壳体渣孔的产生原因及解决方案

魏天平

（湖北洪伯金福源机械铸造有限公司,湖北襄阳 441700）

1 铸件介绍

转向机壳体，材质为球铁，产品形状如图1，重量25kg 左右。使用静压线生产，采用覆膜砂热芯以及喂丝球化工艺处理。6 件/模，模重230kg，浇注时间20～25s，浇注温度1380～1400℃，初始工艺如图2。阻流设置在进入冒口的内浇道部位，F阻=336mm2，F横=1972mm2，F直=2826mm2，F内=640mm2，F直:∑F横:∑F阻：F颈=1.4:1：1：1.9。同时在直浇道底部放置泡沫陶瓷过滤网，考虑到类似铸件容易出现冷隔和气孔，特意把直浇道加大。浇注结果：铸件渣孔缺陷100%，全部集中于冒口颈入水口下方，长条状，深度1～3mm，如图3、4。

图1 铸件结构

图2 浇注系统

图3 铸件冒口颈入水口渣眼

2 初始工艺改进

30×倍显微镜下渣孔如图4，分析渣孔来源于两个方面：铁水渣没扒干净，浇注系统没有挡住铁水中的浮渣；流经冒口颈部位的铁水冲到砂芯后铁水反弹飞溅形成的氧化膜粘附于型壁上。通过CAE 软件模拟，确实发现横浇道流速过快（1000mm/s～2000mm/s），冒口颈处有铁水飞溅,见图5。

图4 渣眼放大30×

图5 入水口下方铁水飞溅

为此，将改进方向放在减小内浇道（阻流）面积上，目的是降低铁水流速减缓飞溅；将内浇道改成薄板挡渣，并将铁水引入另外一个内浇道，目的也是降低进入铸件的铁水流速。

将内浇道42mm×8mm 改为42mm×3mm；将冒口颈32mm×14mm 改为竖直的32mm×10mm，且横浇道采用薄板82mm×（13+7）mm 搭接。

浇注结果显示，渣孔仅仅有减小趋势，但是并没有完全消除，见图6、7。

图6 渣孔放大图

图7 渣孔放大图

3 深层原因分析

解决渣孔的有效方法是采用底注方式、层流方式和提高温度，但是因为生产条件、成本和铸件结构原因，改变浇道位置或铁水流动速度以及提高浇注温度是不可行的。采取彻底的措施之前，我们要分清造成渣孔的主要原因是冒口颈铁水飞溅还是浇注系统撇渣能力不够。为此，使用EDX 和SEM进行分析。

从SEM结果看，渣孔形状不规则，轮廓清晰，边沿没有石墨球，有一些片状石墨，见图8。

从EDX 分析结果来看，MgO、SiO2较多，FeO相对少一些。确认这是球铁上常见的所谓“黑渣”，是球化后铁水中渣滓随浇道流入型腔，而不是铁水飞溅造成的氧化膜渣。见图9。

图9 渣孔EDS 分析图

熔化或转包过程中，铁水中的O 生成的大量SiO2-MnO-Al2O3低熔点硅酸盐氧化物，球化处理时又与球化剂中Mg、Al、Ca、Ti、Ce 等，生成MgO、CaO、Al2O3、MgS等氧化物。在铁水温度低于1350℃时，生成“块状渣（一次渣）”，渣成分中MgO、SiO2、MnO、Al2O3居多。铁水温度高于1450℃时，生成氧化膜，氧化膜进入铸件，温度降低，在铸件上形成“线状渣（二次渣）”，此时FeO、MgO、CaO、CeO 居多[3]。这些硅酸盐非金属氧化物，既有球化脱氧产生的内生夹渣物，又有铁水被大气氧化产生的外来夹渣物[2]。本例中MgO、SiO2、MnO、Al2O3居多，可以判定是浇注温度低时产生的低熔点硅酸盐氧化渣（一次渣），主要不是氧化膜。

金相中明显看到石墨畸变或没有石墨球，是因为FeO 与Mg、Ce、Al 作用，消耗了球化元素。如果是FeO 居多，FeO 与游离石墨C 反应，生成CO，在缺陷上应该有C 膜，图8、9 中无碳膜。

图8 渣孔部位电镜扫描图（EDX）

以上分析结果表明，铸件渣孔来源于铁水中的氧化渣和球化渣（一次渣），原因在于铁水太脏，扒渣不干净，浇注温度偏低，浇注系统紊流不具备憋渣能力。

4 工艺改进

现有浇注温度1380～1400℃，考虑到铸件不允许出现任何缩孔缩松，故不能继续提高浇注温度。目前回炉料带砂严重，暂时没有回炉料抛丸机，球化包、浇注包2 天换一次，扒渣剂使用国产材料，导致铁水中和铁水球化后的渣，很大部分在浇注时随铁水流进入型腔，所以只能从浇注系统方面采取措施。因为初始工艺为了节约成本，仅仅在直浇道底部采用了一片陶瓷过滤网，但是过滤网的这种放置方式不是最优方式，所以必须重新考虑。

泡沫陶瓷过滤网的选择和计算：铁水静压头350mm，选用10PPi，充型时间15+5=20（s），计算F横=1885mm2，过滤片面积=F横×（4～6），必须采用2片过滤网，取尺寸100×100+70×70=14900（mm2），有效过滤面积取75%，实际过滤面积11175m2。

过滤器面积复核：浇注速度210kg（全模重）/20s=10.5kg/s，过滤器最小面积=浇注速度/孔径流速因子（球铁10PPI 取0.001kg/（s·mm2））=10500 mm2，过滤网面积选择合适。

为避免铁水经过过滤后再次产生紊流而二次氧化，必须采用全开放浇注系统（见图10），浇注系统面积比例F直：∑F横：∑F内：F颈=1:1.1:1.2：1.9。

图10 全开放浇注系统

采用改进后的方案浇注的铸件，进入铸件的浇道和冒口部位没有任何渣孔（图11），铸件外观100%合格（图12），完全达到客户最严格的要求。

图11 铸件浇道无渣眼

图12 铸件外表无渣眼

5 结论

（1）铁水回炉料没有抛丸，球化渣没有拔干净，聚渣剂不良，浇注包清理不及时的情况下，采用一般的挡渣方式，壳体类铸件容易产生“块状渣（一次渣）”。

（2）泡沫陶瓷过滤网直接放在直浇道低下，对于壳体类铸件，由于壁厚、结构和浇注量大的原因，不能完全挡住一次渣。

（3）采用EDX 和SEM 分析，能有效区分“一次块状渣”和“二次氧化渣”。

（4）依据铁水量、浇注时间、浇注速度，精确计算泡沫陶瓷过滤网面积，并采用全开放式浇注系统，避免铁水流动速度过大再次产生二次氧化渣，可以有效彻底的消除渣眼。