實(shí)型鑄造用鑄鐵澆口杯的實(shí)踐

徐永青，耿曉明

（成都淏泰金屬制品有限公司，四川成都 610036）

在傳統(tǒng)的空腔鑄造中，小型鑄件（≤2 t）的澆口杯大多為漏斗形，這種漏斗形澆口杯的大口直徑一般為小口直徑的2 倍以上。中型鑄件（2 t～5 t）的澆口杯使用樹脂砂做成盆形，也有大件（≥5 t）澆口杯做成盆型且中間設(shè)置擋渣板的，根據(jù)各個(gè)公司的產(chǎn)品不同以及生產(chǎn)條件不同等原因，澆口盆設(shè)計(jì)的尺寸不盡相同，材料也各異。以上這幾種澆口盆一般都是單獨(dú)做出后再置于鑄型的上面[1]。

消失模實(shí)型鑄造的充型規(guī)律與傳統(tǒng)的空腔鑄造相比是有很大區(qū)別的。由于泡沫遇高溫鐵水分泡沫軟化、泡沫液化和泡沫氣化三個(gè)階段，其三個(gè)階段消耗大量的熱量并極短時(shí)間產(chǎn)生大量氣體及碳渣等。隨著前期進(jìn)入型腔鐵液的溫度降低和產(chǎn)生氣體壓力的作用，金屬液充型速度比較慢。通過試驗(yàn)數(shù)據(jù)可知，在澆注系統(tǒng)和金屬液壓力頭等工藝參數(shù)基本相同的條件下，消失模實(shí)型鑄造的金屬液流動(dòng)速度僅為空腔鑄造的1/3 左右[2]。根據(jù)傳熱學(xué)的基本原理，流速越慢，溫度損失就越嚴(yán)重。

消失模實(shí)型鑄造的澆注要求之一就是大流量快速澆注。這樣做的目的只有一個(gè)：建立足夠的壓頭以保證高溫鐵水流速和充型速度從而保證短時(shí)間內(nèi)補(bǔ)充的高溫金屬液在充型過程中的前沿總是靠近正在氣化中的泡沫模樣，保證泡沫塑料的充分氣化。因此必須設(shè)置大容量的澆口杯，以確保澆注和維持穩(wěn)定的金屬液壓頭。

1 用樹脂砂澆口杯存在的問題

某司使用消失模實(shí)型鑄造工藝生產(chǎn)鑄鐵件時(shí)使用的澆口杯是用樹脂砂制作，如圖1 所示，硬化后刷涂醇基快干涂料，直澆道使用成型陶瓷管，澆口杯安放后再用少量砂子填補(bǔ)陶瓷管外面的縫隙。

這種澆口杯存在的問題：

(2)加強(qiáng)部門設(shè)置，遵循專業(yè)表決。 地方國(guó)有平臺(tái)公司需要完善部門的設(shè)置，在明確各類業(yè)務(wù)事項(xiàng)分類、責(zé)任歸屬的基礎(chǔ)上，施行定崗定編機(jī)制，由各部門負(fù)責(zé)部門業(yè)務(wù)的決策表決，做到‘專業(yè)人表專業(yè)事’，同時(shí)公司要明確牽頭組織，在進(jìn)行重大決策期間，要以財(cái)務(wù)部門、法務(wù)部門和內(nèi)控部門的意見為主要參考意見。

1）規(guī)格不統(tǒng)一，澆口杯容量不一。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)統(tǒng)計(jì)，澆口杯容量差最大達(dá)900 kg；

2）澆口盆內(nèi)直澆管的凸出高度和實(shí)際技術(shù)要求不容易統(tǒng)一，無法保證統(tǒng)一的合乎要求的金屬液靜壓頭。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際測(cè)量，壓頭高度相差最大達(dá)到200 mm.為了滿足進(jìn)水平穩(wěn)的要求，工人使用敲擊破碎陶管的方法來保證陶管管口與澆口杯底面的距離。

3）砂子使用量大，工人勞動(dòng)強(qiáng)度大。圖1 所示的澆口盆為了保證有足夠的強(qiáng)度需要把底部和四周的厚度加大，所以需要用更多的自硬砂，根據(jù)測(cè)算每個(gè)澆口杯需使用砂子300 kg～600 kg.同時(shí)砂子還需要一定的時(shí)間來固化，單制作樹脂砂澆口杯就需要耗用時(shí)間1 h 左右。

圖1 樹脂砂制作的澆口杯

4）模具開發(fā)和維護(hù)成本高，需要單獨(dú)開發(fā)木模模型產(chǎn)生費(fèi)用，使用時(shí)維護(hù)保養(yǎng)也要產(chǎn)生費(fèi)用。

5）直澆道與澆口盆所帶澆口不容易準(zhǔn)確對(duì)接

6）澆口杯回用困難。使用過后的砂澆口杯需要轉(zhuǎn)移至落砂工序，落砂后才可以回用。

2 鑄鐵澆口杯的設(shè)計(jì)與應(yīng)用

針對(duì)上述問題進(jìn)行了工藝改進(jìn)，試制了一批鑄鐵澆口杯，如圖2 所示。根據(jù)澆注重量的不同，設(shè)計(jì)了大小兩種不同的規(guī)格。為了保證良好的導(dǎo)熱、散熱及足夠的自冷卻，壁厚設(shè)計(jì)為80 mm～100 mm.足夠的壁厚可使外部未接觸鐵水的部位充當(dāng)鐵水接觸面的冷鐵和散熱器，并保證高溫時(shí)有足夠的強(qiáng)度。

圖2 鑄鐵澆口杯

鑄鐵澆口杯使用工況：在3 mm～5 mm 涂料層的隔離作用下承接澆注時(shí)1 380 ℃～1 450 ℃的高溫鐵水，持續(xù)時(shí)間約20 min～30 min.澆注鑄鋼件時(shí)則在內(nèi)表層涂刷鑄鋼專用涂料，以提高耐火度及耐沖刷性。

表1 澆口杯規(guī)格尺寸

鑄鐵澆口杯使用方法：無論是使用紙塑澆管[3]還是陶瓷澆管，都可以按照?qǐng)D3 所示進(jìn)行操作。直澆管的高度為恒定值（技術(shù)要求數(shù)據(jù)）。在蓋箱埋砂完成后，將鑄鐵澆口杯放置在直澆管位置。放置適量的砂子將底部做成凹形，這樣露出蓋箱的直澆管高度不受砂箱高度的影響，在制作時(shí)只要保證砂子面與直澆管最高點(diǎn)的高度差為30 mm～50 mm 即可。在干燥硬化后的砂子表面涂刷醇基快干涂料點(diǎn)燃干燥后既可以使用。為了防止?jié)部谂璧撞勘桓邷罔F液沖破造成散砂進(jìn)入產(chǎn)品的情況的發(fā)生，可以在金屬液沖入方向放置耐火磚。

圖3 鑄鐵澆口杯的安放示意圖

鑄鐵澆口杯的優(yōu)點(diǎn)：

1）規(guī)格統(tǒng)一，澆口杯的容量為定值，可以根據(jù)箱內(nèi)產(chǎn)品的澆注重量選擇相應(yīng)的型號(hào)；

2）直澆管的高度為定值，澆口杯內(nèi)液面保持同一水平，保證了充型的平穩(wěn)和穩(wěn)定的壓力頭；

3）澆口杯容量足夠大，能滿足消失模實(shí)型鑄造所需要的大流量澆注，防止鐵水反噴，提高操作安全性；

4）生產(chǎn)效率高，取消了砂制澆口杯的制作時(shí)間及硬化時(shí)間，澆注完成后，將澆口杯吊起即可再次使用，不用經(jīng)過砂處理系統(tǒng)；

5）省去澆口盆的模型成本；

6）不存在澆口盆內(nèi)直澆道與產(chǎn)品直澆道對(duì)接不準(zhǔn)的情況。

3 鑄鐵澆口杯的材質(zhì)選擇

普通灰鐵澆口杯在承受熱沖擊時(shí)會(huì)發(fā)生石墨生長(zhǎng)，普通鑄鐵在高溫下的體積增大量可高達(dá)8%～10%，體積長(zhǎng)大會(huì)使鑄鐵的力學(xué)性能下降。

鑄鐵組織中的碳化物（包括先共晶碳化物，共晶碳化物，共析碳化物以及二次碳化物）在高溫下發(fā)生分解，析出二次石墨，二次石墨會(huì)使鑄件出現(xiàn)不可逆轉(zhuǎn)的體積膨脹，據(jù)測(cè)算，碳化物每分解出1%的碳，鑄件體積大約增加2.0%～2.4%，鑄件外形尺寸相應(yīng)增大。

鑄鐵的生長(zhǎng)分三種情形。

1）低于相變溫度的生長(zhǎng)：又稱低溫生長(zhǎng)，發(fā)生在400 ℃～600 ℃范圍內(nèi)，生長(zhǎng)機(jī)制是珠光體分解為鐵素體和石墨。石墨的析出是體積膨脹的過程。理論上，1%的化合物碳轉(zhuǎn)變?yōu)槭?，其體積要增大2.4%左右，而鐵素體的析出則使鑄件力學(xué)性能下降。因此鑄鐵的低溫生長(zhǎng)與珠光體的分解密切相關(guān)。溫度越高，越接近相變溫度，鑄鐵的生長(zhǎng)量越大，同樣珠光體的穩(wěn)定性越差，珠光體的分解量越大，鑄鐵的生長(zhǎng)量也越大。

2）在相變溫度范圍內(nèi)的生長(zhǎng)：如果鑄鐵將在相變溫度范圍內(nèi)生長(zhǎng)，并不斷通過相變溫度范圍，使鑄鐵周期性發(fā)生相變，會(huì)導(dǎo)致相當(dāng)大的災(zāi)難性生長(zhǎng)。

3）高于相變溫度的生長(zhǎng)：高于相變溫度時(shí)，氧化將會(huì)非常嚴(yán)重，氧化導(dǎo)致的鑄鐵不可逆體積增大將占主導(dǎo)地位[4]。

在實(shí)踐中已經(jīng)發(fā)現(xiàn)：多次使用的澆口杯在受到高溫鐵水的熱沖擊及冷卻多次循環(huán)后，出現(xiàn)凹坑等破壞現(xiàn)象，如圖4 所示。對(duì)已經(jīng)報(bào)廢的澆口杯進(jìn)行取樣分析，如圖5 所示。從圖中可以看到片狀石墨已經(jīng)生長(zhǎng)成粗條片狀，有的位置已經(jīng)出現(xiàn)了空洞。這種空洞是不可彌補(bǔ)的，必將會(huì)導(dǎo)致鑄件力學(xué)性能的下降。鑄鐵在加熱時(shí)，α 轉(zhuǎn)變?yōu)棣?，由于石墨不斷的溶于?內(nèi)，在原石墨處就會(huì)留下微觀空洞，隨著溫度的升高，溶入的石墨越來越多，留下的微觀空洞也就越多；而在冷卻過程中γ 又不斷地析出石墨，此石墨沿原空洞處析出的可能性很小，結(jié)果再次造成因石墨析出而發(fā)生的體積膨脹，這種膨脹是不可逆的。

圖4 受高溫鐵水沖刷而產(chǎn)生的破壞

圖5 普通灰鑄鐵在多次熱沖擊后發(fā)生生長(zhǎng)100X

為此，選擇試驗(yàn)了多種不同的材質(zhì)[5-7]：耐熱鑄鐵RTCr2，中硅耐熱球鐵RQTSi5 和中硅耐熱蠕鐵。假定普通HT250 的使用壽命為1，RTCr2 可達(dá)1.5～2，中硅耐熱蠕鐵2～3，中硅耐熱球鐵2～3.需要注意的是RTCr2 材質(zhì)易裂，在多次的冷熱交替循環(huán)中，會(huì)產(chǎn)生微小的縱向裂紋，隨著裂紋的擴(kuò)散，最終會(huì)導(dǎo)致開裂失效。

由于此工件為自用工裝，中硅耐熱蠕鐵和中硅耐熱球鐵成本高，體現(xiàn)不出其優(yōu)越性，故僅選擇了價(jià)格低廉的HT250 改良材質(zhì)，具體成分見表2，制作的澆口杯壽命在100～150 次左右。

表2 材質(zhì)具體成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%）

4 結(jié)論

鑄鐵澆口杯代替樹脂砂澆口杯優(yōu)點(diǎn)如下：

1）使用鑄鐵澆口杯代替樹脂砂澆口杯可以提高生產(chǎn)效率，降低生產(chǎn)成本；

2）使用鑄鐵澆口杯可以保證工藝參數(shù)的波動(dòng)最小，有利于提高產(chǎn)品質(zhì)量；

3）使用鑄鐵澆口杯可以保證大容量大流速澆注，防止?jié)沧⑦^程中反噴，提高了生產(chǎn)安全性；

4）此類澆口杯可以通過調(diào)整內(nèi)表層刷涂的涂料，滿足鑄鐵、鑄鋼等多種不同材質(zhì)的生產(chǎn)，提高了生產(chǎn)的靈活性；

5）在滿足性能的前提下，選擇成本最低的材質(zhì)，可以有效節(jié)約成本。

通過生產(chǎn)驗(yàn)證，用鑄鐵澆口杯代替樹脂砂澆口杯后完全滿足目前的生產(chǎn)需求。其他廠家可以在考慮自身生產(chǎn)條件的情況下選擇使用不同規(guī)格的鑄鐵澆口杯。