厚大断面球铁的离心铸造

2018-03-20邵桂群

中国铸造装备与技术 2018年1期

邵桂群，洪燕

今年初，公司接德国曼公司订单，要求生产尺寸如图1所示的球铁火焰圈。其成品铸件断面大于75mm，加上加工余量、补缩余量，毛坯断面大于100mm。铸件材质为以铁素体为基体的球铁，技术条件是：石墨：Ⅵ+Ⅴ≥85%、延伸率＞18% 、珠光体≤1%、渗碳体≤1%；硬度：130～160HB、抗拉强度＞400MPa，屈服强度＞250MPa。铸件不允许经高温石墨化退火（高温石墨化退火会改变石墨球的圆整性）。

图1 火焰圈简图

1 铸件分析

之前，我们生产过其他型号的球铁火焰圈，但其毛坯断面不到80mm，要求也不同，主要区别是延伸率要求大于12%，铁素体含量大于80%。

球墨铸铁是糊状凝固，其由液态转变为固态的温度不能确定。随着铸件厚度增加，铸件凝固时间增长，石墨形态畸变概率加大；离心铸造生产时，在离心力的作用下，成分偏析严重，而且凝固过程中毛坯内孔一直与空气接触，球化剂氧化时间增加，石墨形态更难达到稳定。

通过以上分析知道，要生产出合格铸件，我们在制定工艺时要有利于球状石墨的形成以及铸件的凝固。球化剂的加入量要考虑离心浇注凝固过程的氧化；冷却工艺要注意，既要尽可能缩短凝固时间还不能在毛坯外圆形成激冷。

2 工艺制定

2.1 模具设计

离心铸造的模具，如壁厚小热容量变小，冷却水变化对凝固过程变化敏感性增强、模温难以稳定；如壁厚大模具热容增大，模具温度难以保证，冷却水调节作用变小[1]。所以，我们按毛坯与模具壁厚比0.8～1.2来设计模具，最终模具壁厚按90mm设计。

2.2 冷却水路排布

离心铸造铸件凝固时热量的散失（含铸件温度的降低及结晶潜热的散发）主要是靠模具外圆冷却水带走，为缩短凝固时间，冷却水要量大压高。所以，在排布冷却水管时，水管道数比一般铸件多、再加0.5～0.6MPa的压缩气压以增加冷却水压力。冷却水排布如图2所示。

2.3 原材料准备

图2 冷却水路

铁液中如含有过高的磷、硫、钛等有害元素，不利于石墨球化级别的提高[2]，破坏石墨球的圆整，所以熔炼材料应该采用高纯低钛生铁+碳素钢熔炼，配比：80%高纯低钛生铁+20%碳素钢+合金。

表1 工艺参数操作指导卡

2.4 成分控制

碳是促进石墨化元素，碳含量高有利于石墨的形成[3]，我们控制在3.75%～3.85%，硅也是石墨化元素，但硅过高会降低球铁的韧性，降低延伸率。况且为了消除铸态渗碳体，必须经过多次孕育，原铁水硅只能控制在1%左右，终硅控制在2.5%～2.8%范围内。

图3 冷却曲线

2.5 球化及孕育控制

通过试验得知，铸件的残余镁在0.04%～0.08%时球化级别最好。离心铸造由于毛坯内孔氧化，如铸件在800～1200s内凝固，那么球化后铁液残余Mg应控制在0.10%～0.14%，因此球化剂（球化剂为埃肯稀土-镁）加入量为铁水重量的1.2%。

为消除铸态渗碳体，我们分为四次孕育。一次孕育为铁水重量的1%与球化剂同时加入包内，型号宁阪硅钡孕育剂、粒度3～7mm；二次孕育为铁水重量的0.25%，球化时随流加入，型号宁阪硅钡孕育剂、粒度0.1～0.6mm；三次孕育为球化后铁液表面浮铁水重量的0.2%的75硅铁；最后在浇注过程中继续往浇口杯中加0.1%的随流孕育剂，型号宁阪硅钡孕育剂、粒度0.1～0.6mm。