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防止铸铁件收缩缺陷的实践和体会

2015-01-21

铸造设备与工艺 2015年1期
关键词:缩孔冒口铁水

袁 森

(西安理工大学,陕西 西安 710048)

铸铁件收缩缺陷的预防和消除,是铸造工艺设计和实践的永恒课题。即使铸件安设了补缩冒口,试制过程中也可能会出现收缩缺陷,需要改进、完善。

冒口设计的三个要素:模数、体积、冒口颈。模数是凝固时间的表征,体积决定冒口所能提供的补缩液量,冒口颈尺寸保证补缩通道畅通。

针对铸铁件(灰铁、球铁)缩孔缩松缺陷的防止和消除,谈谈生产实践中的一些思路和体会,与一线技术人员进行交流。

1 冒口颈(内浇口)处铸件缩孔缩松的消除

冒口颈(内浇口)处铸件收缩缺陷分为两种情况进行分析。

1)冒口颈(内浇口)打掉后暴露出抽孔,孔细而深,孔壁较光整。出现这种情况,是冒口补缩不足的表现。或者是冒口体小,冒口提前凝固,补缩液量不足,而铸件还在收缩,朝向冒口抽出了孔洞;或者是冒口颈提前凝固,补缩通道截死。可以采用的针对性措施是:①适当加大冒口体的尺寸;②加大(厚)冒口颈的尺寸(增大模数);或者减小冒口颈长度,缩短冒口与铸件之间的距离。

2)冒口颈(内浇口)打掉后暴露出分散的小孔洞,或者无形,或者很粗糙,像烂脖子。出现这种情况,则可能是冒口和铸件形成了接触热节所致,即冒口对铸件构成了较强的热干扰。原因可能是冒口颈尺寸过大;或者是冒口颈太短(冒口距铸件太近),冒口的热干扰过强。再加上冒口颈充填与补缩的流通效应,冒口颈周围型砂被加热,使接触热节更大,延缓了冒口颈处铸件的凝固。在这种情况下,需要减小(减薄)冒口颈尺寸,减小或消除接触热节,而不要盲目加大冒口体或冒口颈。

两种情况刚好相反,必须正确区分判断,否则会背道而驰。

接触热节:将冒口安放在铸件的几何热节处,使本来凝固较迟的热节更大了。考虑到冒口颈处尖角砂被加热,该处冷却缓慢,加上冒口中金属液补缩流动带入的热量,实际上比已经加大了热节圆还要大。冒口和铸件接触处这个被加大了的热节称为接触热节,它大于铸件原来的几何热节,在一定限度内也大于冒口直径。接触热节是产生缩孔缩松的重要因素之一。

冒口颈的流通效应:冒口颈受冒口与铸件的热影响,周围型砂被加热,充填冒口和补缩流动过程中,不断更新热铁水,使尺寸较小的冒口颈,凝固时间大大延长,也即保持畅通的时间大大延长,称为冒口颈的流通效应。冒口颈的流通效应与金属液流过冒口颈的体积及时间有关。据测算,在原来几何模数的基础上,冒口颈的凝固时间一般可延长40%~60%.

2 铸件热节处的缩孔缩松

铸铁件(特别是糊状凝固方式的球铁件)热节处出现缩孔缩松缺陷,最有效的补缩工艺措施是:冒口+冷铁。在很多情况下,所加冒口只能是冷冒口(浇口不通过冒口,冒口最后单独充填,温度低),不可能是热冒口(浇口通过冒口,冒口中充填的是热铁液)。冷冒口的补缩效果有限,所以,配合以冷铁,加快该处的凝固,减小热节,使冒口的补缩时间和补缩液量能够满足铸件收缩的需要。

冷铁必须与冒口相配合,因为冷铁不能提供补缩液量,所以单独使用冷铁往往不能根除缩松。

如果采用发热保温冒口,完全按照顺序凝固的工艺原则进行补缩,即冒口最后凝固,并且能够提供充足的补缩液量,则可以不使用冷铁。

使用多大的发热保温冒口?一般按照生产厂家提供的冒口有效模数进行选择,只要冒口的有效模数大于铸件热节处的模数,即可保证冒口最后凝固;冒口颈处一般设计为易割片,即冒口颈很短,补缩通道可以保持长时间的畅通;最主要的是,冒口与铸件的温度场是顺序的,补缩通道张开角始终朝向冒口,补缩效果好。

3 铸铁件顶冒口的使用

由于铸铁件具有石墨化膨胀自补缩能力,其冒口的补缩是有限的,即冒口不一定要晚于铸件凝固,所以,铸铁件的冒口往往不能把热节移出到冒口中。这一点与铸钢件不同。

铸铁件慎用顶冒口,因为顶冒口的冒口颈处常常出现收缩孔洞。原因是顶冒口处于最高位置,在铸件的液态收缩阶段,冒口承担着整个铸件的补缩,如果补缩液量设计不足,又是冷冒口,温度低,补缩时间短,整个铸件的收缩抽吸及冒口自身的凝固收缩,使冒口负担太重。加大冒口体也往往难于凑效。在这种情况下,建议采用发热保温冒口,完全按顺序凝固原则补缩。

对于厚大的铸铁件,如果工艺上只能采用顶冒口,而且冒口根部铸件又出现孔洞,建议采用冷颈冒口技术。

冷颈冒口技术,是指采用较大尺寸的冒口颈,同时在冒口颈处安放冷铁。这样,以大的过流面积,来适应厚实铸铁件冷却凝固初期,需要冒口集中提供大补缩液量的要求。冷铁一方面减小或消除了冒口与铸件之间的接触热节,另一方面又能使冒口颈在补缩流动停止后适时凝固截死,充分利用石墨化膨胀的自补缩作用,获得致密健全的铸件。

4 设置冒口处,铸件侧面或顶面缩凹(外缩孔)

对于有一定高度的铸件,中间分型,冒口设在分型面上,上箱中铸件与冒口平行相邻,常常发生铸件侧面成顶面缩凹现象。原因是铸件与冒口距离较近,中间的型砂被加热到较高温度,相邻冒口的铸件处凝固速度减慢,表面凝固结壳后尚处于高温塑性变形阶段,铸件其他部位的收缩形成了负压抽吸,使表层结壳处内凹。

克服的思路是减小或者消除冒口的热干扰,办法是:①将冒口向外移动,加大冒口与铸件之间的距离;②在发生缩凹的位置安放冷铁,加快凝固速度,尽早形成较厚的表面凝固层。

有时在内浇口引入处发现此种现象,可能是内浇道少而铸件厚大,铁水引入过分集中所致;冒口窝下面也可能出现,原因是冒口窝过大,热量过多,形成了较大的热干扰。克服的办法:前者则需采用多道内浇口分散引入;后者可适当减小减薄冒口窝。

5 轮类铸件的冒口设置

1)轮缘较厚大的轮类球铁铸件,其结构决定了轮缘容易出现轴线缩松,侧冒口补缩难于完全解决,设置冷铁是必要的。由于凝固时间长,普通砂型冒口(黏土砂、树脂砂)难于凑效,最好采用发热保温的顶冒口。

2)对于结构上带有轮辐(筋辐)的铸件,轮辐与轮缘连接处构成几何热节,若铸件直径不是很大,可在两个热节之间设置冒口,一个冒口补缩两个热节,有利于提高工艺出品率,也符合铸铁件冒口离开热节的原则。即使铸件直径大,受冒口补缩距离的限制,必须在每个热节处单独设置冒口补缩时,冒口也不必放在热节上,冒口应该偏离热节一定距离,既避免了形成较大的接触热节,提高了补缩效果,还可减小冒口尺寸,节约铁水。

3)如果轮毂内部发生缩孔缩松,可在轮毂砂芯上座一冒口,冒口侧面向下引出冒口颈到轮毂端面;若缩孔较深或处于轮毂下部(轮毂高),顶冒口补缩距离有限,可在砂芯内部自带出冒口补缩,方形冒口颈与轮毂的中下部位相连。

轮类铸件的浇注系统,内浇口以多道分散径向引入为好。

6 爬芯浇注和补缩工艺

中间分型平浇的圆筒类(回转体)铸件,浇注系统和冒口一般习惯设在分型面上,也可获得成功,但也常常出现问题。

1)如果铸件直径较大,虽然冒口很高,但有效补缩高度却不高(按最小压力角要求),在两端法兰与铸件交接的圆周热节顶部,容易出现缩孔缩松,钻孔时暴露出来,特别是顶部带有螺栓搭子的情况更易发生。克服的办法是采用爬芯顶注热侧冒口工艺,原来的分型条件不变,改中注为顶注,即将横浇道延长到芯头处,再顺着芯头爬上去,贴着芯头随型引入内浇口。并在芯头上座一热侧冒口(稍带冒口窝),补缩效果好,工艺出品率高。

2)对于一些直径较大的回转型铸件,采用中间分型平浇工艺,内浇口下部区域(靠近铸件底部),铸件内表面粗糙,严重时出现夹杂物被喷丸清理后留下的成片浅坑。原因可分析为铸件直径较大,中间分型引入铁水,相当于高铸件顶注,如果内浇口出流速度较大,射流严重,并不断改变冲击方向,冲击型芯。①有可能冲掉砂粒砂团形成砂眼;②也有可能将铸型表面涂料(树脂砂型)冲掉,随铁水流动,停留在上型芯的下表面处,形成大面积的浅坑;③球铁铁水不平稳流动所导致的二次氧化,形成较多渣滓,也是一个重要因素。

消除的思路是平稳充型,减小射流冲击。此类铸件工艺上无法实现阶梯浇注,可以考虑底注。办法是将水平横浇道延长,顺着芯头向下引入半圆形横浇道,再随型引入内浇口(可设置多道),实现底注。

底注工艺,内浇口以多道、分散、截面尺寸开放为设计原则。

3)类似的情况,在采用立浇顶注工艺浇注一些较高铸件时也有发生(如圆筒形铸件)。在内浇口下部区域,表面粗糙,严重时形成鼠尾、沟槽等与石英砂膨胀有关的缺陷。此种情况经常出现在铸件的外表面(与铸型接触的表面)。消除的思路,应以克服铸型表面受热膨胀产生的缺陷为主导。

7 垂直分型(DISA 线)的浇冒口设置

采用垂直分型(DISA线)造型线生产飞轮、刹车盘等面积较大且结构连续的铸件,一般需要设置冒口补缩。冒口位置设在何处比较合适?建议设在铸件左上方或右上方大约45°处为好。冒口设在顶部,冒口根部容易出问题;设在中间位置,冒口必须高于铸件,冒口的有效补缩高度小,工艺出品率低。

垂直分型的浇注工艺,内浇口引入位置以中注为佳。顶注容易冲砂形成砂眼;底注比较平稳,不易冲砂,但冒口补缩效果较差(冷冒口)。如果因为型砂的原因追求平稳充填而采用底注方式,最好将顶侧部位的冒口与直浇道连起来,使冒口最后能够得到热铁水的充填。但需注意连接的通道应与直浇道形成倒锐角,避免冒口较早进入铁水,导致类似于阶梯浇注的混乱充填。

8 铁模覆砂工艺缩孔缩松的消除

铁模覆砂工艺的模具一旦成型,修改较难。而且设置冒口补缩也相对于砂型比较麻烦。一旦铸件上个别孤立的热节出现缩孔缩松,最好是从化学成分上进行调整。

金属型冷速快,石墨结晶数量多,细小,球铁的石墨更趋于圆整,球化级别高,球径小。因此,碳硅含量可取上限并适当放宽,利用增多的石墨化膨胀体积进行自补缩。由于冷速快,收缩比较集中,浇注系统的后补作用强,型腔充满后直浇道可以提供较好的补缩,即使发生收缩缺陷,体积也比较小,使得调整成分的效果比较明显。

正常生产的情况下,如果突然出现收缩缺陷,首先应该从炉料变更、配料偏差、合金元素加入量等方面进行检查分析,寻找原因和对策。

9 几个与工艺有关的问题

1)球铁小件,冷却速度快,收缩比较集中,外部(冒口或浇注系统)补缩需求量大,工艺出品率一般比较低,不能用牺牲铸件的内部质量来追求高的工艺出品率。例如,结构复杂且分散的球铁小件,如排气歧管、增压器壳体等,可能带有多个孤立小热节,常常需要设置多个小冒口解决,这是正常的。

2)无冒口铸造是一种理想状态,不设冒口是不安全的。结构比较集中的小件,有时未设冒口,其实质是用浇注系统进行补缩,并不是铸件不需要补缩。所以设计浇注系统尺寸时,应兼顾补缩功能。

3)强化孕育,细化晶粒,石墨较早形核析出长大,使补缩流动阻力增大,会导致疏松(晶间微小孔洞),对气密性要求高的铸铁件或者伸长率要求高的球铁件,这是一个矛盾。可提高浇冒口补缩的静压头;也可考虑采用含锶的孕育剂。

4)冒口窝不能省。冒口窝的作用是以所存贮的高温铁水,对薄小的内浇口进行加热保温,延长冒口颈的流动畅通时间。有些厂从冒口窝上引出冒口颈(同处于下箱),是不对的,实际上等于没有冒口窝。冒口窝也不必做成半球,其高度为小于球半径的一半就可以了。

5)有些铸件,设了冒口,清理时发现冒口却未缩下去;去掉冒口,铸件又有问题。说明冒口还是不能取掉的。因为一包铁水,浇注有先有后,浇温有高有低,收缩值是变化的,再加上不同炉次铁水成分、温度的变化,批量生产情况下不设冒口是不安全的。可以不断改进优化冒口尺寸,求得最佳的工艺出品率。

6)关于浇注速度。快浇,铁水在型腔中降温小,温度高,有利于气体、夹杂物的上浮。现在大多采用电炉熔炼,出炉温度超过1500℃,收缩大,主要问题是补缩。对于比较厚大的铸件,建议采用慢浇,充分利用浇注过程中的后补作用,减小收缩量,保证冒口安全,铸件致密健全。

7)按铸件模数或热节模数设计冒口尺寸,仅仅考虑了补缩时间的要求。但在液态收缩和凝固收缩初期,铁水联通,冒口实际上是补缩整个铸件的。这可能是冒口相对于热节已经很大,但仍然补缩不足的原因。所以,采用补缩液量法校核冒口体积是否满足,就显得十分重要。

8)正常生产的树脂砂球铁铸件模具,转到粘土砂湿型生产,往往会出现缩孔缩松。这充分表明粘土砂型的刚度低,容易退让,石墨化膨胀自补缩的利用率低。也就是说,粘土砂型生产球铁件,补缩冒口要比树脂砂型的大。

9)冷肋。在铸铁件顶面设置冷肋(相当于一个较粗的出气棒),先于铸件凝固,固体金属的导热能力远大于铸型,会加快冷肋设置处铸件的冷却速度,作用相当于冷铁。对铸件上表面的局部小热节,可采用冷肋或出气片,平衡此处壁厚,防止出现局部小缩凹、缩孔及缩松,还可以起到溢流排气的作用。

[1]魏兵,袁森,张卫华.铸件均衡凝固技术及其应用[M].北京:机械工业出版社,1998.

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