，其次為厚大面頂部。

圖1 軸承座三維鑄件圖

2 原生產(chǎn)工藝

該鑄件采用樹脂砂手工造型進行生產(chǎn)，為了保證鑄件關(guān)鍵加工面（內(nèi)圓面、軸座端面及底座面）的質(zhì)量，工藝設(shè)計方案如圖2 所示，分型面位于厚大面頂面，鑄件整體位于上箱，厚大加工面位于鑄造底面，軸承端面位于鑄造側(cè)面。采用封閉式澆注系統(tǒng)比例為F直∶F橫∶F內(nèi)=1∶1.8∶0.85，側(cè)面上/下部同時進流；厚大加工面位置放置冷鐵，頂面如圖設(shè)計鴨嘴補縮冒口；熔煉成分控制如表1 所示，澆注溫度控制在1 320 ℃～1 340 ℃之間。

圖2 原有工藝方案圖

表1 軸承座鐵水成分表（質(zhì)量分數(shù)，%）

3 缺陷類型及原因分析

按照以上工藝連續(xù)生產(chǎn)6 件產(chǎn)品，其中有4 件在頂面冒口根部及冒口附近出現(xiàn)集中縮孔、縮裂缺陷，造成鑄件報廢，如圖3 所示。

圖3 鑄件缺陷圖

按照以上缺陷進行原因分析：1）由于鑄件厚大加工面位于下箱，雖然厚大加工面夾渣/砂缺陷風險小，但是由于厚大面壁厚達到250 mm，鐵水在凝固過程中需要大量的液態(tài)補縮量，頂面冒口距離遠，凝固后期補縮量不足，容易導致冒口根部縮孔；2）直澆道距離鑄件過近熱影響嚴重，致使鑄件該部位長時間處于加熱狀態(tài)而最后凝固，出現(xiàn)縮孔縮裂缺陷。

4 工藝改進

為了降低廢品率、提高工藝穩(wěn)定性，根據(jù)鑄件結(jié)構(gòu)特點重新設(shè)計工藝：1）分型面不變，厚大加工面調(diào)整為鑄造頂面，軸承端面位于鑄造側(cè)面，實現(xiàn)鐵水的順序凝固；2）將直澆道與鑄件之間的距離增大到200 mm，采用封閉式澆注系統(tǒng)，比例為F直∶F橫∶F內(nèi)=1∶1.5∶0.85，從軸承端面進流；3）為了加快厚大面冷卻，頂面鋪設(shè)直冷冷鐵，其厚度大于120 mm，降低縮松傾向，避免加工面產(chǎn)生粗大石墨；4）頂面冒口避免放置在鑄件熱節(jié)最大的部位，防止冒口根部接觸熱節(jié)過大，產(chǎn)生冒口根部縮松；5）由于該工藝薄壁位置位于下箱，澆注過程中先進流，因此可以進一步降低澆注溫度，減小鑄件的液態(tài)收縮量，而不會因為澆注溫度降低鐵水流動性差造成冷隔缺陷，因此對澆注溫度進一步降低調(diào)整為1300 ℃～1 320 ℃之間；6）對鐵水成分進行調(diào)整，為了保證材料的性能指標，降低凝固過程中的縮松傾向，碳當量由原來的3.66%調(diào)整到3.85%，Cu 質(zhì)量分數(shù)由原來的0.48%調(diào)整到0.58%，改進的鑄造工藝如圖4所示，并對新工藝進行MAGMA 模擬驗證。

圖4 改進后工藝方案及模擬結(jié)果

5 MAGMA 模擬優(yōu)化改進

按照改進工藝模擬完成后發(fā)現(xiàn)，中間4 個冒口還是由于接觸熱節(jié)過大，仍然有冒口根部及其附近出現(xiàn)縮孔的風險，模擬結(jié)果見圖4b）.按照模擬結(jié)果，制定了改進方案：取消中間四個鴨嘴冒口，在遠離直澆道一端放置壓邊冒口，既提供了補縮量，又避開了鑄件熱節(jié)部位，其余4 個鴨嘴冒口，修改冒口頸尺寸，進一步降低冒口接觸熱節(jié)，優(yōu)化后方案如圖5a）所示。

圖5 優(yōu)化后工藝方案及模擬結(jié)果

圖5b）為進一步改進方案后模擬結(jié)果。結(jié)果表明：由于頂面厚大液態(tài)補縮距離長，因此將中間冒口取消，改為側(cè)面壓邊冒口，補縮效果沒有變化，徹底解決了冒口根部接觸熱節(jié)大，凝固慢，產(chǎn)品出現(xiàn)縮孔的問題，在石墨化膨脹之前，壓邊冒口徹底凝固，模擬結(jié)果合格。

6 效果分析

按照改進方案，首批生產(chǎn)2 件全部合格，然后投入小批量生產(chǎn)，累計生產(chǎn)30 件無廢品，鑄件加工完成后合格無缺陷，如圖6 所示。表2 為合格軸承座金相/性能指標。

圖6 合格鑄件及加工圖

表2 軸承座金相/性能指標

7 結(jié)論

針對高強度厚大斷面灰鐵類軸承座，由于鐵水牌號高、壁厚大，鑄件收縮傾向加大，工藝設(shè)計時必須綜合鑄件結(jié)構(gòu)，考慮澆注位置，以及采用必要的補縮冒口和放置合適的冷鐵，總結(jié)如下：

1）壁厚相差較大的灰鐵產(chǎn)品，選擇澆注位置時，必須根據(jù)鑄件結(jié)構(gòu)重點考慮鐵水在凝固過程中的補縮，兼顧重要加工面，使得凝固過程中補縮更加合理。

2）厚大灰鐵件，由于鑄件模數(shù)較大，凝固時間長，工藝設(shè)計時需要綜合考慮其余鑄造缺陷的發(fā)生風險。

3）對于厚大斷面灰鐵件，冒口設(shè)計時要重點考慮冒口的類型以及冒口的位置選擇，盡量避開鑄件熱節(jié)部位，降低冒口頸位置的接觸熱節(jié)，避免冒口根部長時間過熱產(chǎn)生縮松或者金相不合格缺陷。

4）針對高牌號灰鐵的縮松問題，從鑄造工藝與熔煉工藝方面進行綜合考慮，增加工藝的穩(wěn)定性。