采用强冷工艺生产厚大断面球铁花盘铸件

作者：信息来源:模具 2008-6-19

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图1铸件结构简图Fig。1Sketch map of casting 1验收标准铸件外观要符合JB 3997-85技术标准。2工艺分析因该件尺寸大，精度要求高，需用卡板控制主要尺寸。该件属厚大断面球铁件，需采取强冷工艺。...

图1　铸件结构简图
Fig.1　Sketch map of casting

1　验收标准

　　铸件外观要符合JB 3997-85技术标准。化学成分、机械性能、金相组织符合GB 1348-88球铁件标准。

2　工艺分析

　　因该件尺寸大，精度要求高，需用卡板控制主要尺寸。该件属厚大断面球铁件，需采取强冷工艺。依据均衡凝固理论设计浇冒口系统。为保证铸件质量，延缓球化衰退时间，采用自行研制的Y-Mg系球化剂。

3　工艺设计

3.1　一般工艺数确定
　　线收缩率，木模放尺10％。加工余量，底面+12 mm，侧面(外圆)+15 mm,顶面+50 mm。一切外露砂型硬度必须不小于90单位，铸型铅粉厚度1.3～1.7 mm,铸型残余水分要小于0.25％。
3.2　砂种的选择　　铸型为粘土砂、碳素砂，泥芯为自硬砂，挂砂冷铁用专用砂。
3.3　铸型尺寸的控制　　采用3种专用卡板控制主轴孔、4个卡爪及外圆尺寸。
3.4　强制冷却工艺　　为提高冷却速度，缩短共晶凝固时间，采取挂砂冷铁和风冷2种冷却措施。
　　①挂砂冷铁激冷
　　因该件整体都属厚大断面，所以在铸型的所有表面都放置挂砂冷铁。在上下表面放厚170 mm的冷铁。用432 mm×140 mm的冷铁放在铸件的周边。冷铁对铸件的表面覆盖高达94％(见图2)。冷铁总质量为9 211 kg，平均厚度为400 mm。与铸件毛坯质量比为9 211∶10 500=1∶1.14，厚度比为400∶512=1∶1.28。
　　②风冷
　　对铸型风冷1种安全有效的激冷措施。其方法是在下箱铸型底面冷铁的下面设置1个2 450 mm×150 mm(有效通风尺寸)螺旋结构的铸铁风箱，见图2。

图1　铸件结构简图
Fig.1　Sketch map of casting

1　验收标准

　　铸件外观要符合JB 3997-85技术标准。化学成分、机械性能、金相组织符合GB 1348-88球铁件标准。

2　工艺分析

3　工艺设计

3.1　一般工艺参数确定
　　线收缩率，木模放尺10％。加工余量，底面+12 mm，侧面(外圆)+15 mm,顶面+50 mm。一切外露砂型硬度必须不小于90单位，铸型铅粉厚度1.3～1.7 mm,铸型残余水分要小于0.25％。
3.2　砂种的选择　　铸型为粘土砂、碳素砂，泥芯为自硬砂，挂砂冷铁用专用砂。
3.3　铸型尺寸的控制　　采用3种专用卡板控制主轴孔、4个卡爪及外圆尺寸。
3.4　强制冷却工艺　　为提高冷却速度，缩短共晶凝固时间，采取挂砂冷铁和风冷2种冷却措施。
　　①挂砂冷铁激冷
　　因该件整体都属厚大断面，所以在铸型的所有表面都放置挂砂冷铁。在上下表面放厚170 mm的冷铁。用432 mm×140 mm的冷铁放在铸件的周边。冷铁对铸件的表面覆盖高达94％(见图2)。冷铁总质量为9 211 kg，平均厚度为400 mm。与铸件毛坯质量比为9 211∶10 500=1∶1.14，厚度比为400∶512=1∶1.28。
　　②风冷
　　对铸型风冷是1种安全有效的激冷措施。其方法是在下箱铸型底面冷铁的下面设置1个2 450 mm×150 mm(有效通风尺寸)螺旋结构的铸铁风箱，见图2。

图2　厚大断面大型球铁件—DH2200/80-2—E337406花盘强冷却铸型图
Fig.2　Sketch map of mould assembly of heavy sectioned ductile iron chuck casting of model DH2200/80-2-E337406 machine

　　选用D8012型鼓风机，其风量为4 500 m³/h,风压为960 mm水柱。距入风口5 m处测量：
风量：　Q_空=2224 m³/h
3.5　强冷对铸件热量导出的计算
　　①铸件从浇注至完全凝固(里假定完全凝固时间为3h)放出的热量由公式

Q_热=WC(T₁+T₂)计算。

式中　W—铸件质量10 500 kg;
T₁—铸件浇注温度1 320℃与完全凝固时铸件
平均温度之差；
T₂—铸铁凝固潜热的当量温度，球铁件T₂
=250℃；
C—铁液比热　0.16 J/(kg^.K)
这里的铸件平均温度是最高温度1080 ℃(热节处)与最低温度900℃(铸件外壁处)的平均值(以上两温度均由电偶测得)：

T₁=1320-990=330 ℃

　　　　Q_热=WC(T₁+T₂)=10500×0.16×(330+250)
=974400 J

　　②铸铁件完全凝固时冷铁的蓄热量用Q₁=WTC计算
式中　W—冷铁质量9211 kg；
C—比热
T—冷铁平均升温。
　　冷铁平均升温是完全凝固时冷铁最高温度550 ℃(靠近铸件一侧)与最低温度350 ℃(背离铸件一侧)的平均值(两温度由热电偶测得)减去室温(25 ℃)所得，

Q₁=WTC=9211×425×0.16=626348 J

　　③风冷从铸件中异出的热量用Q₂=CQ_空t计算
式中　C—比热0.3165 J/kg;
Q_空—3 小时内通过出口处的空气量；
t—3 小时内出口空气平均升温。
　　浇注前出风口的温度为25 ℃，3 小时后铸件完全凝固时，出风口的温度为245 ℃。

Q_空=3×2224=6672 m³

　　　Q₂=CQ_空t=0.3165×6672×110=232286 J
　　④风冷和挂砂冷铁总吸热量

Q_热=Q₁+Q₂=858634 J

　　⑤铸件完全凝固放出热量与强冷异出热量相差为：974400-858634=115766 J，此热量为砂型导出的热量。
3.6　无冒口铸造的工艺设计
　　①浇注系统的结构设计
　　采用12道沿铸件圆周均布的底注式浇口。内浇口的走向为向心式，横浇口为环形，以保证进入型内的铁液平稳、温度均匀。采用2个直浇口。内浇口、分直浇口及直浇口均为耐火砖管，见图2。
　　②浇注系统的计算
　　浇注时间t:

取90 s，式中S=4；G为铁液消耗质量。
　　浇注系统最小截面(按经验公式计算)：

浇注系统各单元截面比：∑F_内∶∑F_分直∶∑F_横∶∑F_直=1∶1∶(1.62)∶(1.1)
　　③出气冒口　设16个均布的出气冒口(25 mm×60 mm×500 mm)单个截面为2.5×6=15 cm²。
　　④采用有闸门、有浇口堵(铁片)的大型浇口箱。
　　⑤保证铸型有较高的刚度(不变形)，外露砂型硬度不能小于 90 单位。挂砂冷铁所用型砂为特制砂种，其强度高、耐火度及透气性好，在冷铁齿面上附着力强。
　　⑥低温浇注　浇温控制在 1 300～1 320 ℃，以减少液态收缩，浇注终了时进行补浇。
　　⑦该铸件模数 M=13.5 cm,适合用无冒口铸造。

4　熔炼工艺

4.1　熔炼设备：　1台20 t无芯感应电炉，1台15 t球化处理专用堤坝包，1台DV4型直读光谱仪，1台PY45型数字温度计和快速热电偶。
4.2　化学成分：　采用高碳、低硅、低磷硫，目标化学成分：3.3％～3.7％ C;2.0％～2.6％ Si;0.6％～0.8％ Mn;＜0.07％ P;＜0.02％ S;0.04％～0.06％ RE;0.04％～0.07％ Mg。
4.3　球化剂的选择
　　使用 Y-Mg系球化剂。当该球化剂稀土含量为0.04％～0.06％时，保持球化级别2～3级，抗衰退时间为180 min。保持球化级别为3～4级，抗衰退时间能延迟到250 min。加入量为1.8％。
4.4　孕育处理
　　采用包内孕育(75SiFe 加入量0.3％)；随流孕育(75SiFe 加入量0.5％)；浮硅孕育(75SiFe 加入量0.2％)；瞬时孕育(SiBa 加入量0.1％)共4种孕育措施。

5　生产情况

　　先后生产了3件花盘，3个铸件铁液从浇注至完全凝固所需时间分别为169 min,185 min,175 min,基本控制在3 h左右。
　　铸件的化学成分、机械性能、金相组织，各项指标均达要求。经机械加工后，内外表面没有出现石墨漂浮、黑斑、缩孔、缩松等缺陷。

作者简介：张　俊(1967-)，男，黑龙江齐齐哈尔，工程师、学士.
张俊(齐齐哈尔第一机床厂，黑龙江　齐齐哈尔　161005)
徐君东(齐齐哈尔第一机床厂，黑龙江　齐齐哈尔　161005)
李琪昌(齐齐哈尔第一机床厂，黑龙江　齐齐哈尔　161005)