何文東

（蕪湖久弘重工股份有限公司，安徽蕪湖 241206）

2015年國(guó)務(wù)院下發(fā)《中國(guó)制造2025》綱要，在“戰(zhàn)略任務(wù)和重點(diǎn)”里，明確提出裝備制造業(yè)十類(lèi)重點(diǎn)領(lǐng)域突破發(fā)展，其中“高檔數(shù)控機(jī)床和機(jī)器人”位列第二類(lèi)重點(diǎn)領(lǐng)域。在此背景下，我國(guó)高檔數(shù)控機(jī)床迎來(lái)井噴式發(fā)展，其中大型龍門(mén)五面加工中心由于加工零件的重量重尺寸大，對(duì)于重型裝備零部件的加工不可替代，因此市場(chǎng)需求很大。

在大型龍門(mén)五面加工中心機(jī)床里，有一種工作臺(tái)鑄件，屬于技術(shù)難度大，質(zhì)量要求高的鑄件。由于機(jī)床的大型化，鑄件重量一般都在10 t到30 t之間，尺寸寬度2 m以上，長(zhǎng)度在6 m以上。工作臺(tái)臺(tái)面裸露在機(jī)床外面，對(duì)外觀(guān)和尺寸精度要求高，承壓承重，臺(tái)面表面不允許有任何鑄造缺陷，不允許焊補(bǔ)，T型槽里也不允許有縮孔縮松缺陷。

圖1 大型工作臺(tái)鑄件結(jié)構(gòu)

1 大型工作臺(tái)的技術(shù)要求和生產(chǎn)難點(diǎn)

大型工作臺(tái)屬于高強(qiáng)度灰鑄鐵鑄件，H T300材質(zhì)，布氏硬度要求大平面大于180HB，形狀是平板框架長(zhǎng)方體，內(nèi)腔結(jié)構(gòu)復(fù)雜，鑄造結(jié)構(gòu)如圖1所示。大平面和T型槽里不允許有任何鑄造缺陷，大平面不允許焊補(bǔ)。臺(tái)面加工后的尺寸精度和平面度要求高，因此要求鑄件殘余應(yīng)力要小。此類(lèi)鑄件由于重量大，一般超過(guò)10 t，大平面表面積大，一般在10 m2以上，壁厚厚大，大平面壁厚在50 mm～100 mm.鐵液充型時(shí)間長(zhǎng)，凝固時(shí)間長(zhǎng)，容易出現(xiàn)砂眼、氣孔、冷隔、渣孔、變形，T型槽縮松、孕育衰退等鑄造缺陷，尤其是大平面皮下氣孔和T型槽縮松缺陷比較普遍。大平面或者T型槽里只要出現(xiàn)任何的微小缺陷都視為廢品。一般鑄造廠(chǎng)家廢品率高達(dá)20%～50%.因此采用什么方法生產(chǎn)大型工作臺(tái)鑄件，提高合格率，是很多鑄造廠(chǎng)的研究課題。

2 鑄造工藝

圖2 大型工作臺(tái)鑄造工藝簡(jiǎn)圖

2.1 分型面及砂芯設(shè)計(jì)

該類(lèi)鑄件采用呋喃樹(shù)脂砂造型。圖2為該類(lèi)鑄件鑄造工藝簡(jiǎn)圖，由于工作臺(tái)臺(tái)面的質(zhì)量要求非常高，反面滑塊凸臺(tái)要求相對(duì)低一些，因此將臺(tái)面大平面放在下型。采用吊芯工藝，鑄型位于上箱，大平面位于下箱，所有泥芯用螺桿固定在上箱。這樣做的優(yōu)點(diǎn)是泥芯內(nèi)氣體通過(guò)上面的芯頭排氣順暢，減少氣孔缺陷；當(dāng)鑄型翻轉(zhuǎn)后，型腔中的散砂容易清理干凈，減少夾砂缺陷；吊芯不使用芯撐，確保大平面沒(méi)有異物，外觀(guān)好。該工藝的缺點(diǎn)是行車(chē)起重重量必須足夠，一般鑄型加上砂箱重量超過(guò)40 t以上，配好型的鑄型要翻轉(zhuǎn)過(guò)來(lái)，瞬間沖擊力非常大，必須使用50 t以上的行車(chē)才能完成。

2.2 澆注系統(tǒng)設(shè)計(jì)

大型工作臺(tái)最突出的難點(diǎn)之一是臺(tái)面的皮下氣孔缺陷，尤其是地處江南地區(qū)的鑄造廠(chǎng)這個(gè)問(wèn)題更為突出。為了解決此問(wèn)題，保證大平面溫度場(chǎng)分布均勻，采用底返雨淋式澆注系統(tǒng)，如圖3所示。澆注系統(tǒng)設(shè)計(jì)環(huán)形橫澆道，四道直澆道，三個(gè)澆包同時(shí)快速澆注，總澆注時(shí)間控制在120 s以?xún)?nèi)，澆注溫度控制在1380℃～1410℃左右。設(shè)計(jì)多個(gè)底返雨淋式陶瓷內(nèi)澆道，使氣體和夾雜物在進(jìn)流鐵水沖擊力作用下充分上浮，保證大平面質(zhì)量。注意澆注時(shí)，出水速度一定要快，以最短的時(shí)間將大平面快速充滿(mǎn)，切忌澆注初期的斷流現(xiàn)象，防止產(chǎn)生冷隔氣孔等缺陷產(chǎn)生。澆注系統(tǒng)各組元截面積比例為ΣF直：ΣF橫∶ΣF內(nèi)=1∶2∶2.2，為開(kāi)放式無(wú)壓澆注系統(tǒng)，其優(yōu)點(diǎn)是充型平穩(wěn)，大流量，低流速，不產(chǎn)生紊流。上箱放置若干個(gè)油瓶冒口，進(jìn)行液態(tài)補(bǔ)縮。

圖3 大型工作臺(tái)澆注系統(tǒng)

2.3 隔砂冷鐵設(shè)計(jì)

大型工作臺(tái)臺(tái)面壁厚在50 mm～100 mm，面積在10 m2以上，鐵液凝固時(shí)間長(zhǎng)，容易在T型槽部位產(chǎn)生縮松。由于澆注系統(tǒng)采用的是底返雨淋式，下箱設(shè)置了大量陶瓷內(nèi)澆道，這樣會(huì)造成大平面長(zhǎng)時(shí)間過(guò)熱，加劇了T型槽縮松缺陷的產(chǎn)生。鑒于此，在下箱設(shè)計(jì)了隔砂鑄鐵冷鐵，如圖4所示，用隔砂鑄鐵冷鐵調(diào)節(jié)溫度場(chǎng)，加快底部大平面的凝固速度，使鐵水迅速結(jié)殼，提高石墨化膨脹帶來(lái)的自補(bǔ)縮效果，降低內(nèi)澆道長(zhǎng)時(shí)間充型造成的過(guò)熱。采用隔砂冷鐵既解決了T型槽縮松，又避免了大量使用直冷冷鐵而造成的大平面表面氣孔缺陷。在鑄鐵冷鐵表面設(shè)計(jì)了鋸齒型，目的是增加冷鐵與型砂接觸表面積，增加型砂附著力，不至于澆注時(shí)產(chǎn)生沖砂。在下型型板上做出隔砂冷鐵芯頭，第一次造型后將砂箱翻轉(zhuǎn)再將冷鐵擺放好，注意間隙控制在20 mm以?xún)?nèi)，進(jìn)行第二次造型，造好型到澆注時(shí)間大于24 h，使二次造型的隔砂層強(qiáng)度達(dá)到最高值，防止沖砂。隔砂層厚度設(shè)計(jì)為10 mm～20 mm.隔砂冷鐵的使用次數(shù)要控制，一般使用30次就要更換。

圖4 隔砂冷鐵

2.4 反變形撓度

大型工作臺(tái)鑄件一般長(zhǎng)度在6 m以上，會(huì)產(chǎn)生變形，導(dǎo)致大平面中間部位凹進(jìn)，因此工藝上要設(shè)計(jì)反變形撓度來(lái)抵消變形量。具體做法是在下型型板和隔砂冷鐵芯頭上同時(shí)做出反變形撓度，制作專(zhuān)用刮板，二次造型后，用刮板刮出反變形撓度并刮平砂型表面。一般按照每米1 mm～1.5 mm預(yù)留撓度。

3 熔煉工藝

大型工作臺(tái)是H T300材質(zhì)，要求臺(tái)面本體硬度大于180HB，珠光體含量大于95%，石墨形態(tài)A型，石墨長(zhǎng)4～6級(jí)。由于臺(tái)面面積大，壁厚厚大，很容易孕育衰退。既要保證機(jī)械性能，又要避免T型槽縮松缺陷，又不至于殘余應(yīng)力過(guò)大而造成尺寸變形，因此熔煉工藝很重要，采用高碳當(dāng)量熔煉高強(qiáng)度灰鑄鐵的熔煉工藝。

3.1 爐料配比和化學(xué)成分

采用20 t中頻感應(yīng)電爐，大廢鋼量加優(yōu)質(zhì)石墨化增碳劑的合成鑄鐵熔煉工藝。廢鋼采用純凈無(wú)銹的優(yōu)質(zhì)碳素低錳壓塊汽車(chē)鈑金料，增碳劑使用低硫低氮高溫石墨化石油焦增碳劑。具體配料比例為廢鋼質(zhì)量分?jǐn)?shù)大于60%，生鐵質(zhì)量分?jǐn)?shù)小于10%，其余為同材質(zhì)的經(jīng)過(guò)拋丸的回爐料。適當(dāng)提高硅碳比，控制在0.55～0.6%，可以提高彈性模量，改善鑄造性能、加工性能和鐵水冶金質(zhì)量。表1為上體臺(tái)化學(xué)成分要求。

表1 高碳當(dāng)量高強(qiáng)度灰鑄鐵的化學(xué)成分

3.2 合金化處理

提高碳當(dāng)量必須加入合金元素做保證，以穩(wěn)定和細(xì)化珠光體。常用的合金元素有銅、鉻、錫、銻、鉬、鎳等。考慮經(jīng)濟(jì)因素，一般加入廉價(jià)的鉻，加入質(zhì)量分?jǐn)?shù)在0.2%～0.3%左右，再配合微量錫，加入質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.03～0.05%.

3.3 熔煉溫度

大廢鋼量熔煉高強(qiáng)度灰鑄鐵，必須提高熔煉溫度。爐料熔清后，在1 450℃左右取樣做爐前成分分析，然后快速升溫到1 500℃～1 520℃高溫過(guò)熱靜置，靜置時(shí)間在5 min～8 min.靜置后爐內(nèi)加生鐵降溫或者倒包降溫，溫度合適后出爐孕育。高溫靜置的作用是細(xì)化石墨和基體；產(chǎn)生自脫氧反應(yīng)，使氧含量降低，氧化渣減少，鐵液純凈度提高；孕育效果好。注意時(shí)間不能過(guò)長(zhǎng)，以免造成石墨核心的燒損和氧含量過(guò)低，降低鐵液冶金質(zhì)量。

3.4 孕育處理

大型工作臺(tái)由于臺(tái)面厚大體積面積大，凝固時(shí)間長(zhǎng)，容易造成孕育衰退，強(qiáng)度硬度不達(dá)標(biāo)。孕育處理擯棄了過(guò)去的沖入法，而是在電爐上設(shè)置了一種可以轉(zhuǎn)動(dòng)的孕育裝置，在出鐵水的瞬間將孕育劑通過(guò)漏斗漏在爐嘴處的鐵水流上，孕育時(shí)間占出鐵時(shí)間的70%以上，從而使孕育劑充分熔化和吸收，提高孕育質(zhì)量。孕育劑使用硅鈣鋇長(zhǎng)效孕育劑，孕育劑加入質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.4%.在澆包上使用掛包漏斗，使用粒度為0.2 mm～0.7 mm的硫氧孕育劑，質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.1%，在澆注的兩分鐘里再次孕育，孕育時(shí)間占澆注時(shí)間的90%以上，從而確保孕育質(zhì)量，減緩孕育衰退，保證鑄件機(jī)械性能。

4 鑄造缺陷的防止

4.1 臺(tái)面皮下氣孔

由于公司所處的蕪湖地區(qū)位于長(zhǎng)江下游南岸，氣候濕潤(rùn)，降雨頻繁，空氣濕度超過(guò)80%，鑄件氣孔發(fā)生的頻率比北方地區(qū)大很多。在生產(chǎn)此類(lèi)產(chǎn)品初期，氣孔缺陷非常普遍，給企業(yè)造成很大經(jīng)濟(jì)損失。

圖5 臺(tái)面氣孔缺陷

臺(tái)面氣孔缺陷如圖5所示，氣孔直徑φ3 mm～8 mm，深度1 mm～10 mm，距表面3 mm～5 mm左右，氣孔內(nèi)壁光滑，呈蜂窩狀分布，多數(shù)呈圓形、橢圓形，有些是裂隙狀，形似縮松，兼有反應(yīng)性氣孔和侵入性氣孔的特點(diǎn)，分析應(yīng)該為氫氣孔、氮?dú)饪住⒌獨(dú)浠旌蠚饪?，?lái)源于空氣、型砂、鐵水中。

4.1.1 氣孔形成機(jī)理

鐵液澆入鑄型后，砂型、涂料中有機(jī)或無(wú)機(jī)粘結(jié)劑、樹(shù)脂砂及附加物等高溫分解產(chǎn)生大量的氣體，澆注的初始階段，與鐵液接觸的砂型界面的發(fā)氣速度遠(yuǎn)大于其逸出速度，氣體壓力急速升高。在金屬液表面強(qiáng)度尚未建立之前，砂型界面中氣體侵入金屬液的條件為：

PA＞Po+PM+PZ

式中PA—型壁處氣體壓力；Po—型腔中氣體壓力；PM—金屬液靜壓力；PZ—金屬液表面阻力，與金屬液表面能和粘度有關(guān)。

侵入氣體在條件滿(mǎn)足的情況下會(huì)在界面處形成氣泡，繼而進(jìn)入金屬液中。在金屬液浮力和粘度不足以使氣泡外逸的狀況下，氣體滯留在金屬液中形成氣孔。另外，鐵液澆入鑄型后瞬間產(chǎn)生大量氣體，在型壁一定厚度中形成水分凝聚區(qū)，發(fā)生以下反應(yīng)：

Fe+H2O — FeO+H2↑

2NH3一 N2+3H2↑

2Al+3H2O — Al203+3H2↑

NH3來(lái)自于呋喃樹(shù)脂粘結(jié)劑的分解，其他化合氮來(lái)自于廢鋼和增碳劑中，Al來(lái)自于孕育劑中。反應(yīng)產(chǎn)生的氣體以灰鑄鐵凝固過(guò)程中共晶液相中析出的氣泡核為依托擴(kuò)散長(zhǎng)大，在冷卻過(guò)程中析出成為氣孔缺陷。因此這種氣孔可以認(rèn)為是界面鐵液中的氫析出氣孔。金屬液表面張力越小，氣核生成和長(zhǎng)大的阻力越小。因此灰鑄鐵中一些表面活性元素，如一定含量的Al、Mn、S，以及加劇水汽還原的元素如Ti，會(huì)增加產(chǎn)生皮下氣孔的風(fēng)險(xiǎn)。氮?dú)馐欠腔钚詺怏w，在鐵液中的溶解量低于0.015%，而氮的化合物受鐵液高溫分解，成為初生態(tài)原子氮[N]，并可大量熔入鐵液之中。應(yīng)該說(shuō)明的是，無(wú)論對(duì)于哪種性質(zhì)的氣孔缺陷，澆注溫度過(guò)低，金屬液粘度過(guò)高，都會(huì)增大氣孔產(chǎn)生的機(jī)率。

4.1.2 氣孔預(yù)防措施

根據(jù)理論分析，確定了預(yù)防氣孔的措施。

1）采用隔砂冷鐵，防止直冷冷鐵表面處理不當(dāng)而產(chǎn)生氣孔。

2）臺(tái)面大平面砂型涂刷含有氧化鐵的涂料兩遍，抑制氮?dú)饪桩a(chǎn)生。

3）涂料涂刷后，利用噴燈等工具烘烤大平面型砂表面，去除水分；合箱后，使用兩臺(tái)熱風(fēng)機(jī)同時(shí)烘烤鑄型，時(shí)間大于6 h.

4）澆注溫度控制在1 380℃～1 400℃.澆注三包同時(shí)澆注，提高澆注速度，澆注時(shí)間控制在120 s以?xún)?nèi)，包與包溫差小于10℃.尤其注意澆注初期快速出水，不能斷流，否則臺(tái)面會(huì)產(chǎn)生冷隔。

5）澆包、孕育劑、增碳劑要充分烘烤干燥。增碳劑氮含量小于500 pp m，鐵水中氮含量控制在70 pp m～100 pp m，厚大件氮含量小于80 pp m.

6）型砂質(zhì)量指標(biāo)很重要，燒灼減量必須小于3%.使用低氮樹(shù)脂，含氮量小于3%，含水量小于8%，樹(shù)脂加入量小于1.1%.

7）型芯多扎一些氣眼，200 mm×200 mm扎一個(gè)，多放扁出氣冒口，強(qiáng)化排氣措施。

4.2 工作臺(tái)T型槽縮松

圖6 T型槽縮松缺陷

大型工作臺(tái)由于底部厚大，在50 mm～100 mm，體積表面積大，凝固時(shí)間長(zhǎng)。臺(tái)面上部有很多筋板框架，使臺(tái)面形成熱節(jié)，最后凝固，得不到有效補(bǔ)縮，在壁厚中心部位，也就是T型槽槽底產(chǎn)生縮孔縮松缺陷，如圖6所示。

解決措施：

1）工藝上在下箱大平面設(shè)計(jì)隔砂冷鐵，增加型砂吸熱能力，調(diào)節(jié)溫度場(chǎng)分布，加快底部厚大部位的凝固速度，快速結(jié)殼，提高自補(bǔ)縮效果。由于內(nèi)澆道是底返雨淋式，設(shè)計(jì)澆道隨型冷鐵，減小冷鐵間隙。冷鐵間隙控制20 mm以?xún)?nèi)，隔砂層厚度設(shè)計(jì)為10 mm～20 mm.

2）在上箱放置若干油瓶冒口，形成順序凝固，由冒口進(jìn)行液態(tài)補(bǔ)縮。

3）在保證機(jī)械性能的前提下，盡可能提高碳當(dāng)量，C E值保持在3.75以上，以增加石墨化膨脹量，減少縮孔縮松。

5 結(jié)語(yǔ)

大型龍門(mén)加工中心工作臺(tái)由于結(jié)構(gòu)特殊，重量大，質(zhì)量要求高，鑄造生產(chǎn)存在風(fēng)險(xiǎn)大。只要鑄造工藝方法得當(dāng)，完全可以生產(chǎn)出滿(mǎn)足質(zhì)量要求的鑄件。我廠(chǎng)已經(jīng)為國(guó)內(nèi)外客戶(hù)批量生產(chǎn)了大量合格鑄件，合格率達(dá)到98%以上，贏(yíng)得客戶(hù)好評(píng)，為企業(yè)良性發(fā)展提供了技術(shù)保障。