劉利安，李志翔

一、概述

我廠現(xiàn)行φ40mm低鉻合金磨球生產(chǎn)方法是金屬型一模八球+硅砂冒口成形工藝，達(dá)到了選礦廠年節(jié)省磨球費(fèi)用100多萬元的良好應(yīng)用效果。

隨著我國鑄造技術(shù)的發(fā)展，一些新型工藝的問世及推廣應(yīng)用，使我們原有的金屬型鑄造優(yōu)勢變?yōu)榱觿?，已不適應(yīng)市場經(jīng)濟(jì)發(fā)展的要求，現(xiàn)行工藝與新型工藝相比，存在著以下幾方面不足：

（1）金屬型制作成本高，使用壽命短。

（2）內(nèi)澆道長期受高溫烘烤，易發(fā)生熱疲勞點(diǎn)蝕，嚴(yán)重影響了磨球的外觀質(zhì)量。

（3）生產(chǎn)成本高、周期長。

（4）工人作業(yè)環(huán)境差、勞動強(qiáng)度大。

新型工藝特點(diǎn)：鑄件精度高；產(chǎn)品質(zhì)量高；工藝過程簡化，容易操作；工藝穩(wěn)定，產(chǎn)品廢品率低。因此，以新型工藝取代現(xiàn)行工藝已成為參與市場競爭的必然。

二、試驗(yàn)過程控制

1.化學(xué)成分控制

（1）碳 控制wC＝3.0﹪～3.8﹪。低鉻白口鑄鐵和其他白口鑄鐵一樣，含碳量是影響其性能的重要因素。碳量增加，硬度和耐磨性隨之增加，而脆性也相應(yīng)地提高；碳量過低，不易獲得表面和內(nèi)部均無缺陷的磨球。

本試驗(yàn)取較高的碳，是為了有效地增加碳化物的數(shù)量。碳化物數(shù)量增加則組織中硬化相數(shù)量增加，從而有利于提高磨球的強(qiáng)度和硬度。

（2）硅 控制wSi＝1.4﹪～2.6﹪。硅是強(qiáng)烈促進(jìn)石墨化的元素，過低易產(chǎn)生縮松和裂紋，但過高時(shí)碳化物含量也會太高，脆性增加，鑄造性能惡化。本試驗(yàn)取較高的硅是極有利的，因?yàn)楣枋遣恍纬商蓟镌兀淙苋牍倘荏w，從而減少了碳在固溶體中的溶解度，提高了碳的活力，保證了碳化物數(shù)量的基本穩(wěn)定，又使基體得到了強(qiáng)化。

（3）錳 控制wMn＝0.4﹪～0.8﹪。用于促進(jìn)生成珠光體和萊氏體，并細(xì)化珠光體，提高鑄鐵強(qiáng)度、硬度，但超過一定含量易造成偏析，并使組織中出現(xiàn)奧氏體。而本材質(zhì)的金相組織和各項(xiàng)性能的取得，主要不依賴于錳，因此含量按通常范圍考慮。

（4）鉻 控制wCr＝1.5﹪～2.7﹪。在白口鑄鐵中添加鉻元素，不僅可以改變碳化物的相結(jié)構(gòu)，提高硬度和耐磨性，而且還可以改變基體和碳化物的分布形態(tài)，使白口鑄鐵有較好的力學(xué)性能。但隨著鉻的增加，脆性會相應(yīng)地加大。

（5）硫和磷 考慮其有害作用和普通白口鑄鐵要求一樣，即wS、wp均＜0.06﹪。

（6）稀土變質(zhì)處理 控制wRE殘＜0.02﹪，可以使M3C型碳化物由連續(xù)網(wǎng)狀變?yōu)閿嗑W(wǎng)及孤立分布，同時(shí)使萊氏體型變?yōu)榘鍓K狀。稀土對鐵液的凈化作用極強(qiáng)，減少含氣量，可以使非金屬夾雜物趨于團(tuán)球化，這有利于沖擊疲勞性能改善。

（7）鉬 控制wMo＝0.2﹪～0.3﹪。在鋼中主要作用是提高淬透性，細(xì)化晶粒，改善碳化物的形態(tài)和分布，防止回火脆性，與鉻同時(shí)加入可改善沖擊韌度。

2.成形工藝

（1）泡沫型的制作 首先設(shè)計(jì)一型六球泡沫型鋁合金模具（見圖1），然后將金屬模具送往泡沫廠，進(jìn)行批量發(fā)泡生產(chǎn)泡沫型。

（2）澆冒系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 首先將單泡沫型按圖1所示連接成串，然后將其用縱橫交錯的泡沫條（澆道）連接在一起，采用頂注的方法進(jìn)行澆注。

（3）涂料工藝 ①混制工藝。先將CMC(纖維素)用溫水稀釋，其比例為CMC∶水=1∶40，停放時(shí)間不少于4h，再將CMC水溶液倒入攪拌桶內(nèi)，攪拌1～2h；加白乳膠攪拌0.5～1h；然后加優(yōu)質(zhì)膨潤土、碳酸鈉、糊精，攪拌1h左右；最后加硅砂粉攪拌2～3h。在每次使用前攪拌10～15min，使其成分均勻。②涂敷及干燥工藝。采用浸涂及刷涂相結(jié)合。首先用浸涂的方法進(jìn)行大面積涂敷。對局部未浸涂好的部位再用刷子補(bǔ)涂，然后烘干，烘干溫度為30～40℃。烘干后再涂刷，刷涂3～4遍，最后得到厚度為1～1.5mm的涂層。

（4）埋箱澆注 采用自制直徑為2720mm、高度為1500mm的底抽式負(fù)壓砂箱。用粒度為0.90～0.45mm（20/40目）的硅砂作為造型材料。將負(fù)壓值控制為0.05MPa，一方面大大抑制模樣的氣態(tài)產(chǎn)物數(shù)量，另一方面可使砂型從模樣到砂箱之間建立起一個(gè)較大的正壓力梯度，加速模樣汽化、液態(tài)分解產(chǎn)物逸出涂層及砂型的速度。澆注溫度控制在1480～1500℃，澆注時(shí)間140s，順利實(shí)現(xiàn)澆注。

3.熔煉工藝

采用中頻感應(yīng)電爐熔煉。中頻感應(yīng)電爐是目前鑄造行業(yè)最先進(jìn)，同時(shí)也是應(yīng)用最廣泛的熔煉設(shè)備，由于其具有強(qiáng)磁力攪拌作用，因此熔煉鋼液能夠最大程度地實(shí)現(xiàn)“溫度起伏”、“濃度起伏”和“成分起伏”，從而為獲得成分均勻、潔凈的高質(zhì)量鋼液提供了最有利的保障。

4.熱處理工藝

（1）水淬工藝 澆注完后，待球冷卻至暗紅色（600～700℃），熱打箱，并將球淬入水中（要求水溫為20～40℃）進(jìn)行熱處理。

（2）空淬工藝 澆注完后，待球冷卻至暗紅色（600～700℃），熱打箱，并將球裸露在空氣中進(jìn)行熱處理。

（3）淬火池的設(shè)計(jì) 淬火工序是本次科研工作最重要的環(huán)節(jié)之一，研制的φ40mm球的各項(xiàng)性能指標(biāo)是否能達(dá)到原設(shè)計(jì)要求，關(guān)鍵是要控制好這一環(huán)節(jié)，為此我們設(shè)計(jì)制造了水淬火池，以保證研制工作的高質(zhì)量完成。

圖1

（4）淬火冷卻介質(zhì)的選擇 根據(jù)熱處理工藝所要求的冷卻速度，以及磨球所要求達(dá)到的強(qiáng)度、硬度、耐磨性，本著降低成本的原則，我們選用了水、空氣作為淬火冷卻介質(zhì)。

（5）淬火池容積的確定 淬火池的大小取決于淬火冷卻介質(zhì)與磨球之間的數(shù)量關(guān)系，根據(jù)生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)，只要淬火冷卻介質(zhì)重量為10倍于磨球重量，便能完全滿足工藝要求。

三、試驗(yàn)結(jié)果及分析

1.試驗(yàn)結(jié)果

通過工藝條件的控制，用消失模鑄造工藝生產(chǎn)φ40mm低鉻合金磨球若干，鑄球表面光潔、圓整，無飛翅、毛刺、多肉等缺陷，各項(xiàng)性能指標(biāo)均優(yōu)于金屬型生產(chǎn)球（見表1、表2、表3、圖2、圖3、圖4）。

2.原因分析

（1）從表1可知，無論用金屬型或消失模生產(chǎn)φ40mm低鉻合金磨球，其化學(xué)成分均在控制范圍內(nèi)，但消失模的碳含量略高，其原因是由于消失模汽化時(shí)造成金屬液略微增碳所致，只要我們在配料時(shí)考慮此因素，便能將成分控制到所要求的值。

（2）從表2可看出，消失模空淬硬度值略低于金屬型硬度值，而消失模水淬硬度值明顯高于金屬型硬度值，其原因是由于空淬激冷效果比金屬型略差，而水淬激冷效果明顯優(yōu)于金屬型所致。

表1 兩種成形方法化學(xué)成分對比（質(zhì)量分?jǐn)?shù)） （﹪）

表2 兩種成形方法硬度測試對比 （HRC）

表3 兩種成形方法密度測試對比 （kg/dm3）

（3）從表3可看出，用消失模生產(chǎn)的φ40mm低鉻合金磨球的致密度也明顯高于用金屬型生產(chǎn)的低鉻合金磨球，其原因是由于消失模鑄造比金屬型鑄造更利于造成磨球順序凝固的溫度梯度條件，因此生產(chǎn)磨球的綜合性能優(yōu)于金屬型生產(chǎn)磨球。

（4）從圖2～圖4可看出，用消失模水淬生產(chǎn)的φ40mm低鉻合金磨球，其金相組織、碳化物形態(tài)及分布，均優(yōu)于用消失?？沾慵坝媒饘傩蜕a(chǎn)的低鉻合金磨球，其原因是由于用消失模水淬生產(chǎn)磨球的綜合成形因素均優(yōu)于用消失?？沾慵坝媒饘傩蜕a(chǎn)所致，因此，本項(xiàng)目研究最終選用消失模水淬來生產(chǎn)φ40mm低鉻合金磨球。

四、工業(yè)性試驗(yàn)

圖2 消失?？沾?/p>

圖3 消失模水淬

圖4 金屬型

本試驗(yàn)一次投入用消失模生產(chǎn)的φ40mm低鉻合金磨球1000kg，在大選廠濕磨機(jī)中與用金屬型生產(chǎn)φ40mm低鉻合金磨球進(jìn)行對比試驗(yàn)，經(jīng)3個(gè)多月的實(shí)際應(yīng)用表明，我廠生產(chǎn)的低鉻合金磨球與金屬型鑄造相比具有以下顯著特點(diǎn)。

（1）表面光潔，無粘砂、夾砂、氣孔及縮孔等鑄造缺陷。

（2）內(nèi)在質(zhì)量高，具有較好的耐磨性能。

（3）在實(shí)際工況條件下應(yīng)用，具有不失圓、不破碎、磨球磨耗低等良好應(yīng)用效果。

（4）使用壽命優(yōu)于金屬型鑄造同類產(chǎn)品。

五、結(jié)語

合理的材質(zhì)選擇、先進(jìn)的鑄造工藝及切實(shí)可靠的質(zhì)量控制措施，是生產(chǎn)出高質(zhì)量低鉻合金磨球的關(guān)鍵。隨著該工藝的推廣應(yīng)用，將全面提高我廠的磨球產(chǎn)品質(zhì)量，增強(qiáng)其市場競爭實(shí)力，并取得較為明顯的社會效益和經(jīng)濟(jì)效益。