大型厚壁球墨铸铁件铸造工艺研究

宋 亮，苏少静，刘利平

（共享装备股份有限公司，宁夏银川750021）

大型厚壁球墨铸铁件铸造工艺研究

宋 亮，苏少静，刘利平

（共享装备股份有限公司，宁夏银川750021）

通过对矿山机械类球墨铸铁厚壁大件的研究，就厚壁大件采用无冒口铸造和大冒口补缩铸造两种工艺方案进行试验对比，确定了合理的铸造、熔炼和浇注方案，获得了厚壁铸件在不同铸造方案下的实际效果，得出了生产此类产品的工艺方法，为此类铸件的批量化生产奠定了技术基础和生产经验。

矿山机械；球墨铸铁；厚壁大件

球墨铸铁呈粥状凝固，凝固温度范围宽。厚大球墨铸铁件由于壁厚大，凝固时间长，石墨球大且少，产生缩孔、缩松的倾向比灰铸铁件大得多。在工艺设计思路上，有人认为应该遵循顺序凝固的原则，有人认为球墨铸铁件在满足一定条件下，只需要采用小冒口或无冒口也能生产出结构完整的铸件。对于厚壁大件球墨铸铁件如何解决以上问题，是一个需要克服的难题[1]。

我公司给一国际知名企业供应矿山机械球墨铸铁件产品。该产品在矿机机组中主要用于矿石的破碎作业，以及作为传动轴的连接部位承受高载荷、高力矩[2]，因此对铸件的组织性能要求极高，铸件内部在UT检验中不允许有任何大小的纵向延伸裂纹。该系列产品为厚大断面球墨铸铁件（最大壁厚达312 mm，主体壁厚196 mm），铸造技术难度大、质量要求高，产品结构如图1所示。

1 试验目的

试制壁厚196 mm～312 mm，高度1 400 mm的球墨铸铁件，分别采用两种方案：

方案1：少冷铁、无冒口铸造（液态冒口补缩）；

方案2：冷铁分区、大冒口补缩的方案。完成铸造后对实体进行试块UT探伤质量，对比结果，并与仿真模拟的结果进行对比，寻找生产厚壁球铁铸件的生产工艺。

图1 项目产品结构示意图

2 试验方案

2.1 生产方法

呋喃树脂砂造型，树脂加入质量分数为1.2%，固化剂45%，型砂抗拉强度控制在5.0 MPa～6.0 MPa之间，中频炉熔炼；两种方案采用与铸件同结构的1/8实体模样。方案1：少冷铁、无冒口铸造（液态冒口补缩）；方案2：冷铁分区、大冒口补缩的方案。同型生产浇注，打箱后UT探伤，确定生产工艺。

2.2 浇注系统

采用开放式横浇道锯齿集渣、凹槽挡渣效果检验，浇注系统比例为S直∶S横∶S内=1∶2.5∶2.4，内浇口流速低于2.0m/s，浇注重量5.4t，浇注时间50s ±5 s.如图2所示为设计的项目产品的浇注系统。

凝汽器真空严密性差会产生以上危害，因此真空系统的检漏尤为重要。该厂根据机组的停运状态或运行状态，采取了不同的检漏方法。

图2 产品浇注系统

2.3 CAE仿真技术

采用铸造过程仿真软件（MAGMA软件）对铸造过程进行充型、凝固的仿真分析，在铸造生产前准备评估过程中可能存在问题[3]，提前解决，提升质量，其中MAGMA对薄壁、厚壁铸铁的模拟设置是一致的，如确信铸型强度非常好，可以将铸型强度设置选项内选择“die”.如图3所示为项目产品充型、凝固模拟效果图。图3a）图为使用液态补缩冒口+少冷铁，铸件3个区域有缩松显示，缩松较集中，但均在非关键区域，且在壁厚中心位置；图3b)图使用冷铁分区、大冒口补缩，缩松主要集中在2个区域，缩松较分散，在壁厚中间区域，无加工外漏风险。

图3 项目产品充型、凝固模拟效果图

2.4 模样制作

采用了如图4所示的浇注系统与冷铁布置进行模具制作。模样采用消失模代木材料制作，造型完成后开箱将消失模取出；浇注系统同样适用消失模制作，配底台板内浇道过道芯及横浇道、集渣齿均在台板上做出定位；制作时按1%缩尺制作，同时按三维图标识冷铁，按中箱、上箱、底箱顺序造型。如图4所示为铸件冷铁布置及模具制作。

2.5 熔炼参数控制

熔炼材料控制，高碳当量（4.5%±0.05），使用高纯生铁；两级孕育和球化处理的工艺，高质量的铁水冶金质量（洁净炉料、避免高温长时间过热，洁净铁水，优质的球化和孕育，Mg质量分数0.03%～0.05%），保证厚壁大型铸件无组织、成份偏析问题，解决石墨漂浮和冒口颈铸件组织粗大，满足顾客厚壁件的组织和性能要求，同时利于铸件的自补缩。

图4 项目产品冷铁布置及模具制作

3 实际生产结果

实体试块按一箱内生产2个1/8铸件结构的方式进行。采用箱卡卡箱加上箱压箱的方法防止砂箱变形，浇注温度1 298℃，浇注时间52 s，浇注重量5.5 t，打箱时间至少96 h后。如图5所示为项目产品实体检测情况。

图5 项目产品实体检测情况

3.2 铸件检验结果

UT检验：超声波探伤仪Krautkramer USD10，探头Krautkramer B1S E系列，检测员等级必须是SNT-TC-1A 1级。检测工艺首先使用20 db底波损失标准。另外，根据VDG-P-540球铁铸件超声波检测DGS方法（距离、增益和尺寸）只用来测量缺陷尺寸。首先，从铸件一侧开始扫查，对于关键区域和非关键区域损失连续大于等于20 db的部位进行记录：经检测，两种方案均未发现缩松，但UT检测声速，发现方案2声速优于方案1，具体如图6所示。

3.3 实体结果

冒口下方实体×100倍的典型金相照片如图7所示，a）为无冒口方案，b）为有冒口方案；由图7可以，无冒口方案1的金相优于有冒口的方案2，石墨更加圆整。

图6 UT检测声速结果

图7 冒口下方实体×1000倍金相照片

3.4 冒口解剖

对大冒口进行解剖，检测冒口实体无缩孔缩松，HBS硬度分布为140～145.从冒口×100倍的典型金相照片看到：石墨粗大、珠光体含量少，具体如图8所示。

4 总结

通过试验，方案1和方案2均能够获得无缩松的铸件。无冒口的方案1，优点在于成本节约（无冒口少冷铁）、铸件金相石墨圆整度好；大冒口的方案2，优点在于实体密实（声速高无缩松）、操作复杂、成本高。

综合上述实验结论，我公司选用无冒口铸造生产此类大型厚壁铸件，通过合理的设计工艺，优化参数设计，做好厚大断面球墨铸铁的无缺陷工艺的保障措施，解决铸件声速和密实度的问题：

a）高质量的铁水质量的保障：洁净炉料、避免高温长时间过热，洁净铁水，优质的球化和孕育，做标准附铸试块，性能和金相、球墨数量和质量保证，含Mg质量分数为0.03%～0.05%；

b）高质量的铸型的保障：铸型充分紧实，控制砂型硬度及均匀性并测量记录，砂箱完好刚性保证，铸型必须螺栓卡箱卡紧；

c）采取相对较低温度浇注1 280℃～1 290℃；

d）快速浇注：对于本次约5 t的浇注总重，浇注时间宜控制在55 s以内，注意型腔良好出气；

e）无冒口工艺在快速浇注的原则下，控制内浇口厚度（10 mm～12 mm），以保证内浇口先凝固，充分利用自膨胀。

图8 大冒口解剖效果示意图

［1］杨恒远，毕海香，刘继波，等.厚大断面球墨铸铁习无冒口铸造［J］.铸造设备与工艺，2015（2）：24-25.

［2］戎军，蒋云峰，张香杰，等.机床大型球墨铸铁件的铸造生产［J］.金属加工，2013（1）：36-37.

［3］王毅.750大型球墨铸铁泵体铸造工艺的改进［J］.现代铸铁，2016（2）:32-35.

Casting Process of Large Ductile Iron with Thick Wall

SONG Liang，SU Shao-jing，LIU Li-ping
（Kocel Machinery Limited Company，Yinchuan Ningxia 750021，China）

In this article，feederless casting process and large feeder process were respectively applied in the production of large mining machinery with thick wall.The reasonable casting，melting and pouring process were determined and the casting was produced，which provide the basic technology and production experience for the mass production of such casting.

mining machinery，ductile iron，thick wall casting

TG242

A

1674-6694（2017）01-0020-04

10.16666/j.cnki.issn1004-6178.2017.01.007

2016-10-11

宋亮（1986-），男，汉族，宁夏石嘴山人，本科，现主要从事铸造技术的研究工作。