殼體渣孔的產(chǎn)生原因及解決方案

魏天平

（湖北洪伯金福源機(jī)械鑄造有限公司,湖北襄陽 441700）

1 鑄件介紹

轉(zhuǎn)向機(jī)殼體，材質(zhì)為球鐵，產(chǎn)品形狀如圖1，重量25kg 左右。使用靜壓線生產(chǎn)，采用覆膜砂熱芯以及喂絲球化工藝處理。6 件/模，模重230kg，澆注時(shí)間20～25s，澆注溫度1380～1400℃，初始工藝如圖2。阻流設(shè)置在進(jìn)入冒口的內(nèi)澆道部位，F(xiàn)阻=336mm2，F(xiàn)橫=1972mm2，F(xiàn)直=2826mm2，F(xiàn)內(nèi)=640mm2，F(xiàn)直:∑F橫:∑F阻：F頸=1.4:1：1：1.9。同時(shí)在直澆道底部放置泡沫陶瓷過濾網(wǎng)，考慮到類似鑄件容易出現(xiàn)冷隔和氣孔，特意把直澆道加大。澆注結(jié)果：鑄件渣孔缺陷100%，全部集中于冒口頸入水口下方，長條狀，深度1～3mm，如圖3、4。

圖1 鑄件結(jié)構(gòu)

圖2 澆注系統(tǒng)

圖3 鑄件冒口頸入水口渣眼

2 初始工藝改進(jìn)

30×倍顯微鏡下渣孔如圖4，分析渣孔來源于兩個(gè)方面：鐵水渣沒扒干凈，澆注系統(tǒng)沒有擋住鐵水中的浮渣；流經(jīng)冒口頸部位的鐵水沖到砂芯后鐵水反彈飛濺形成的氧化膜粘附于型壁上。通過CAE 軟件模擬，確實(shí)發(fā)現(xiàn)橫澆道流速過快（1000mm/s～2000mm/s），冒口頸處有鐵水飛濺,見圖5。

圖4 渣眼放大30×

圖5 入水口下方鐵水飛濺

為此，將改進(jìn)方向放在減小內(nèi)澆道（阻流）面積上，目的是降低鐵水流速減緩飛濺；將內(nèi)澆道改成薄板擋渣，并將鐵水引入另外一個(gè)內(nèi)澆道，目的也是降低進(jìn)入鑄件的鐵水流速。

將內(nèi)澆道42mm×8mm 改為42mm×3mm；將冒口頸32mm×14mm 改為豎直的32mm×10mm，且橫澆道采用薄板82mm×（13+7）mm 搭接。

澆注結(jié)果顯示，渣孔僅僅有減小趨勢(shì)，但是并沒有完全消除，見圖6、7。

圖6 渣孔放大圖

圖7 渣孔放大圖

3 深層原因分析

解決渣孔的有效方法是采用底注方式、層流方式和提高溫度，但是因?yàn)樯a(chǎn)條件、成本和鑄件結(jié)構(gòu)原因，改變澆道位置或鐵水流動(dòng)速度以及提高澆注溫度是不可行的。采取徹底的措施之前，我們要分清造成渣孔的主要原因是冒口頸鐵水飛濺還是澆注系統(tǒng)撇渣能力不夠。為此，使用EDX 和SEM進(jìn)行分析。

從SEM結(jié)果看，渣孔形狀不規(guī)則，輪廓清晰，邊沿沒有石墨球，有一些片狀石墨，見圖8。

從EDX 分析結(jié)果來看，MgO、SiO2較多，F(xiàn)eO相對(duì)少一些。確認(rèn)這是球鐵上常見的所謂“黑渣”，是球化后鐵水中渣滓隨澆道流入型腔，而不是鐵水飛濺造成的氧化膜渣。見圖9。

圖9 渣孔EDS 分析圖

熔化或轉(zhuǎn)包過程中，鐵水中的O 生成的大量SiO2-MnO-Al2O3低熔點(diǎn)硅酸鹽氧化物，球化處理時(shí)又與球化劑中Mg、Al、Ca、Ti、Ce 等，生成MgO、CaO、Al2O3、MgS等氧化物。在鐵水溫度低于1350℃時(shí)，生成“塊狀渣（一次渣）”，渣成分中MgO、SiO2、MnO、Al2O3居多。鐵水溫度高于1450℃時(shí)，生成氧化膜，氧化膜進(jìn)入鑄件，溫度降低，在鑄件上形成“線狀渣（二次渣）”，此時(shí)FeO、MgO、CaO、CeO 居多[3]。這些硅酸鹽非金屬氧化物，既有球化脫氧產(chǎn)生的內(nèi)生夾渣物，又有鐵水被大氣氧化產(chǎn)生的外來夾渣物[2]。本例中MgO、SiO2、MnO、Al2O3居多，可以判定是澆注溫度低時(shí)產(chǎn)生的低熔點(diǎn)硅酸鹽氧化渣（一次渣），主要不是氧化膜。

金相中明顯看到石墨畸變或沒有石墨球，是因?yàn)镕eO 與Mg、Ce、Al 作用，消耗了球化元素。如果是FeO 居多，F(xiàn)eO 與游離石墨C 反應(yīng)，生成CO，在缺陷上應(yīng)該有C 膜，圖8、9 中無碳膜。

圖8 渣孔部位電鏡掃描圖（EDX）

以上分析結(jié)果表明，鑄件渣孔來源于鐵水中的氧化渣和球化渣（一次渣），原因在于鐵水太臟，扒渣不干凈，澆注溫度偏低，澆注系統(tǒng)紊流不具備憋渣能力。

4 工藝改進(jìn)

現(xiàn)有澆注溫度1380～1400℃，考慮到鑄件不允許出現(xiàn)任何縮孔縮松，故不能繼續(xù)提高澆注溫度。目前回爐料帶砂嚴(yán)重，暫時(shí)沒有回爐料拋丸機(jī)，球化包、澆注包2 天換一次，扒渣劑使用國產(chǎn)材料，導(dǎo)致鐵水中和鐵水球化后的渣，很大部分在澆注時(shí)隨鐵水流進(jìn)入型腔，所以只能從澆注系統(tǒng)方面采取措施。因?yàn)槌跏脊に嚍榱斯?jié)約成本，僅僅在直澆道底部采用了一片陶瓷過濾網(wǎng)，但是過濾網(wǎng)的這種放置方式不是最優(yōu)方式，所以必須重新考慮。

泡沫陶瓷過濾網(wǎng)的選擇和計(jì)算：鐵水靜壓頭350mm，選用10PPi，充型時(shí)間15+5=20（s），計(jì)算F橫=1885mm2，過濾片面積=F橫×（4～6），必須采用2片過濾網(wǎng)，取尺寸100×100+70×70=14900（mm2），有效過濾面積取75%，實(shí)際過濾面積11175m2。

過濾器面積復(fù)核：澆注速度210kg（全模重）/20s=10.5kg/s，過濾器最小面積=澆注速度/孔徑流速因子（球鐵10PPI 取0.001kg/（s·mm2））=10500 mm2，過濾網(wǎng)面積選擇合適。

為避免鐵水經(jīng)過過濾后再次產(chǎn)生紊流而二次氧化，必須采用全開放澆注系統(tǒng)（見圖10），澆注系統(tǒng)面積比例F直：∑F橫：∑F內(nèi)：F頸=1:1.1:1.2：1.9。

圖10 全開放澆注系統(tǒng)

采用改進(jìn)后的方案澆注的鑄件，進(jìn)入鑄件的澆道和冒口部位沒有任何渣孔（圖11），鑄件外觀100%合格（圖12），完全達(dá)到客戶最嚴(yán)格的要求。

圖11 鑄件澆道無渣眼

圖12 鑄件外表無渣眼

5 結(jié)論

（1）鐵水回爐料沒有拋丸，球化渣沒有拔干凈，聚渣劑不良，澆注包清理不及時(shí)的情況下，采用一般的擋渣方式，殼體類鑄件容易產(chǎn)生“塊狀渣（一次渣）”。

（2）泡沫陶瓷過濾網(wǎng)直接放在直澆道低下，對(duì)于殼體類鑄件，由于壁厚、結(jié)構(gòu)和澆注量大的原因，不能完全擋住一次渣。

（3）采用EDX 和SEM 分析，能有效區(qū)分“一次塊狀渣”和“二次氧化渣”。

（4）依據(jù)鐵水量、澆注時(shí)間、澆注速度，精確計(jì)算泡沫陶瓷過濾網(wǎng)面積，并采用全開放式澆注系統(tǒng)，避免鐵水流動(dòng)速度過大再次產(chǎn)生二次氧化渣，可以有效徹底的消除渣眼。