图2铸造工艺方案

作者：信息来源:模具 2008-6-26

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摘要：以韶山型电力机车800 kW电动机机座为例，分析了厚大圆筒类机座铸造裂纹特征、性质及产生裂纹的主要原因，提出了防止裂纹产生的措施，给解决厚大圆筒类铸钢件裂纹问题奠定了基础。裂纹。厚大圆筒中图分类号：TG245文献标识码：B文章编号：1001-3814(2000)03-005...

摘　要：　以韶山型电力机车800 kW电动机机座为例，分析了厚大圆筒类机座铸造裂纹特征、性质及产生裂纹的主要原因，提出了防止裂纹产生的措施，给解决厚大圆筒类铸钢件裂纹问题奠定了基础。
　　关键词：　机座；裂纹；分析；对策；厚大圆筒
　　中图分类号：TG245　　　文献标识码：B　　　文章编号：1001-3814(2000)03-0058-03

The Analysis and Countermeasures of Casting Crack in Traction Motor Casing

1　铸件结构及铸造工艺方案

　　韶山型电力机车800 kW电动机机座结构见图1，主要由厚壁处、薄壁处、止口处及抱轴处四部分构成，最大外形尺寸φ1020×1060 (mm)，厚薄比为5∶1。铸件材质为ZG230-450，单件质量1740 kg。要求铸件粗加工后对主要加工面进行磁粉探伤检查，不允许存在裂纹、缩松、气孔等缺陷。

图1　机座铸件简图

　　实际生产中我们采用圆筒垂直分型的铸造工艺方案，该方案又分为薄壁朝下(Ⅰ)和薄壁朝上 (Ⅱ)两种，见图2。型芯全部采用CO₂水玻璃石英砂，砂芯涂刷醇基锆英粉涂料，并用乙炔火焰表面烘干。钢水熔炼在5 t碱性电炉中进行，用铝硅合金脱氧，浇注温度≤1580℃，浇注时间80～100 s，22～24 h后振动落砂水浴处理，热处理制度为，煤气加热到880～920℃后保温4～5h出炉空冷。在试制和生产初期，对两种方案所生产的机座进行加工检查，均发现多区域性裂纹缺陷，其中两种方案在A、B两区产生的裂纹基本相似，C区的裂纹主要存在于方案Ⅰ中。

2　裂纹特征及性质

　　表1列出了A、B、C三区裂纹的基本特征。些裂纹均发生在内浇口及厚大冒口附近热量高度集中、凝固缓慢区域。结合铸件结构、收缩情况及裂纹特征分析，可以判定裂纹属于热裂纹的范畴。

图2　铸造工艺方案

表1　机座裂纹特征分析

区域ABC方向轴向，垂直于收缩方向轴向，垂直于收缩方向轴向或径向，垂直或
平行于收缩方向　　形状纹路呈蚯蚓状纹路呈蚯蚓状纹路较平直断口可见轻微氧化色，金相检查有时发现缩松及夹杂物氧化较明显，内呈暗蓝色氧化明显
内呈暗黑色尺寸
(mm)

：300～500；
深：10～15 ；
宽：≤0.5长：250～400；
深：10～30；
宽：0.5～1.5长：30～50 ；
深：10～50；
宽：≥0.5数量5～15 条1～3 条1～2 条分布位于厚大冒口下方密集分布位于厚壁内圆与抱轴内圆交界处集中在浇口和披缝多的部位频率20% 左右16% 左右10% 左右

3　裂纹原因分析

3.1　钢水中S、P元素的影响
　　钢水中S、P元素含量偏高易形成低熔点S、P共晶物(如：Fe-FeS的熔点为985℃，Fe-Fe₃P的熔点为1050℃)，凝固时，往往易偏析在后结晶的晶界上，降低晶粒间的结合力，削弱了钢的高温强度和塑性，使钢的抗裂纹能力下降，产生裂纹的倾向增大。
3.2　浇注操作的影响
　　浇注前，钢液镇静时间不够，不利于钢液中有害杂质、气体的上浮排出，夹带到铸件中易削弱金属的强度，特别在方案Ⅱ采用保温暗冒口集渣排气的情况下，影响更大。另外，浇注温度高、浇注时间长也明显加剧浇冒口区域的热作用，使热应力增大。
3.3　浇冒口系统的影响
　　工艺设计时，为了实现铸件顺序凝固，往往将厚大部位朝上并在其顶部设置冒口，以建立起自下而上顺序凝固、有利于补缩的温度梯度。同时，为了保证金属液充填平稳、防止铸件冲砂，往往采用底注式浇注，但由此而形成的温度梯度却不利于补缩及顺序凝固。为弥补这一不足，方案Ⅰ和方案Ⅱ均把内浇口尽量设置在冒口的下方，以加强冒口对浇口区域的补缩作用。
　　实际上，这种保证铸件顺序凝固、防止铸件缩孔而采取的浇冒口布置方案，除方案Ⅱ中止口处远离了浇口热作用区并通过冒口强化补缩作用，有效地防止了裂纹的产生外，对厚大部位不论是方案Ⅰ、还是方案Ⅱ均造成了产生裂纹的危险性。因为在靠近浇冒口的部位，热量过于集中，温度较高，凝固冷却较慢，热应力大，易产生裂纹。特别是对于方案Ⅱ而言，当厚壁内圆尺寸较小时，上部冒口散热条件将急剧恶化，造成该区域热量高度集中。
3.4　砂芯强度的影响
　　为了确保造型吊运和铸型承载安全，砂芯必须具备一定的强度。厚壁内圆处的1^#砂芯四周始终受钢水长时间高温热作用，为保证其既有良好的透气、散热性能，又能承受钢水的冲刷作用，我们将1^#砂芯制成中间空心结构，根据经验砂芯单面厚度按该处水路厚度的1.8 ～2倍选取。实践证明，这种厚实的砂芯在浇注及凝固过程中往往只是表面层被高温金属液加热到较高的温度而具有较好的退让性，而其内部仍有较高的残余强度严重阻碍铸件收缩，尤其对铸件早期凝固强度薄弱的浇冒口区域影响明显。
3.5　造型操作上的影响
　　方案Ⅰ中止口处2^#砂芯芯头间隙难于消除，若芯头间隙局部过大，则极易在止口上形成披缝。披缝与止口相比，其冷却速度较快、强度较弱，收缩受阻便易开裂而形成止口处的一处裂纹源。在随后的铸件冷却凝固及落砂清理过程中，它很容易扩展而延续到止口内部形成裂纹。

4　防止措施

　　(1)强化炉前冶炼操作，提高钢水质量，从严控制钢水中各元素含量，要求S、P小于0.04%。
　　(2)浇注前，严格控制镇静时间，保证钢液中熔渣、气体等充分上浮排出；浇注温度和浇注时间按工艺规定的下限要求分别控制在1530℃和85s左右，确保低温快速浇注。
　　(3)型砂改水玻璃砂为合成树脂砂，制芯操作实行先硬化后起模工艺，以简化芯骨结构、减薄砂芯厚度，提高泥芯退让、散热性能。改进后，1^#砂芯厚度仅为水路厚度的1.1～1.3倍，内层还开有多道退让性沟槽。
　　(4)调整内浇口分布，使浇口和冒口两热作用区域相互错开，同时使浇口尽量远离结构强度薄弱易形成裂纹的部位，如厚壁内圆与抱轴内圆交界处等。
　　(5)铸件落砂方式由振动后水浴清砂改为单一的振动落砂，消除水浴强冲击作用对铸件裂纹产生的负面影响。
　　(6)取消止口外冷铁，改为在止口中心设置整圈内冷铁，在防止止口缩松的同时，依赖于内冷铁的激冷及骨架作用，提高凝固初期止口的高温强度，增强止口抵抗铸造应力作用和阻止披缝裂源扩展的能力。

5　结语

　　(1)采取上述措施后，不论是方案Ⅰ还是方案Ⅱ所生产的机座，经加工验证和检测表明：机座力学和导磁性能良好，满足设计要求，铸件产生裂纹的几率大幅度下降，这充分说明对机座裂纹缺陷的分析是准确的，防止措施是有效的。
　　(2)解决机座铸造裂纹缺陷的关键是：在确保铸件实现顺序凝固原则的前提下，尽量避免铸件热应力集中、减小铸件机械收缩阻力、提高金属的高温强度。
　　(3)综合裂纹原因分析和生产实践证明，为防止厚大圆筒类机座裂纹缺陷，考虑工艺方案时，对厚壁内圆尺寸小于φ600 mm的宜采用工艺方案Ⅰ、厚壁内圆尺寸大于φ800 mm的宜采用工艺方案Ⅱ。

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