F—系列泥浆泵曲轴质量的提升实践

2015-10-21许志刚

建筑工程技术与设计 2015年30期

关键词：曲轴

许志刚

摘要：本文对F-系列泵曲轴质量的提升历程进行了叙述，对曲轴的缩孔、缩松漂芯、热裂缺陷进行了分析，通过摸索实践并采取了有效方法解决了曲轴的缩孔、缩松、漂芯、热裂缺陷。历经30多年，曲轴的质量得到了稳步提升。

关键词：曲轴；漂芯；热裂；缩孔；缩松

1.前言

F系列泥浆泵是我公司的主导产品，其中曲轴是泥浆泵最关键的零件，它担负着泥浆泵动力的传递，因此曲轴的质量直接影响着泥浆泵总体质量的优劣。

自从上世纪80年代初F-系列泥浆泵引进我厂，并投产批量生产以来，提升曲轴铸造质量一直是我们铸造工作者最为关注重视问题。

从解决实心曲轴缩孔、缩松、裂纹等缺陷到解决空心曲轴的飘芯、缩松、裂纹、气孔、脉纹、龟裂等缺陷，从粘土砂生产到呋喃树脂砂生产，再到今天的碱酚醛树脂砂生产，F系列泥浆泵曲轴的生产已经经历30多年的质量改进过程。

2.曲轴质量的提升历程

2.1.实心曲轴质量的提升

1995年以前我们厂一直采用的是粘土砂造型工艺。曲轴为实心，为了曲轴的补缩，最先是在曲轴的三个拐的上方部位设置冒口，3拐上方设置一个大冒口、1拐2拐上方各设置一个小冒口。生产过程中发现在1拐和2拐的冒口根部均出现严重的缩孔、缩松、裂纹缺陷。为了改善曲轴的凝固环境减少缩孔、缩松、裂纹等缺陷提升曲

轴的质量，将冒口设置为两个、大冒口设置在3拐上方、小冒口设置在1拐上方，并

改变了曲轴的造型分型面，使2拐处于最下方。这样做了以后，曲轴1拐上方的缩孔、缩松缺陷基本解决了，2拐上方的缩孔、缩松、裂纹

仍然十分严重。为了清除2拐处的缺陷，经常在2拐上方部位挖出一个大如半个西瓜样的深坑，然后进行堆焊来消除缺陷。

2.2.空心曲轴的试制

上世纪90年代初，为了彻底改善曲轴的凝固环境，消除曲轴的缩孔、缩松、裂纹等缺陷，工厂派出技术人员和技术骨干去兰石参观学习，然后进行空心曲轴的试制。经过反复试验确定了空心曲轴的铸造工艺方案：曲轴的砂芯由呋喃树脂砂制成，砂芯分为两半制作然后粘和捆绑在一起，大冒口设置在3拐上方、小冒口设置在1拐上，2拐在分型面的最下方。这样曲轴的大面积缩孔、缩松问题基本解决。

2.3.空心曲轴的批量生产

1995年铸钢改造完成，呋喃树脂砂生产铸钢件全面投产。F系列泥浆泵的产量也大幅提高，曲轴的需求量也大幅提高。空心曲轴的质量仍然不能尽如人意。夹砂、缩松、裂纹、气孔、龟裂、脉纹等铸造缺陷仍然经常出现，曲轴的缺陷清除、补焊量仍然很大。铸造技术人员也在不断的采取各种办法来减少和消除这些铸造缺陷，如：采取增加涂料厚度和涂刷层数来提高表面质量，采用加强筋和局部使用铬矿砂来消除局部裂纹和缩松，改变浇注系统和内浇口位置、增加补浇次数来提高曲轴的补缩效果、减少缩孔缩松缺陷，给砂芯增加压杠减少砂芯变形破裂、减少夹砂缺陷，提升了曲轴的质量。

2.4.改变砂芯固定方法，抑制曲轴砂芯漂移

2002年底，从新疆油田反馈回来的消息，我们厂生产的一台F-1300泥浆泵在钻井过程中，曲轴突然断裂，造成整台泥浆泵报废。此次质量事故不但给钻井公司造成误工损失，也给我厂造成巨大经济损失，而且严重影响了我们厂在用户心目中的质量信誉。

通过对该曲轴断裂原因的分析，得出如下结论：曲轴壁厚最薄处设计尺寸为90mm，而该曲轴最薄处尺寸为63mm，由于该处强度不能满足设计要求，同时在该处造成应力集中，导致曲轴在运转过程中断裂。而造成该处壁厚严重偏差的原因是：曲轴在铸造浇注过程中，砂芯发生漂移——漂芯，导致壁厚不均。

2.4.1曲轴漂芯的原因分析

由于砂芯在曲轴铸造浇注完毕后，被钢水完全包裹着，钢水温度高达1580-1610℃，液态持续时间约10小时左右。另外钢水的密度为7.3，而呋喃树脂砂砂芯的密度为1.4，钢水的密度远远大于砂芯的密度。而且曲轴砂芯的体积较大，砂芯承受的浮力也较大。F-1300泵曲轴，毛坯重：4200公斤，砂芯要承受的浮力700多公斤。而芯骨及压杠在高温条件下，抗弯强度急剧下降，不能抵抗如此大的浮力，砂芯发生弯曲漂浮甚至断裂，导致曲轴砂芯的上部壁厚变薄，增加了夹砂倾向。

2.4.2.曲轴砂芯的结构特点

曲轴砂芯结构比较复杂，长而且粗细不均。如：F-1300泵曲轴：砂芯长1778mm，

最大直径500mm，最小直径140mm。原工艺设计为上下两半砂芯，合芯时用铁丝捆紧，然后用涂料封实。这样就导致以下问题：1）铁丝在铸件浇注过程中很容易被熔断。2）砂芯在钢水中受热应力和浮力的作用下，很容易从分型面处裂开，这样钢水就很容易的进入砂芯内部，进而熔断芯骨，甚至使砂芯破碎漂浮进入曲轴铸件内部，造成夹砂缺陷甚至使曲轴报废。

2.4.3.曲轴砂芯的固定方案

A.原方案是：在芯骨上垂直焊两根Φ30的圆钢，即在芯骨上橫焊两根圆钢作压杠，再加一个Φ30的专用芯撑，用此措施来防止砂芯漂芯上浮。这种方法简单易行，但对于曲轴这种包裹在钢水中的大砂芯而言，压杠几乎没有作用。原因是：这种压杠在1600℃高温环境下，抗弯强度几乎为零。而且圆钢的膨胀系数大于砂型的膨胀系数，很容易造成砂芯局部破裂，导致钢水进入砂芯造成铸件夹砂缺陷。

B.新方案，预防漂芯的构想：首先，要提高砂芯在高温环境下的刚度，即要

提高芯骨的抗弯强度。二，要强化砂芯的固定措施。

要提高砂芯的刚度，首先要提高芯骨的抗弯强度。为此，我们选用抗弯强度大的Φ35钢管来代替Φ20的圆钢做芯骨。为了更有效地提高砂芯的刚度，我们要求把芯

盒改制为整体砂芯芯盒。

经过反复的生产实践，整体砂芯和Φ35粗钢管能有效的提高F-1300泵曲轴砂芯

的刚度。并且有效地防止了砂芯破碎，大大的降低了夹砂的风险.

要达到有效的防止漂芯，还必须解决砂芯的固定问题。怎么固定比较有效呢？只有依托砂箱这种相对稳定的构架和砂芯芯骨这种刚度相对比较强的金属骨架的联系才能达到固定砂芯的目的。用压杠的方法已经失败，那么我们只有采用拉的办法解决了。将砂芯的芯骨通过金属拉杆固定在底箱的箱带上，只有這样才能达到固定砂芯防止漂浮、漂移的目的。为了防止拉杆在浇注初期受热膨胀对砂芯的顶高破坏作用，我们采取活扣连接的办法：在制作砂芯芯骨时，在芯骨安装拉缸的两处分别焊一个加工成型的圆环。在加工拉杆时，在拉杆顶端留一个能够挂在圆环上的圆台。合箱时把拉杆穿过芯骨上的圆环，卡紧在圆环上，另一端用螺母固定在底箱的箱带上。合箱时要注意给拉杆留有一定的伸长空间。

我们在砂芯受浮力较大的两个位置设置拉杆，采用整体芯盒制芯，在制芯时留出拉杆位置、做好拉杆孔，合箱时下好拉杆，用芯砂堵好、封好拉杆孔（堵孔时要注意给拉杆留有伸长空间）。合箱时，打通砂芯排气通道，下好拉杆后用螺母和垫铁将拉

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杆固定在底箱的箱带上，堵、封好拉杆孔，刷好涂料，烘烤后合箱浇注，5天后开箱-打箱-清整-检验，并进行无损探伤。我们共试验生产了4件F-1300泵曲轴（铸号为：331、332、333、334）。检验结果如下：

曲轴砂芯漂移量：331：6mm，332：4mm，333：5mm，334：4.5mm.检验结果完全符合F-1300泵对曲轴设计的要求，而且曲轴没有发现夹砂缺陷。我们将这个方法推广在F系列泵曲轴的生产上，各种曲轴的质量显著提高，至今没有发生F泵曲轴断裂事故。

2.5.通过计算机模拟，提高曲轴铸造工艺水平

通过对曲轴铸造凝固工艺的计算机模拟。为了提高曲轴的致密度，防止缩孔、缩松缺陷的产生，优化曲轴铸造方案：改变了曲轴的分型面，在2拐上方设置一个大冒口，在1拐上方设置一个排气孔。曲轴的缩孔、缩松缺陷有了显著的减少。

2.6.碱酚醛树脂砂的投产

2013年铸钢分厂新厂区投产使用，由于对碱酚醛树脂砂铸造性能不熟悉。在试生产阶段，生产的曲轴大多因裂纹而报废，生产的F-1300泵曲轴出现的裂纹长达半个圆。正式投产后曲轴的裂纹缺陷仍然不时出现，经过反复的实践摸索：首先是在出

现裂纹的部位设置防裂筋，设置开放式浇注系统加快浇注速度，在曲轴的热节部位设置冷铁、在曲轴的热节部位和拐角及圆角部位放置铬矿砂加快冷却速度等措施。结果是：在曲轴的热节、拐角及圆角部位放置铬矿砂，特别是在曲

轴经常出现裂纹的部位放置铬矿砂是解决曲轴热裂纹的主要措施。经过一年多

的摸索实践，曲轴的热裂缺陷基本得到解决，曲轴的质量得到控制。

2014年以前铸钢件生产质量基本处于失控状态。通过一年多的摸索实践，基

本掌握了碱酚醛树脂砂的性能和特点：1）碱酚醛树脂砂在铸钢件凝固末期的热膨胀大于呋喃树脂砂。2）碱酚醛树脂砂在铸钢件浇注凝固过程中的保温性能比呋喃树脂砂好。3）碱酚醛树脂砂的高温溃散性较呋喃树脂砂差，即铸造容让性差。4）碱酚醛树脂砂流动性差。铸钢件的生产质量现在基本得到控制。

3.现场操作过程地控制是提升曲轴质量的重要环节

3.1.造型过程的质量控制

1）酯固化碱性酚醛树脂砂与其它自硬树脂砂不同。在酚醛树脂-酯固化体系中，有机酯是一种直接参与化学反应的固化剂，而非只是促进反映的催化剂，所以，固化剂的用量应与树脂相匹配，其固化速度与温度、有机酯的种类有关。调节固化速度不是靠改变酯的用量，而是靠改变酯的种类。

2）控制面砂、铬矿砂的树脂加入量、酯的种类和砂型强度等性能指标，确保砂型的耐高温性能和耐高温钢水的冲刷性能。

3）加强曲轴砂型的排气措施。碱酚醛树脂砂的砂型透气性差、发气量较大，确保砂型的排气通道畅通是消除和减少曲轴气孔缺陷的关键。

4）碱酚醛树脂砂的流动性较呋喃树脂砂差。生产实践证明提高曲轴砂型面砂的紧实度是提高铸件质量的关键所在，所以，确保砂型面砂紧实度至关重要。

5）提高砂型表面质量是提高曲轴外观质量的前提。掌握好造型时的脱模时间，尽量确保砂型的完好，及时修补砂型表面的凹坑和破损，确保砂型的晾散气时间，然后要确保曲轴砂型的涂料厚度、涂刷层数和涂料层强度，确保砂型的表面质量。

6）确保砂型的烘烤时间和烘烤温度，烘烤后及时浇注，避免砂型返潮。

3.2曲轴的补焊质量控制

补焊是铸钢车间的一道正常工序。铸钢件的补焊和粗加工后的补焊返修是铸钢车间的常见现象。F系列泵曲轴的外表面积比较大，曲轴结构比较复杂、壁厚相差较大，

所以，曲轴的外观缺陷和不可视缺陷相对较多。为了减少粗加后的缺陷补焊工作量，尽量杜绝精加工后的缺陷补焊返修，必须对曲轴铸件的外观认真检查，尽可能的把缺陷留在铸件补焊工序完成补焊。对曲轴的补焊必须严格按照铸钢件补焊规程进行操

作，曲轴必须在预热后方可施焊，尽可能的避免重复补焊。

3.3.冶炼过程的控制

钢水在冶炼过程中产生的夹杂物，是曲轴产生热裂、夹渣、气孔等缺陷的重要原因之一。为减少钢水中的夹杂物，在冶炼过程中，要加强对脱氧、脱硫、除杂、去气

等冶炼过程的操作控制，并在炉后钢包内采取必要的措施，如加稀土等进行变质处理来改变夹杂物的形状，以减少夹杂物的存在，更好的消除曲轴的缺陷。

1）为了更好的去除钢水中的夹杂物，减少曲轴的裂纹、气孔、夹渣等铸造缺陷，冶炼操作要采取以下措施：

a.做好原材料准备工作，防止产生外来夹杂。

b.采取合理的炼钢工艺：如采取合理的吹氧、配电工艺，保证一定的脱碳速度使夹杂物上浮，保持良好的炉况等。

c.采取复合脱氧剂，因为复合脱氧剂形成的夹杂物较大，容易上浮去除。

d.炉后钢包加稀土，改变夹杂物形状，减少夹杂，以减少曲轴的热裂倾向，增加钢水流动性。

e.为了有利于夹杂物上浮排除，除了保证足够的钢水温度外，出钢后钢水在钢包内要适当静置。

2）控制合金的化学成分

合金成分对于各种裂纹的形成尤其是热裂纹有着重要的影响。铸钢件最容易产生热裂纹，所以首先要控制好它的化学成分，采用炉前处理技术来防止热裂。

3）控制钢水中的磷、硫含量

钢水中的磷、硫严重地增大了铸钢件的热裂倾向性。因为它们都能够形成低熔点化合物，降低实际固相线温度，扩大了有效凝固温度范围；它们在钢中都属于表面活性元素，降低晶粒间液相表面张力，阻碍液膜中固相桥的长大和增多，延长液膜存在时间，易使曲轴产生热裂；所以要控制钢水中的磷、硫含量。

4）增加硅含量

增加硅含量可以大大降低铸钢的热裂倾向，但不要过高，过高会影响铸件的机械性能，一般最高不超过0.6%；从防止热裂的角度来说，还要控制锰与硫的比值，有助于抑制硫对铸钢件热裂的不利影响，因为锰与硫起反应而形成硫化锰，从而减少形成Ⅱ型硫化铁的倾向。当锰和硫的比大于20时，铸钢件裂纹发生率低于0.1%。

3.4.造型材料的控制

酯固化碱酚醛树脂砂固化性能调整原则：

1）根据现场原砂的种类、状态，型芯砂的生产工艺要求，外界环境条件（温度、湿度），选择相应的粘结剂和固化剂的种类及加入量来调整型砂的固化工艺性能，以满足曲轴生产的现场要求。

2）型砂工艺强度的调整，主要是调整碱性酚醛树脂及固化剂的加入量。

3）型砂固化速度的调整，主要是调整固化剂的种类和砂温等。

3.5.浇注工艺的控制

浇注温度越高，缩孔增大，晶粒变粗，铸钢的力学性能下降，曲轴热裂倾向增大。从防止热裂的角度来说，应在保证钢水充型，不发生其他充填缺陷（冷隔、浇不足）的前提下，应使浇注温度低些。曲轴铸件应选择低温慢浇。

3.6.预留切割余量

曲轴的浇冒口、补贴大都用气割的方法切除，曲轴的冒口及补贴较大，气割时间长，热作用时间长很容易产生裂纹。为防止气割时产生裂纹，即防止热影响区进入铸件，应该在气割时留有一定的气割余量，用打磨和加工的方法将其去除，

曲轴的冒口及补贴均应采取热切。

4.提升曲轴铸件质量的新设想

F-系列泥浆泵是石油钻机的重要设备，曲轴是泥浆泵的关键零件。曲轴的质量关系着泥浆泵的品质高低。为了提高泥浆泵的品质必须全面提升曲轴的质量。

对曲轴铸造缺陷进行分析和研究，是提升曲轴铸件质量的关键。然而，其难度也是很大的。主要表现在：1）涉及的知识面广，如合金、铸造工艺、造型材料、铸造装备及生产过程的检测等方面知识。2）铸件缺陷形成原因的多样性，一种缺陷可以由多种原因引起，如：影响热裂的因素有冶金因素（合金种类、浇注温度、凝固温度范围及硫等残留元素的存在与否）、铸件结构因素、铸造工艺因素、砂型砂芯因素等。而一种原因又可能引起几种缺陷，如浇注温度过高，会造成铸件缩孔、缩松、热裂、粘砂等缺陷。3）技术措施的制约性，如采用某一措施，可以防止某一类型缺陷，但可能导致产生另外一种缺陷。4）影响因素难以控制，如原材料质量、空气的温度与湿度等。

为了提升曲轴的质量，必须对曲轴的铸造缺陷进行有效的控制。而对缺陷的准确

判断，是解决曲轴缺陷的前提条件。除了用肉眼直接观察判断铸件的外热裂纹、表面粘砂、冷隔、结疤等缺陷外，还能采用磁粉检测法来判断缺陷的类型、位置和大小，用超声波和射线等方法来对铸件进行无损探伤来确定和判断缺陷类型、位置、大小。

4.1铸钢合金的液态特性与铸件缺陷

铸钢合金在熔炼时，温度通常在液相线以上100-150℃。在这样的过热度状态下，液态金属存在近似于固态晶体的小集团，其内部形态与固态晶体类似，但晶格常数更大些。从宏观看，液态金属是由原子集团和空穴组成。从液态转变为固态时，原子集團联系紧密，原来的空穴消失，加之晶体中晶格常数减少，导致体积减小。从而在铸件内形成空洞，使铸件产生缩孔、缩松、热裂等缺陷。

铸钢合金是在大气条件下熔炼，而且炉料中含有一定的夹杂物，如硫化铁、氧化铁、二氧化硅等夹杂物。用铝对钢液进行脱氧，钢液中还含有三氧化二铝夹杂物。钢液含有气体和夹杂物，使铸件容易形成气孔、渣空、夹杂物等缺陷。所以，在铸钢合金的熔炼、变质处理、浇注等环节中，尽量减少液态金属中的含气量与夹杂物量，是减少铸件缺陷的重要技术措施。

4.2.铸钢合金的凝固特性与铸件缺陷

不同碳含量的铸造碳钢，总的说来是外生凝固，C含量=0.05-0.1%时为光滑界面凝固方式，C含量=0.2-0.3%时为粗糙界面凝固方式，C含量=0.55-0.6%时，则为海绵状凝固方式。

4.3.铸钢合金的凝固收缩过程与铸造缺陷

钢水浇入铸型后，液态金属在铸型内冷却、凝固成固态并冷至室温，就会发生液态收缩、凝固收缩和固态收缩，从而使铸件产生缩孔、缩松缺陷。曲轴铸件在冷却过程中因各部分温度不同而产生热应力；加之铸钢合金还会产生相变，因相变而产生相变应力；在收缩时会受到铸型的阻碍而产生收缩应力，若这三种应力被叠加在一起，就会使铸件产生裂纹或者变形。

4.4.曲轴铸件热裂、缩孔和缩松缺陷

热裂、缩孔、缩松、粘砂、气孔、砂眼、夹砂、夹渣、龟纹、脉纹、皱皮仍然是曲轴的常见铸造缺陷。除了曲轴的表面缺陷外，内在缺陷如：内热裂纹、气孔、缩松、夹渣、砂眼等缺陷也常出现在曲轴的粗加工和精加工后的表面上，特别是精加工后发现的内热裂、夹渣、气孔等缺陷，由于返修困难常导致曲轴因此报废。

1）对于铸造碳钢而言，C含量为0.2%时，其抗热裂的能力最强。当碳含量从0.2%增至0.5%时，铸钢件形成热裂的倾向性增加。原因在于：碳含量在此范围内，钢液的液-固相线扩大。当碳含量为0.2%时，液-固相线温度范围为46℃；而当碳含量为0.5%时，该范围扩大到65℃。由此推知：曲轴材质ZG35CrMoA钢液的液-固相线温度范围为56℃左右，曲轴的热裂倾向较强。

2）浇注温度越高，则由于缩孔增大，晶粒变粗，若含有低熔点物较多，如硫含量，则更会促进其热裂的生成，特别是对于曲轴这样的厚大铸件，更是如此。据有关

资料反应，随着浇注温度的升高，铸件的强度和伸长率都会下降，这也是铸件裂纹缺陷形成的倾向性增加。

3）浇注速度的快慢，依铸件壁厚和质量而定；对于壁厚较大的曲轴铸件而言，在保证充型的前提下，其浇注速度越慢，热裂缺陷就越少。

4）当铸件凝固时，其表面层也凝固成固体，故也产生固态收缩，并使铸件外形尺寸减少。有关文献把缩孔的产生概括为：铸造合金的液态体收缩值与凝固体收缩值之和，大于同一时期的固态收缩之值。随着钢水液态收缩系数的提高，液态收缩增加，从而增加缩孔、缩松的体积。如对于碳钢，其含碳量每增加0.1%，液态收缩系数提高2%，随着含碳量增加，其形成缩孔和缩松的的倾向性增加。C含量为0.35%碳钢的液态收缩为每下降100℃，体积减少1.6%。当浇注温度为1625℃时，该钢的液相线温度为1500℃，相当于过热125℃；随后在1500℃至1470℃（液-固相线区域内）进行凝固，凝固体收缩率为3.0%；随后固态收缩的体收缩率为7.2%。其中，从凝固温度γ→α温度为4.41%，相应温度区间为1470℃至690℃，平均每下降100℃，体积

减少0.57%；随后γ→α发生0.33%的膨胀；从α相至室温的体收缩系数为3.12%。对

于C含量为0.35%的碳钢，如在1000℃时，其固态的体收缩为：0.57×4.7≈2.67%。这样液态体收缩为：1.6%×1.25≈2.0%，凝固体收缩为：3.0%；液态体收缩+凝固体收缩≈5.0%，大于固态体收缩2.67%。

这就是铸钢件在凝固时产生缩孔的原因。如果用文字表述，可以这样：铸钢件的液态体收缩之值，加上凝固期间体收缩之值，在同一时期内，大于固态体积收缩之值。故造成铸钢件的内部产生缩孔和缩松。

5）凡是增加固态线收缩之值的因素，都有利于减少缩孔和缩松的倾向，因为体收缩之值等于3倍线收缩之值。如碳钢中C含量分别为0.14%和0.45%时，其固态线收缩值分别为2.47%和2.40%。所以，低碳钢较之中碳钢形成缩孔和缩松倾向要小。

6）凡是提高凝固收缩系数的因素，都会增加凝固收缩的体积值。如碳钢中C含量分别为0.1%、0.35%和0.45%，其凝固收缩系数分别为2%、3%和4.3%。所以，中碳钢比低碳钢形成缩孔和缩松的概率要高。

7）铸钢件的壁厚越薄，相对缩孔与缩松的体积要小些。因为铸件壁薄，表面冷却速度快，在相同条件下，比厚壁铸件的已凝固层相对要厚一些，表面温度也低一些，故剩余液体金属的体积数量相对少一些，从而缩孔与缩松的体积要小一些。

8）造型材料。提高铸型的散热能力，有助于减少缩孔。如采用铬矿砂和硅砂作造型材料，前者比后者形成缩孔与缩松倾向性要小。采用冷铁能减小缩孔与缩松也是同样的原因。

9）浇注方式和浇注速度。浇注方式可分为顶注、底注和联合浇注三种方式，浇

注速度可分为快浇与慢浇两种速度。

顶注能有较好的温度梯度，即上部温度高，下部温度低，利于上部对下部的补缩。上部设置冒口，则可把缩孔移至冒口内，从而消除铸件内部的缩孔和缩松，获得健全的铸件。而采用底注无论是快浇还是缓慢浇注，其温度分布都是铸件下部温度比上部

高，而缓慢浇注则温度分布下部比上部更高。而采用联合浇注（阶梯式内浇道），则温度分布较为均匀。所以，当采用“同时凝固”的工艺设计时，采用低温与快速浇注

共同配合较为合理；当采用“顺序凝固”的工艺设计时，则采用高温与缓慢浇注共同配合更为有利。

现在的曲轴采用的是：联合浇注方式、“同时凝固”的工艺设计原则，采用低温与快速浇注共同配合的鑄造工艺思路。

我的设想：采用“弱顺序凝固”的工艺设计思路，仍然采用联合浇注方式，适当提高底注内浇口位置、从曲轴分型面以下的三分之一处的侧位注入，在曲轴冒口下部三分之一处设置一道内浇口。加上再在冒口中补浇、点浇等措施补救冒口温度过低的问题。适当提高浇注温度，采用“较高温度”与缓慢浇注共同配合的浇注方式。这样就能实现自下而上温度逐步递增的温度梯度，把缩孔缩松移至冒口，从而消除曲轴铸

件内部的缩孔、缩松，又能避免热裂严重的倾向，获得健全的曲轴铸件。

5.结论与综述

历经30多年，F-系列泥浆泵曲轴质量有了很大的提升。从实心曲轴到空心曲轴

的批量生产，经历了15年，基本上解决了曲轴的大面积缩孔、缩松铸造缺陷，曲轴

的质量得到大步提升。采用拉缸固定砂芯并采用整体芯盒制芯，基本上解决了空心曲轴的漂芯和夹砂问题，使曲轴的质量有了长足的提升。2010年通过计算机模拟工艺设计，改变了曲轴的铸造工艺方案，改变了分型面和冒口设置，使曲轴的凝固方式更趋合理，曲轴的内在质量有了较大提升。

2013年，酯固化碱酚醛树脂自硬砂造型在新区试生产后，铸钢件质量一度处于失控状态。曲轴的热裂、粘砂、夹砂、砂眼、气孔、缩孔、缩松、涨砂等缺陷均十分严重。经过一年多的试生产，对造型用原砂进行了检测，原砂的SiO2含量不足94%，不能满足铸钢件生产的要求。铸钢用砂SiO2含量必须达到97%以上，经研究决定将使用的包头风积砂改为SiO2含量为98%福建海砂，保证原砂的耐火度，避免了由此引起的铸钢件表面大面积粘砂、夹砂、砂眼、裂纹等缺陷，大幅度提升了铸钢件的表面质量。在试生产阶段，生产的曲轴大多因裂纹而

报废，生产的F-1300泵曲轴出现的裂纹长达半个圆。经过反复的摸索实践：设置开放式浇注系统加快浇注速度，在曲轴的热节、拐角及圆角部位放置铬铁矿砂，特别是在曲轴经常出现裂纹的部位放置铬铁矿砂，解决了曲轴的热裂缺陷。曲轴的质量得到了控制和提升。

通过对酯固化碱酚醛树脂自硬砂造型的反复摸索实践，基本掌握了碱酚醛树脂砂的性能和特点：1）在铸钢件凝固末期的热膨胀大于呋喃树脂砂。2）在铸钢件浇注凝固过程中的保温性能比呋喃树脂砂好。3）高温溃散性较呋喃树脂砂差，即铸造容让性差。4）碱酚醛树脂砂流动性差。5）砂型透气性差、发气量较大。6）型芯在浇注时的热作用下，树脂进一步聚合交联，碱性酚醛树脂在二次固化后失去了塑性，且树脂加入量多，浇注后碱酚醛树脂受热焦化，形成坚硬的炭化骨架而是之热强度大，退让性差，使铸钢件易产生热裂。

曲轴的材质为：ZG35CrMoA，由以上分析可得出一下推论和结论：

1.ZG35CrMoA的凝固方式应介于粗糙界面和海绵状凝固方式之间。因此，曲轴在浇注凝固过程中产生缩松、热裂缺陷的倾向很大。采用有效的措施，提高曲轴的冷却速度，使曲轴以光滑界面的方式凝固，是提升曲轴内在质量的关键措施。

2.ZG35CrMoA钢液的液-固相线温度范围为56℃左右。因此，曲轴的缩松、热裂倾向较强。

3.ZG35CrMoA铸钢件的液态体收缩之值+凝固期间体收缩之值，在同一时期内，

大于固态体积收缩之值。因此，曲轴内部产生的缩孔和缩松倾向较大。

4.在曲轴的热节、拐角及圆角部位放置铬矿砂，是解决曲轴热裂的有效措施。

5.采用“弱顺序凝固”的工艺设计思路，采用联合浇注方式，并采用“较高温度”与缓慢浇注共同配合的浇注工艺，是消除曲轴铸件内部的缩孔和缩松、避免热裂，获得健全曲轴铸件的有效途径。

6.加强砂型的排气措施，提高铸型的散热能力，有助于减少曲轴的缩孔、缩松缺陷。是提升曲轴质量的有效措施。

7.对曲轴的铸造过程进行有效的控制。特别是对造型过程的控制，提高砂型的排气措施，增加砂型、砂芯的退让性。是提升曲轴质量的关键环节。

8.对冶炼过程的控制，提高钢水质量，控制好钢水的化学成分，是提升曲轴质量的关键所在。

参考文献

1.《铸钢手册》，机械工业出版社，1973.6