一种大型球铁机体侧壁缩松的成因及预防

王 佳，李永刚，杨恒远，王泮兴

（潍柴重机股份有限公司，山东潍坊 261001）

一种大型球铁机体侧壁缩松的成因及预防

王 佳，李永刚，杨恒远，王泮兴

（潍柴重机股份有限公司，山东潍坊 261001）

分析了一种大型机体的侧壁缩松的形成原因，温度过低、热节处未能补缩。借助MAGMA模拟分析软件，通过提高浇注温度，调整浇注系统，增加冷铁等措施，解决侧壁缩松。

缩松；热节；冷铁；浇注系统

球墨铸铁具有良好的机械性能和铸造性能，在现代工业应用中具有重要地位，但由于其糊状凝固的凝固方式导致球墨铸铁铸件容易产生缩松缩孔缺陷，尤其是缩松缺陷，它是球墨铸件最常见的缺陷，也是球墨铸铁件报废的主要原因之一。对于大型的球铁铸件，由于形状复杂，尺寸较大，壁厚不均匀，补缩不畅，缩松问题时有发生，报废后损失极大，严重的影响着企业的成品率及经济效益。

1 缩松原因分析

我公司生产的一种大型机体铸件重量为20 t，球铁牌号为QT400-15，最大轮廓尺寸为5 810 mm×1 630 mm×1 800 mm，属于大型球铁铸件，出现缩松的位置有侧拉螺栓与侧面交界处，两缸与侧面交界处等。原有的浇注系统如图1，采用底注单侧浇注。

图1 原浇注系统

1.1 铸件产生缩松的根本原因是“热不平衡”所致

缩松的位置，通常产生在铸件的厚大中心部位，集合热节处，不同壁厚的交差处和人为热节处。这些地方因热量过高最后凝固又得不到充分补缩而产生了缩松，严重时产生集中性缩孔[1]。本厂生产的机体缩松区域属于不同壁厚的交差处，从结构上看大致如图2所示。

图2 机体缩松区域

1.2 浇注工艺方面

原工艺为单侧卧浇底注方式，经过MAGMA模拟分析发现（图3），从模拟分析图中看，增加冷铁的区域（1区）能尽早凝固，未增加冷铁的原工艺区域（2区）属于最后凝固的孤立液相区。这些热节不与顶部的补缩通道相通，而由于结构问题，冒口只能放置于顶端，距离孤立的液相区较远，冒口补缩不到，因而产生缩松。为此，这些部位需要设置冷铁。

模拟发现单侧浇注中，两侧的浇注温度存在较大的差异，存在严重的热不平衡，尤其是两侧缩松部位，后来在浇注过程中经测量顶部冒口温度也发现此问题，而实际机体两侧的缩松数量浇注对侧比浇注侧多50%以上。

图3 MAGMA模拟分析

1.3 浇注方面的原因

浇注温度太高，使液态金属的液态收缩量增加；太低时，又会降低冒口的补缩能力，特别是采用底注式浇注系统时更明显，铸件往往在下部产生缩孔和缩松。当冒口没有浇满或对大中型铸件没有用金属液对明冒口进行补浇时，这将降低冒口的补缩能力，引起铸件产生缩孔或缩松[2]。此机体的浇注系统为底注浇注系统，浇注温度是1 320~1 340 ℃，温度过低，热节部位未能补缩。

1.4 型腔尺寸在铸件浇注和冷却过程中的变化

球铁凝固过程中发生石墨化膨胀时，铸型型壁是否发生迁移，是影响缩孔大小的重要因素。铸型刚度高，缩前膨胀值就小，缩孔体积也相应减小；铸型刚度低，在石墨化膨胀压力下，缩前膨胀值就增大，缩孔体积也增大。

2 缩松的防止

2.1 提高冶金质量

碳当量：提高碳当量，会增大石墨化膨胀，可减少缩孔缩松。此外，提高碳当量还可提高球铁的流动性，有利于补缩。但提高碳当量时，不应使铸件产生石墨漂浮等其他缺陷。在实际生产中可将碳当量控制在4.7%~4.8%。

镁含量：镁是石墨球化的主要元素，也是阻碍石墨化的元素，是石墨析出量减少。残留镁量越高，缩孔体积越大。在保证石墨球化的前提下，镁残留量越低，越有利于球铁自身补缩，残余镁量应不大于0.05%。

2.2 调整浇注系统

将单侧浇注改为双侧浇注，浇注系统由单侧浇注改为双侧浇注，可改善两侧浇注温度场，使两侧缩松部位同时凝固，使铸件实现“顺序凝固”，有利于获得无缩松的铸件。

2.3 增加外冷铁促进自身补缩

生产中发现球铁出现缩孔、缩松处，总是铸件材料富集处、壁厚差较大处、两元体相交处，采用冒口补缩或均衡补缩均无效果。究其原因以上各处均为温度不良元。

我们采用在不良元处安放随型外冷铁，由于外冷铁材料的蓄热和导热能力远远大于砂型材料，能有效地使不良元处快速散热和凝固，其结果相当于该处冷却面积增加或模数的缩减[3]。其位置如图4。

图4 安放随型外冷铁

2.4 浇注温度

由于此机体初始浇注温度过低，冒口补缩能力不足，需要适当提高浇注温度，另外由于机体增加了大量的冷铁，铁液流经缩松部位后的温度降低，为保证上方冒口处不因温度过低而产生缩松，浇注温度需要再适当提高，但太高会增加液态收缩量，对消除缩孔、缩松不利，最终将浇注温度定为1 340~1 360 ℃。

2.5 提高铸型刚度

若砂型的紧实度太低或不均匀，以致浇注后在金属静压力或膨胀力的作用下，产生型腔扩大的现象，致使原来的金属不够补缩而导致铸件产生缩孔缩松。铸型硬度应不小于80。

3 结束语

采取上述措施之后的此机体在MAGMA模拟分析与实际生产加工中，原侧壁缩松处均未出现缩松，证明上述措施是有效的，尤其是调整温度与增加冷铁，是解决缩松的比较直接的办法。另外在此建议，选择可靠性高的凝固模拟软件进行定性分析，指导工艺设计藉以缩短工艺摸索时间。

[1] 邓义昭. 大型球墨铸铁件铸造过程数值模拟及工艺优化[D]. 湖南大学, 2013.

[2] 周亘. 球墨铸铁缩孔、缩松问题探讨[C].2005中国铸造活动周论文集，2005.

[3] 钱进. 调整温度场消除球铁件缩松缺陷[J]. 现代铸铁, 2003(4):39-41.

[4] 吴和保，樊自田，龙文元，等.轮毂类球铁件缩孔缩松缺陷的形成机理及防治措施[J]. 中国铸造装备与技术,2003(5).

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Large ductile iron castings sidewall shrinkage causes and prevention

WANG Jia,LI YongGang,YANG HengYuan,WANG PanXing
(Weichai Heavy Machinery Co., Ltd.,Weifeng 261001,Shandong,China)

This paper analyzes the causes of a large cylinder body sidewall shrinkage. Too low temperature and the feeding failure of the hot spot. With the MAGMA simulation software, by increasing the pouring temperature, adjust the gating system, increasing the cold iron and other measures to solve the sidewall shrinkage.

shrinkage；hot spot；cold iron；gating system

TG245；

A；

1006-9658（2017）02-0061-03

10.3969/j.issn.1006-9658.2017.02.020

2016-09-21

稿件编号:1609-1532

王佳（1989—），男， 工程师 .主要从事铸造工艺开发工作 .