液压支架柱窝水玻璃砂型铸造缺陷分析及预防措施

阳泉煤业集团华越机械有限公司 （山西 045008）刘海东

液压支架为煤矿井下开采的重要支护设备，是煤矿安全生产的根本保障，而柱窝是整个液压支架的关键部件，一般为铸钢件，其承载着顶梁上方巨大的矿山压力，一旦柱窝出现质量问题，将会影响整个液压支架的正常工作，同时会给煤矿生产带来重大的安全隐患。针对这些情况，在铸造生产过程中，必须高度重视柱窝铸件的综合质量，避免铸件缺陷产生。

在实际生产过程中，90%的铸件是采用砂型铸造生产的，我厂主要是以水玻璃砂造型为主。水玻璃的加入量与水玻璃的规格（包括模数、密度、含固量和粘度）、砂子质量（含泥量、粒度、颗粒形状及矿物组成及化学成分），以及铸件的特征有关，水玻璃砂型的流动性好，硬化快（可采用CO2硬化或烘干），溃散性差，在金属液凝固过程中阻碍铸件的收缩。支架柱窝的材质采用ZG30Cr06，属于低碳合金钢，收缩性大，容易造成铸件产生缩孔倾向。另外，气孔、粘砂等铸造缺陷也是困扰铸件产品质量的主要原因。因此，为了提升铸件的产品质量，应该从铸造缺陷产生的根源上进行分析，并制订相应的预防措施。

一、柱窝铸件缺陷分析

1.缩孔缺陷

缩孔是支架柱窝在液态凝固过程中，由于补缩不好而造成在铸件最后凝固的部位或热节处形成的孔洞。缩孔的形状一般呈不规则状态，而且孔壁粗糙、无光泽，一般出现在冒口根部或铸件表层，如图1所示。

支架柱窝的缩孔缺陷减少了其有效断面，降低了机械强度。造成柱窝产生缩孔的原因主要有以下几方面。

（1）柱窝在凝固过程中，由于十字筋部位补缩通道受阻，没有得到足够的金属液补缩，致使铸件在最后凝固的部位产生缩孔。

（2）冒口的尺寸和数量要适当，支架柱窝一般是在其背部十字筋部位安放一个冒口，如果冒口的直径和高度不符合工艺要求，会造成金属液的补缩能力达不到预期效果。

（3）在浇注过程中，如果浇注温度偏高，会造成铸件在液态凝固过程中收缩大，金属液容易吸气而产生气缩孔。

（4）冒口的保温效果不好，冒口中的金属液先于铸件凝固，造成铸件“反补缩”，即铸件中的金属液反过来补缩冒口。

2.气孔缺陷

柱窝铸件表面或内部由于气体聚集而形成的孔洞为气孔，气孔的形状、大小不一，内壁光滑，并且微带氧化色或明亮，如图2、图3所示。由于气孔的存在，严重影响到柱窝内部致密度，破坏了金属组织的连续性，同时减少了铸件的有效承载截面，大大降低了支架柱窝的力学性能，根据气体来源和形成机理不同，气孔可分为析出性气孔、侵入性气孔和反应性气孔三种。一般情况下，反应性气孔在实际生产中出现的较少。

图2 柱窝的析出性气孔缺陷

图3 柱窝的侵入性气孔缺陷

（1）析出性气孔 溶解在液态金属中的气体，在凝固时由于金属液中的气体析出而产生的气孔，称为析出性气孔。液态金属具有溶解气体（如氢、氮、氧等）的能力，在冷却过程中，随着金属液温度的降低，使其气体溶解度降低而析出气体，这些析出的气体所形成的气泡很小，而这时金属液的流动性很差，较难聚集浮起，因此在铸件中形成尺寸细小、多而分散的气孔，其形状为圆形、椭圆形或针状，往往分布在整个柱窝表层（机加工后可见）。

（2）侵入性气孔 在浇注和铸件凝固过程中，由于柱窝型腔空气或型砂受热产生的气体，侵入金属液内部所形成的气孔。当金属液进入型腔时，对砂型产生剧烈的热作用，由于型腔表层水分的蒸发，水玻璃及其粘结剂会瞬时燃烧和挥发，产生大量的气体，在与金属液的相互作用中，逐渐侵入到铸件的内部，从而造成铸件内部致密度下降，影响柱窝的力学性能，这将会严重降低液压支架的支承能力。尤其是对于支架顶梁柱窝，由于柱窝耳部砂型透气性不好，容易窝气，所以在机加工时耳部容易出现侵入性气孔。另外，金属液在浇注系统和型腔内的流动过程中，由于浇注速度控制不当，致使金属液流动不稳定，将气体卷入金属液内而生成气孔。

上述生成的各类气孔中，有些由于受天气的影响（夏天时砂型容易返潮），是不可避免的，有些是操作者的责任意识差，在造型时所开设的排气孔数量不够，钢液脱氧不彻底，尤其是二次出钢，脱氧没有严格按照工艺规程执行，都可能造成铸件气孔缺陷。

3.粘砂缺陷

粘砂是指铸件表面由于在浇注过程中，高温液态金属或金属氧化物在充型时，通过渗透方式钻入型腔表面的砂粒中，形成金属与砂粒的混合物，粘附在铸件表面上，而且硬度比较高，不易清理，直接影响铸件外观质量的提高，也给后续柱窝焊接工序带来不便，如图4所示。

图4 柱窝的表面粘砂缺陷

表面粘砂产生的主要原因有以下几个方面：

（1）型腔表面砂型紧实度低或不均匀，砂粒之间空隙大，致使高温液态金属渗入砂粒中，造成铸件表面粘砂。

（2）合箱时，型腔内的浮砂未清理干净，浇注时，砂粒随金属液的充型而上浮到型腔的上表面，造成铸件表面粘砂。

（3）浇注温度过高时，由于型腔表面长时间的高温烘烤，砂型的耐火度降低，金属液的表面张力过大，渗入砂粒间隙中并不断消蚀砂粒，使其间隙不断扩大，从而形成金属液或金属氧化物与砂粒的混合物，造成铸件表面粘砂。

二、柱窝铸件缺陷的预防措施

1.防止柱窝铸件产生缩孔的方法

（1）铸件产生缩孔往往是在铸件最后凝固的部位，由于补缩不好而形成的。优化铸造工艺设计，增强冒口的补缩作用，力求实现顺序凝固，必要时，可采用特殊冒口（保温冒口、发热冒口、大气压力冒口），以提高补缩效率。

（2）加强合金精炼，净化金属液，加强铝终脱氧和二次出钢脱氧，减少合金中溶解性气体和低熔点杂质的含量，以增强金属液的凝固补缩。

（3）遵守“高温出炉，低温浇注”的原则，根据铸件的结构不同，严格控制浇注温度和浇注速度，浇注温度偏高时，收缩性大，容易使柱窝产生缩孔缺陷。

（4）在钢液上升到冒口根部时，降低浇注速度并从冒口进行浇注，待金属液浇满后，停留片刻（必须保证冒口中的钢液表层不得结壳），让冒口中的钢液在大气压力的作用下对柱窝进行补缩，然后继续缓慢地向冒口内增添高温金属液，并加木炭覆盖，防止冒口中的金属液过早结壳，同时用木棒捅冒口，以增强冒口对铸件的补缩能力。

2.防止柱窝产生气孔缺陷的方法

（1）在冶炼过程中，要确保入炉料干燥没有油污，所使用的冶炼工具要提前预热烘干，待炉料完全熔化后，要对炉内的钢液进行搅动，使钢液中的气体和杂质上浮。

（2）在浇注方面，出钢前一定要在浇包内放入一定数量的铝屑，确保浇包中的钢液脱氧彻底，待钢液接入浇包内时，让高温的钢液镇静片刻，这样有利于钢液中的气体上浮，同时，必须对型腔进行引气，避免浇注过程中砂箱内窝气，引起放炮或爆炸。

（3）在制订铸造工艺时，要合理设计浇注系统的工艺参数及其位置。由于钢液流动性差，要尽量选择开放式浇注系统，以适宜的速度连续平稳地充满型腔，避免钢液流速过快导致将空气中的气体卷入型腔内。另外，为了增强型砂的排气性，在造型完毕后，必须对上下砂箱扎适量的排气孔，并控制好砂型的烘干程度。

（4）在造型方面，砂型的紧实度要合理。选用粒度适宜且含泥量少的原砂，控制粘土、水分及其附加物的加入量，确保砂型有良好的透气性。

3.防止柱窝铸件产生粘砂的方法

（1）在造型材料方面，尽量选用耐火度高、粒度适宜的原砂，严格控制水玻璃和粘土的含量（水玻璃的加入比例控制在8%以下）。

（2）在满足透气性要求的前提下，提高砂型的紧实度，减少砂粒孔隙度。

（3）根据铸件的结构，适当降低浇注温度和浇注速度，以减小液态金属对型腔表面的的热力作用和冲刷力，削弱液态金属的渗透能力。

三、结语

在热加工行业中，铸造生产工艺过程比较抽象，微观变化过程难以控制。传统的生产工艺基本上是靠生产经验与实践摸索，有一定的局限性。随着现代铸造技术的不断发展，传统的铸造生产工艺逐渐不能适应实际生产的需要，依靠计算机辅助设计、计算机模拟分析和先进的设备设施，通过不断吸收电子、信息、材料、能源、现代化管理等高新技术成果，结合传统技术形成现代的铸造技术，使铸造生产更加趋于可控化、精密化、优质化、高效化，减少环境及人为因素造成的各类铸件质量问题，这样就能够在很大程度上提升柱窝及其他铸件产品的综合质量，给煤矿机械装备制造提供可靠的质量保证。