合金铸铁磨球生产用金属型的设计及其制造工艺

2015-11-16李健

金属加工(热加工) 2015年11期

■李健

1. 概述

球磨机是广泛应用于矿山等行业的制粉设备，磨球是球磨机工作过程中消耗金属材料最多的易损件，磨球的表面质量及内在质量不但影响其制造成本，而且影响球磨机的台时质量，所以生产优质的磨球，是生产企业重点研究解决的问题。

我公司每年为鞍山矿业公司生产磨球2万余吨，磨球材质采用的是低铬合金白口铸铁，是一种生产成本低、耐磨性较好的耐磨材料，其生产工艺流程为配砂、造型、制芯、合箱、浇注、打箱、余热淬火，采用的是手工生产方式。

在磨球的生产实践中，我们认识到低铬合金白口铸铁磨球对铸造缺陷比较敏感，磨球破碎的主要原因就是磨球表面或心部存在裂纹源，如缩孔、缩松、夹杂、疏松等铸造缺陷，在冲击应力作用下扩展造成破碎，而这些缺陷又与铸造工艺密切相关的。由于砂型铸造是典型的体积凝固方式，不可能完全消除缩松、疏松等铸造缺陷。

金属型有高的导热性和蓄热性，液态金属在金属型中冷却速度快，过冷度大，金属型的凝固方式为中间凝固或近似逐层凝固，所铸造出的磨球组织致密，晶粒细化，可明显减少缩孔、缩松等铸造缺陷，具有较高尺寸精度和较好的表面粗糙，磨球表面良好，降低磨球碎球率。同时因金属型铸造工序简化，影响磨球质量的工艺因素比较少，工艺条件较易控制，因而磨球质量较稳定，废品率降低。因此，我公司多年来一直采用金属型进行磨球生产。

2. 磨球金属型的技术要求

磨球金属型形成铸球型腔表面粗糙度为Ra1.5μm，其余加工表面的表面粗糙度为Ra3.2μm，非加工表面的表面粗糙度为Ra50μm，不允许有肉眼可见的缩孔、缩松、气孔、裂纹、冷隔、夹砂、砂眼等缺陷存在。模具应清理干净，修整飞边、毛刺，去除浇冒口、粘砂、氧化皮及内腔残留物等。

3. 铸铁球金属型材料的选择

金属型主要承受激冷、激热、磨损及反复震击的工况条件，因此金属型必须具有良好的抗激冷激热性、耐磨性及减震性能。灰铸铁是一种价廉易得的金属材料，铸造及机械加工性能好，耐磨及减震性能良好。从生产技术、成本及设备等方面考虑，选择了HT200为金属型的制造材料。

铸铁球材料化学成分的选择如下：

（1）碳、硅 C、Si都是强烈地促进石墨化的元素，在一定的冷却速度和孕育条件下，碳当量CE增加可以提高灰铸铁的石墨化程度，碳以碳化物形态存在的数量减少，以石墨形态存在的数量增加，在组织上表现为白口倾向减小，铸态渗碳体和珠光体数量减少。此外，提高碳、硅含量还可提高铸造性能，降低铸件断面敏感性，减少铸件内应力，提高切削加工性能。

综合考虑金属型的结构尺寸及保证金属型的使用性能，确定wC＝3.1%～3.3%，wSi＝1.6%～1.9%。

（2）锰和硫 Mn、S是稳定碳化物且阻碍石墨化元素，但两者共同存在时，会结合成硫化锰和硫、铁锰化合物，以颗粒状分布于基体中。这些化合物的熔点在1 6 0 0℃以上，不仅无阻碍石墨化的作用，而且还可作为石墨化的非自发性晶核。考虑到使用冲天炉冶炼，使用的原材料生铁、废钢等炉料的wS为0.05%，冶炼后铸件的wS能控制在0.10%～0.1 2%，因此wMn为0.6%～0.8%。

灰铸铁中磷高可以提高铸件的耐磨性，但随着含磷量的提高，铸件力学性能尤其是韧性和致密性降低。此外,含磷量高往往是铸件冷裂的原因，所以控制wP＝0.05%~0.07%。

4. 金属型的设计简述

铸铁球金属型分上型、下型，在上半型球腔顶部各设一个排气孔。在铸型中布置6个铸球型腔，对定位销的安装要求：在下半型上为过盈配合，而在上半型上为间隙配合。

合箱时主要靠两个定位销定位，以往采用的明长合箱销，经过生产实践证明，使用一段时间后，定位销就会发生弯曲现象，造型时金属型合箱不严，生产的磨球常产生偏箱及飞边缺陷，且浇注时合箱销易被铁液粘结，清理起来难度很大，铁液粘结严重时常造成金属型报废，经济损失较大。经过研究，将明长合箱销改为短暗合箱销，可显著解决上述问题，且减轻了金属型重量，方便操作，两种金属型结构如图1、图2所示。

5. 金属型的铸造工艺

（1）混砂采用粒度为0.224~0.154mm（70/100目）硅砂作为原砂，以保证金属型的表面粗糙度达到规定要求。使用碾式混砂机进行混砂，粘结剂采用普通黏土，型砂由新砂、旧砂、黏土及适量的水组成，先加入旧砂后进行预加水，使旧砂表面所包覆的附加物先吸收一些水分，然后再加入新砂、黏土等继续加水湿混，达到所规定的型砂紧实率后出碾，混砂效果较好。

（2）造型金属液浇入铸型后，夹在金属液中的熔渣，由于密度较小，常浮在上面，如果铸件加工面朝上，加工后表面很可能产生缩孔、缩松、气孔、夹渣等缺陷而报废，所以浇注位置的选择是使重要面朝下或者置于垂直方向。

由于球窝表面是金属型最重要的工作表面，不允许存在任何铸造缺陷，所以浇注位置的选择是使该工作面朝下，以保证球窝表面的质量，球窝最初工艺设计由砂芯形成，浇注后进行机械加工发现6个球窝中心点不在一个圆周线上，经分析认为主要是由于操作误差造成芯座底面不平，下芯后砂芯不同程度地存在倾斜现象。此外，起模操作时造成芯座尺寸超差过大，每个芯座尺寸大小不同，浇注后金属型也会产生球窝不在一个圆周线上的现象。

经过研究，决定取消砂芯，造型时6 个球窝由砂胎直接形成，修型时对球窝砂胎修整要精心操作。工艺改进后经划线检查发现消除了6个球窝不同心现象，同时简化了生产工序，缩短了生产周期。

采用湿型砂造型，因为湿型砂不用烘干，造型效率高，生产周期短，材料成本低，便于组织生产。

图1 原金属型示意

图2 改进后金属型示意

6. 熔炼

（1）炉料的控制要求冶炼用炉料主要有生铁、废钢、铁合金。

生铁：硫是一种阻碍石墨化元素，特别是硫的共晶体或富铁硫化物存在时，这种作用更为明显，可能使铸件出现白口，磷在灰铸铁中多以磷共晶形式存在于晶界上，使铸件韧性降低，磷含量过高则强度下降，因此生铁应低磷、低硫。选用辽阳某厂Z18生铁，其化学成分：wC＞3.3%，wSi＝1.40%～1.80%，wP≤0.06%，wS≤0.04%，生铁要求锈蚀少，夹渣少，化学成分准确。

废钢：废钢使用碳素钢，块度必须符合规定，每块废钢长度不得大于加料口的1/3，废钢表面不得有严重的锈蚀，否则会导致局部产生白口等缺陷，造成加工困难，夹带的泥沙必须清理干净，并分类保管。

回炉料：采用金属型本体回炉料或同一牌号的其他产品回炉料。使用前应清除表面的粘砂及型腔内的砂芯，入炉前回炉料应破碎成一定块度，长度不得大于加料口的1/3。

铁合金：主要使用硅铁、锰铁，要求不得受潮，不得黏附泥沙及油污并要求做除锈处理。

（2）焦炭焦炭的优劣直接影响到冲天炉熔炼时的冶金质量和铁液温度，要求固定碳高，强度高，硫量低，灰分少。如果焦炭的含硫量高，焦炭中的硫就会大量进入到铁液中，铁液含硫量就高。

选用的焦炭理化指标是：固定碳含量＞82%，焦炭块度80～12 0mm，水分≤5.0%，灰分≤8.0%，挥发分≤1.5%，硫分≤0.6%，落下强度≥92.0%，碎焦率（＜40mm）≤4.0%。

（3）熔剂石灰石主要作用是炉内造渣，主要指标要求：Ca O≥52%，Si O2≤1.5%，MgO≤2.5%。

7. 生产工艺控制要点

（1）高温熔炼保证铁液有一定过热，可以消除生铁炉料中的粗大过共晶石墨，避免粗大石墨从液态遗传到固态，有利于改善石墨形态，从而提高材料的使用性能。此外，从铁液出炉到吊运至浇注场地，铁液温度要降低50～100℃，因此出铁温度要控制在1450℃以上。

（2）浇注 ①浇包烘干。浇包搪好后，一定要进行烘干。若没有烘透，在注入铁液后，就会吸收部分热量而降低铁液温度，因此修好的浇包一定要充分烘干，浇注前还要预热，使浇包的温度为6 5 0～8 0 0℃。②浇注温度。浇注温度的高低，对铸件的质量影响很大，温度越低则流动性越差，容易产生冷隔和浇不足，但温度过高，会使铸件表面粘砂，缩孔增大，晶粒变粗。根据金属型材质牌号及壁厚尺寸，确定浇注温度为1330～1360℃。③浇注操作。扒渣：铁液出炉后，在铁液表面加保温集渣覆盖剂，扒尽熔渣。这个操作要迅速，以免时间过长，使铁液温度降低太多；浇注：浇注开始时应缓慢以细流铁液注入，防止铁液飞溅，随后快速充满浇口，不可断流，最后细流注入，以防铁液溢出，铸型充满后稍停一下，再在冒口内补浇热铁液。