導衛的鑄造工藝優化

姚建柱 鄭馨秋

(一重鑄鍛鋼事業部技術質量部，黑龍江161042)

導衛的鑄造工藝優化

姚建柱 鄭馨秋

(一重鑄鍛鋼事業部技術質量部，黑龍江161042)

總結鑄件產生缺陷的原因，詳細比較分析了導衛原工藝設計及優化后的方案。采用優化的工藝方案后，解決了生產中出現的各種鑄造缺陷問題，鑄件質量明顯提高。

導衛;缺陷;鑄造工藝

導衛是軋機設備的重要組成部件，是軋制品冷卻的關鍵支撐裝置。導衛材質為GP240。導衛鑄件為薄壁齒狀結構，結構復雜且壁厚薄不均，齒根過渡位置的厚度變化梯度較大。導衛鑄件最大輪廓尺寸為2 850 mm×1 050 mm×530 mm，最薄壁厚為26 mm，毛重4.5 t。

我廠以往生產該鑄件，造型材料采用樹脂砂造型，造型方法為地坑組芯造型。模型制作芯盒時采用拆卸式或脫落式木質芯盒。鑄件的澆注溫度為1 580～1 590℃。芯砂采用石英樹脂砂。涂料采用醇基鋯英粉。

1 以往生產的鑄件存在的主要缺陷及原因分析

1.1 鑄件毛坯的尺寸偏差

圖1 原工藝設計Figure 1 The original casting process design

主要是鑄件長度方向整體的尺寸偏差與細薄齒厚度的偏差。產生缺陷的主要原因是:首先是制作模型的間隙留量形成了累積公差。原工藝方案設計是為了避免夾砂問題，芯子邊界劃分如圖1所示。細薄齒部位的型腔由許多小塊芯(2#、3 #)組成。鑄件是齒狀結構，尺寸公差要求嚴格，為了保證砂芯質量與尺寸精度，芯盒采用木質脫落式芯盒，模型制作依據JB/T5106—1991《鑄件模樣型芯頭基本尺寸》，芯盒單面留2 mm的間隙量。其次是手工操作引起偏差。手工刮出的平面，平面度不一樣引起偏差。為了方便型砂填充，制作砂芯時撞砂方向如圖1所示。2#芯與3#芯芯盒敞口位置的平面為手工刮出平面，平面度較差。涂料層邊緣的厚度不均勻引起偏差，每塊芯與鋼水接觸的表面都要求刷涂料，涂料層邊緣擴展部位涂刷厚度不一樣會引起偏差。芯縫塞嚴的力度不一致引起偏差，為了防止芯縫位置澆注后鉆鋼水，芯縫用手工塞嚴。由于空間狹小，不方便操作，塞嚴使用的力度也不一致，致使各齒的壁厚產生較大偏差，從而在鑄件毛坯長度方向上產生整體偏差。

圖2 優化后的工藝Figure 2 The optimized casting process

1.2 細薄齒歪曲變形

宏觀原因分析:首先主要受到熱應力及機械應力的影響，由于鑄件自身設計結構的因素，鑄件的壁厚不均勻，各部分冷卻速度不同，以致在同一時期內鑄件各部分收縮不一致而引起細薄齒歪曲變形。鑄件凝固收縮與砂型收縮大小不一樣，鑄件收縮大，而砂型收縮小，砂型阻礙鑄件收縮產生機械應力，致使細薄齒發生變形。其次受到熱處理影響，鑄件的不均勻冷卻和鑄件截面上溫度的不對稱分布是鑄件產生變形的主要原因。鑄件正火后空冷，溫差變化很大，鑄件收縮產生應力而變形。

微觀原因分析:(1)金相組織不均勻而產生內應力，由于壁厚薄不均，降溫速度不同，薄壁處先凝固冷卻生成珠光體，而厚大部位還是奧氏體，微觀組織體積不同相變后產生應力。(2)成分偏析而產生內應力。薄壁與厚壁間的冷卻速度不同，低熔點的分子后凝固而聚集，分子擴散速度不同引起成分偏析。

1.3 局部粘砂、結疤、飛邊等缺陷

首先，因為鑄件自身設計結構的影響，在齒根部位熱節集中較大，由于持續高溫致使表面型砂內低熔點物質熔化，生成低熔點的硅酸鹽(FeSiO3，CaSiO3，MnSiO3)，從而產生粘砂現象。其次，原方案型芯出現尖角砂(圖1所示6#位置)，容易損壞。由于型腔空間尺寸窄小，不易修補操作，砂芯損壞的部位直接刷涂料修平，因此該部位的強度、硬度相對較差，澆注后鋼水滲透而易產生粘砂缺陷。再次，砂芯組成型腔后，此活件手工刷涂料，由于空間窄小，刷涂料時撣刷的力度不同致使涂料滲透的深度不同，酒精可能沒有完全燃燒使滲透層深度大區域沒有完全烘干，造成型腔表面局部松軟而鉆鋼粘砂。其他方面，由于鑄件壁厚太薄，為避免產生澆不足的缺陷，實際澆注溫度控制在1 580～1 590℃之間，但是澆注溫度太高，易使細薄齒根部的型砂熔融燒結而粘砂。

2 優化的工藝方案

根據以往生產經驗，工藝依舊采用地坑組芯造型，優化后的工藝措施如下:

首先改變原方案的分芯位置，將原工藝的多個芯盒合并為一個整體芯盒(見圖2)。模型制作時芯盒內的細薄齒、大熱節部位及拉筋等活料全部使用苯板模型，并且在苯板表面粘一層膠布。其次進行工藝補正，增加細薄齒的壁厚，細薄齒之間設置拉筋。最后利用外冷鐵減小熱節。其他方面，降低澆注溫度，使用疏松材料等。

優化后的工藝采用整體芯盒，保證鑄件型腔尺寸精度，保證型腔內表面完整，減少由于芯縫引起的飛邊缺陷，避免了尖角砂的問題。苯板模型制作時容易加工成型，降低勞動強度并節約許多木材，型腔內的苯板容易清除。苯板模型表面粘一層膠布保證型砂表面強度與平面度，利于型腔內涂料層均勻。細薄齒壁厚給予補正加強其活件自身強度，設置拉筋又減小齒間收縮變形引起偏移的缺陷。苯板拉筋固定齒間距離，避免撞砂時各齒位置偏移。利用外冷鐵加快鑄件散熱速度，減少由于持續高溫引起的化學粘砂。降低澆注溫度，減少由于溫度過高引起的粘砂缺陷。使用草繩作為疏松材料，兩根綁成一束，放置在細薄齒之間，提高型芯的退讓性，減小細薄齒收縮產生的機械阻礙應力，也防止細薄齒變形。

工藝沒有采用整體苯板模型造型，因為整體苯板造型后，由于鑄件型腔尺寸與結構的限制，苯板模型從型腔內取出及型腔內表面刷涂料操作困難，不能解決粘砂問題。

3 生產過程質量控制

(1)打芯時面砂全部采用鉻鐵礦樹脂砂，厚度40 mm～50 mm，細薄齒間放置的草繩不要直接接觸到苯板，并使用?16 mm圓鋼撞實，用力不能太大，防止苯板變形。

(2)對外冷鐵與活件的接觸表面進行打磨或噴丸處理，去除油、銹，保持表面清潔。

(3)型腔內泡沫模型應盡可能清除，否則不但不能保障型腔內部涂料粉刷均勻，而且澆注時型腔內可能發生金屬液沸騰現象。鑄型中的模型受到高溫金屬液的作用，泡沫先發生軟化、熔融，繼而燃燒汽化，泡沫易產生大量氣體形成氣孔。如果型腔內澆注速度慢或透氣性好，氣體壓力小，有利于分解物滲入或逸出鑄型。但澆注速度過快，來不及排出型腔外部的氣體會卷入鋼水中。氣體壓力過大可能發生金屬液沸騰現象，并且使未完全汽化的模樣殘留物卷入金屬液中或壓向鑄件表面，引起缺陷。

(4)涂料涂刷前，使用壓縮空氣管清除表面雜物。型腔內表面刷鋯英粉涂料3～4遍，保證涂料涂刷均勻。為了確保型腔表面干燥，減少表面的水汽，澆注前向型腔內鼓熱風3 h～4 h，加熱溫度在110～130℃之間。

(5)澆注系統及型腔內一定要保證清潔，澆注前使用真空泵對型腔及水口進行徹底抽砂。

(6)鋼水要求精煉(LH)，保證鋼水成分均勻，溫度穩定，內控磷、硫含量不大于0.015%，嚴格控制冶金質量和殘余元素含量，澆注溫度控制在1 560～1 570℃之間。澆完后，向冒口內撒保溫劑，厚度大于200 mm。

(7)在性能熱處理之后去除細薄齒之間的拉筋。拉筋把細薄齒連接為一體，收縮時整體受力而防止變形。

4 結論

采用優化工藝生產的鑄件，解決了從前生產過程中出現的各種缺陷問題，減少了模型制作成本，并且鑄件表面質量與尺寸都滿足設計要求。實踐證明，優化后的工藝方案很成功，并為類似結構的鑄件提供了參考。

［1］ 中國機械工程學會鑄造分會.鑄造手冊:第5卷鑄造工藝【M】.第2版.北京:機械工業出版社，2003:212-217.

［2］ 耿浩然，章希勝，陳俊華.鑄鋼及其熔煉.

［3］ 安英閣.鑄件形成原理.北京:機械工業出版社，1989.

編輯 杜青泉

Casting Technique Optimization for Guide

Yao Jianzhu，Zheng Xinqiu

This paper summarizes the cause of the casting defect，and in detail compares and analyzes the original process design and optimized design proposal for the Guide.By using the optimized casting process proposal，different kinds of casting defects occurred in production have been resolved，and casting quality is greatly improved.

guide;defect;casting process

TG24

B

2013—05—31