鄭建斌

（福建興航機(jī)械鑄造有限公司，福建 長(zhǎng)樂(lè) 350207）

壓柱鑄件是壓力9 000 t大型型材擠壓機(jī)上的關(guān)鍵部件，要求整體鑄造而成，不允許分段鑄造、組裝焊接而成。其質(zhì)量好壞直接影響著型材擠壓機(jī)的使用效果、使用效率和使用壽命。本文分析了壓柱鑄件結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、生產(chǎn)及過(guò)程控制難點(diǎn)，從優(yōu)化工藝方案、選取合適制芯材料及加強(qiáng)生產(chǎn)過(guò)程控制等多方面入手，取得良好效果，并應(yīng)用于其他機(jī)型，實(shí)現(xiàn)了批量化生產(chǎn)，突破了細(xì)長(zhǎng)孔鑄鋼件技術(shù)瓶頸，提高了公司的鑄造技術(shù)水平，摸索出了類似鑄鋼件的工藝方案及生產(chǎn)過(guò)程控制的經(jīng)驗(yàn)，為公司在激烈的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)中開(kāi)發(fā)新的經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)點(diǎn)，拓展了市場(chǎng)空間。

1 鑄件技術(shù)要求

1.1 鑄件簡(jiǎn)圖

壓柱簡(jiǎn)圖如圖1所示，鑄件長(zhǎng)9 410 mm，內(nèi)孔φ550 mm，毛重約28 t，主要工作面為內(nèi)孔。材質(zhì)為Z G270-500.主要化學(xué)成分見(jiàn)表1.

圖1 壓柱簡(jiǎn)圖

表1 主要化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%）

主要力學(xué)性能見(jiàn)表2.

表2 主要機(jī)械性能

1.2 主要技術(shù)要求

1）鑄件不得有裂紋、縮孔、砂眼等影響結(jié)構(gòu)件強(qiáng)度的缺陷；

2）壓柱需進(jìn)行探傷檢查，檢測(cè)符合J B/4730-2005Ⅲ級(jí)標(biāo)準(zhǔn)；

3）長(zhǎng)度尺寸9 360 mm必須四根一致，裝配時(shí)以此定位并調(diào)整；

4）鑄件必須正火+回火后再進(jìn)行機(jī)械加工，鑄件經(jīng)熱處理后符合G B5676-86之規(guī)定。

1.3 鑄造工藝性分析

分析壓柱鑄件的工藝結(jié)構(gòu)，其具有四個(gè)顯著特點(diǎn)：

1）細(xì)長(zhǎng)比特別大

其中：L—孔長(zhǎng)度，mm；

D—孔直徑，mm.

L/D比值遠(yuǎn)大于3，屬超細(xì)長(zhǎng)型鑄件[1]，細(xì)長(zhǎng)孔在鑄造中歷來(lái)是一個(gè)難題，尤其是砂型鑄造。

2）鑄件變形可能性大

鑄件長(zhǎng)度達(dá)9 410 mm，鑄件尺寸及形狀控制難度大，存在較多影響鑄件變形的因素，尤其是內(nèi)孔質(zhì)量及尺寸控制難度大。

3）泥芯生產(chǎn)過(guò)程難度大

超細(xì)長(zhǎng)泥芯不僅木模芯盒制造難度大，制芯、下芯操作也相當(dāng)困難。

4）內(nèi)孔存在裂紋傾向性大，而且泥芯出砂及清砂困難

超細(xì)長(zhǎng)泥芯阻礙了鑄件徑向收縮，要充分考慮泥芯砂的退讓性，同時(shí)兼顧泥芯砂的強(qiáng)度、潰散性等性能。

這四個(gè)特點(diǎn)是鑄造工藝方案制定難點(diǎn)及生產(chǎn)過(guò)程控制的焦點(diǎn)，預(yù)先在工藝設(shè)計(jì)時(shí)給予考慮，在材料選用上合理配置，在鑄件生產(chǎn)過(guò)程中加強(qiáng)管控。

2 鑄造工藝方案的確定

2.1 確定澆注位置及分型面

澆注位置的確定是鑄造工藝方案設(shè)計(jì)的重要環(huán)節(jié)，關(guān)系到能否獲得健全的鑄件，并使造型、造芯和清理方便。在綜合分析了壓柱的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，結(jié)合公司生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)特點(diǎn)，選擇采用平做平澆的工藝方案。其優(yōu)點(diǎn)在于：①便于木模及泥芯盒制作；②便于造型、下芯操作；③便于合箱時(shí)尺寸的檢查；④便于澆注過(guò)程操作。其缺點(diǎn)在于：壓柱上表面及內(nèi)孔上表面易產(chǎn)生砂眼、氣孔、夾渣等鑄造缺陷。

澆注位置確定后，選擇壓柱的分型面與分模面，見(jiàn)圖2.

圖2 壓柱分型分模簡(jiǎn)圖

2.2 確定工藝參數(shù)

1）鑄造收縮率

鑄造收縮率不僅與鑄造金屬的收縮率和線收縮起始溫度有關(guān)，而且還與鑄件結(jié)構(gòu)、鑄型種類、澆冒口系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、砂型和砂芯的退讓性等因素有關(guān)。影響鑄造收縮率的主要因素是鑄件的結(jié)構(gòu)復(fù)雜程度和尺寸大小。細(xì)長(zhǎng)鑄件沿長(zhǎng)度方向阻礙收縮的型壁阻力較大，鑄造收縮率比沿其他方向的小[2]。壓柱鑄件在長(zhǎng)度方向收縮阻力較小，近于自由收縮，收縮率選為1.9%，高度方向受到一定阻礙，故收縮率選為1.8%.

2）加工余量

加工余量選取時(shí)需考慮模型、芯盒制作，綜合各方面考量，上下外表面加工余量定為20 mm，內(nèi)孔φ605加工余量定為25 mm，內(nèi)孔φ588加工余量定為16.5 mm，長(zhǎng)度方向兩側(cè)面加工余量定為25 mm.

3）分型負(fù)數(shù)

根據(jù)公司的生產(chǎn)實(shí)際及經(jīng)驗(yàn)，壓柱的分型負(fù)數(shù)選定為3 mm.

4）芯頭

根據(jù)泥芯長(zhǎng)度、直徑及泥芯的硬化度等因素，芯頭長(zhǎng)度選240 mm，間隙選3 mm.

2.3 澆注系統(tǒng)設(shè)計(jì)

澆注系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求是控制金屬液流動(dòng)的速度和方向，保持平穩(wěn)、均勻，并有利于鑄件溫度的合理分布。考慮壓柱高度不高，壁厚均勻，選擇開(kāi)放式中注澆注系統(tǒng)，兼有頂注式和底注式優(yōu)缺點(diǎn)，而且造型方便。為盡量避免高溫鋼水的長(zhǎng)時(shí)間烘烤，造成型腔表面及泥芯表面開(kāi)裂脫落從而引起夾砂等缺陷，因此對(duì)澆注系統(tǒng)流量的選擇要適當(dāng)加大，達(dá)到快速澆注目的。所以，選擇兩個(gè)漏底鋼水包同時(shí)澆注，包孔直徑選取φ90 mm，直澆道用φ120 mm陶瓷管，橫澆道選用φ120 mm陶瓷管，內(nèi)澆道用8道φ100mm陶瓷管。通過(guò)計(jì)算，ΣF包＜ΣF直＜ΣF橫＜ΣF內(nèi)，符合開(kāi)放式澆注系統(tǒng)要求，能確保鋼水平穩(wěn)、快速上升。同時(shí)為了防止內(nèi)澆口位置芯砂過(guò)熱，保證冒口過(guò)熱度，確保補(bǔ)縮效果，內(nèi)澆口盡量開(kāi)設(shè)在冒口附近。

澆注時(shí)間與澆注速度的驗(yàn)算[3]：

式中：t—澆注時(shí)間，s；

Q—鑄件重量，kg；

n—注孔數(shù)量，個(gè)；

q—鋼水的流量（由包孔直徑確定），kg/s.

式中：H—鑄件在澆注位置的高度，mm；

t—澆注時(shí)間，s.

對(duì)于壓柱這類高度比較低，同時(shí)長(zhǎng)度比較大的鑄件，澆注速度大于8 mm/s就能夠保證充型快速、平穩(wěn)、順暢，有利于夾雜物等雜質(zhì)的上浮，充滿型腔的時(shí)間較為適宜，能獲得輪廓完整、清晰的鑄件[3]。若上升速度太慢，型腔、泥芯上部會(huì)因長(zhǎng)時(shí)間受熱輻射而產(chǎn)生應(yīng)力以致脫落，造成鑄件夾砂和結(jié)疤，也會(huì)因砂型受熱時(shí)間過(guò)長(zhǎng)造成鑄件粘砂。此外，還會(huì)使鋼液表面氧化而使鑄件形成皺紋、隔層等缺陷。澆注系統(tǒng)簡(jiǎn)圖見(jiàn)圖3.

圖3 壓柱澆注系統(tǒng)簡(jiǎn)圖

2.4 冒口的設(shè)計(jì)

考慮采用明保溫冒口，加設(shè)內(nèi)冷鐵，加以添加冒口覆蓋劑等方式，以期達(dá)到良好的補(bǔ)縮效果。冒口計(jì)算方法采用模數(shù)法計(jì)算，具體的計(jì)算方法如下：

將壓柱視作展開(kāi)的板狀結(jié)構(gòu)，冒口模數(shù)的選取[2]：

式中：α—板的厚度，cm.

保溫冒口選?。?50×825×660，冒口數(shù)量確定為5個(gè)，按板狀結(jié)構(gòu)驗(yàn)算其水平補(bǔ)縮距離符合要求。

除有冒口進(jìn)行補(bǔ)縮外，還有內(nèi)冷鐵配合補(bǔ)縮。因此，從計(jì)算結(jié)果來(lái)看，鑄件工藝出品率符合大件鑄鋼件生產(chǎn)的要求，說(shuō)明冒口尺寸和數(shù)量的選擇是合適的[2]。

冒口布置見(jiàn)圖4壓鑄工藝。

2.5 內(nèi)冷鐵的設(shè)計(jì)

鑄鋼件常采用內(nèi)冷鐵以縮小鑄件整體或局部熱節(jié)模數(shù)，控制順序凝固，減少冒口體積和消除縮孔、縮松[2]。內(nèi)冷鐵的激冷作用比外冷鐵強(qiáng)。應(yīng)用內(nèi)冷鐵，除能滿足工藝需要外，還有利于細(xì)化晶粒和減少鑄造應(yīng)力，減少熱裂紋的產(chǎn)生；提高鑄件工藝出品率，降低生產(chǎn)成本。所以，內(nèi)冷鐵成為國(guó)內(nèi)大中型鑄鋼生產(chǎn)企業(yè)不可缺少的工藝手段。但內(nèi)冷鐵應(yīng)用于要求探傷鑄件，國(guó)內(nèi)存在不少爭(zhēng)議。日本企業(yè)中內(nèi)冷鐵應(yīng)用也相當(dāng)普遍，包括探傷鑄件[4]。我們認(rèn)為，內(nèi)冷鐵只要科學(xué)、合理、規(guī)范地在鑄鋼件上使用，既能與冒口良好配合，相得益彰，又能防止熱裂紋產(chǎn)生。

壓柱鑄件選擇使用內(nèi)冷鐵還有一個(gè)重點(diǎn)目的，即：加快鋼水冷卻速度，減少鋼水烘烤泥芯的時(shí)間。

熔合內(nèi)冷鐵使用重量及最大直徑的計(jì)算歷來(lái)是鑄造工藝設(shè)計(jì)人員棘手的事，通過(guò)摸索總結(jié)，形成一整套行之有效的內(nèi)冷鐵設(shè)計(jì)和應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)。一般內(nèi)冷鐵使用重量占被冷卻部份鑄件重量的2%～5%[4].根據(jù)壓柱探傷質(zhì)量要求，選擇內(nèi)冷鐵重量占冷卻部份鑄件重量的2%左右，選用φ12 mm圓鋼作內(nèi)冷鐵，冷鐵間距控制在70 mm左右，在型腔中下放冷鐵前認(rèn)真做好除銹及清渣工作。這樣既能保證內(nèi)冷鐵的完全熔合，又能起到內(nèi)冷鐵的作用，能滿足無(wú)損探傷要求。冷鐵使用情況如圖4所示。

圖4 壓柱工藝簡(jiǎn)圖

3 生產(chǎn)過(guò)程質(zhì)量控制

3.1 模型制作

由于壓柱尺寸結(jié)構(gòu)較大，生產(chǎn)數(shù)量?jī)H4件，如果仍按常規(guī)方式制作整體木模實(shí)樣，將浪費(fèi)大量材料，增加生產(chǎn)成本。針對(duì)壓柱模結(jié)構(gòu)上下對(duì)稱的特點(diǎn)，可以將外模制作成半邊的實(shí)樣模型，造好下型后取出半邊模再造上型，注意做好分型合箱定位。為方便制芯操作，芯盒做成半邊芯盒加水平導(dǎo)向刮板。制芯時(shí)先做下半部分泥芯，上半部分芯采用刮板刮制。此種芯盒方式不僅解決細(xì)長(zhǎng)泥芯的填砂、舂砂等難題，而且還節(jié)約了木材，縮短了木模制作進(jìn)度。缺點(diǎn)是泥芯上半部緊實(shí)度稍差。

3.2 造型及過(guò)程控制

外模鑄型采用CO2硬化普通水玻璃砂，在冒口四周部位均勻敷上20 mm～30 mm厚鉻鐵礦砂。鉻鐵礦砂具有更高的耐熱性，而且熱導(dǎo)率比硅砂大幾倍，所以在冒口四周處覆鉻鐵礦砂有利于防止粘砂、減少冒口切割難度，縮短冒口切割時(shí)間，降低鑄造應(yīng)力，防止裂紋缺陷的產(chǎn)生，有利于提高鑄件質(zhì)量。

澆道用陶瓷型澆管，內(nèi)澆口附近也使用鉻鐵礦砂，增加內(nèi)澆口附近砂型耐火度，防止此處易產(chǎn)生的粘砂缺陷。

3.3 制芯及過(guò)程控制

3.3.1 材料選擇

考慮細(xì)長(zhǎng)泥芯由于其砂芯在澆注后受到周?chē)邷劁撍陌鼑?，很容易造成粘砂，甚至砂芯局部形成燒結(jié)，清砂困難。選擇潰散性和退讓性均較好的CO2硬化的堿酚醛樹(shù)脂砂作芯砂。CO2硬化的堿酚醛樹(shù)脂砂是90年代開(kāi)發(fā)的工藝，該樹(shù)脂為堿性甲階酚醛樹(shù)脂水溶液，完全不含N、P、S，而且游離甲醛、苯酚含量低、氣味小，但強(qiáng)度較低。由于其對(duì)CO2氣體不敏感，適當(dāng)加長(zhǎng)吹氣時(shí)間，不會(huì)發(fā)生過(guò)吹現(xiàn)象。因此，生產(chǎn)中可采用小流量長(zhǎng)時(shí)間吹氣工藝，吹氣流量約5 L/min，吹氣時(shí)間約120 s，易于獲得較高初強(qiáng)度和終強(qiáng)度[7]。

由于不含N、P、S等有害元素，因此杜絕了這些元素引起的鑄造缺陷，如氣孔、表面微裂紋等。澆注時(shí)不釋放H2S、SO2等有害氣體，有利于環(huán)境保護(hù)。潰散性好，極易清理，尺寸精度保證，生產(chǎn)效率高[7]。

在泥芯的特殊位置，如泥芯冒口下部泥芯注意覆25mm～35 mm厚鉻鐵礦砂，防止此處受鋼水長(zhǎng)時(shí)間烘烤，造成泥芯燒結(jié)引起缺陷。在泥芯正對(duì)內(nèi)澆口位置，也相應(yīng)覆25 mm～35 mm厚鉻鐵礦砂，防止鋼水不斷沖刷烘烤及過(guò)熱，內(nèi)澆口位置芯砂脫落，形成夾砂等缺陷。

3.3.2 制作過(guò)程控制

芯骨選用φ150×20鋼管，沿鋼管圓周及長(zhǎng)度方向均勻氣割出φ10～15小孔，以利于泥芯排氣；沿鋼管圓周及長(zhǎng)度方向均勻焊φ16×200鋼筋作插骨芯齒；用φ20草繩捆綁鋼管2～3圈，防止芯骨阻礙收縮，有利于提高泥芯的退讓性，防止裂紋缺陷；同時(shí)焊牢起吊裝置。

由于壓柱泥芯細(xì)長(zhǎng)，在鋼水長(zhǎng)時(shí)間烘烤過(guò)程，容易變形、垮砂，僅靠芯頭是不夠的，必須采用芯撐，加強(qiáng)泥芯的固定，提高穩(wěn)定性。選擇合適芯撐，否則強(qiáng)度不足，芯撐可能過(guò)早熔化而喪失支撐作用。芯撐規(guī)格選取可根據(jù)鑄件壁厚、澆注溫度查“熔合芯撐柱直徑列線圖”[2]相應(yīng)選取，芯撐表面應(yīng)干凈、平整，最好鍍鋅，使用時(shí)應(yīng)無(wú)銹、無(wú)油、無(wú)水汽。放置時(shí)避開(kāi)內(nèi)澆道附近使用。

為防止?jié)沧⑦^(guò)程中造成粘砂，提高型腔、泥芯的抗粘砂能力，在型、芯表面均勻涂刷與型砂性質(zhì)相匹配的、耐火度較高的醇基鋯英粉涂料，型腔涂料厚度不小于1.0 mm，泥芯涂料厚度不小于1.2 mm.

3.4 冶煉澆注

熔煉設(shè)備為 5 t、10 t、15 t中頻爐及 30 t雙工位L F精煉爐，鋼水需47 t.針對(duì)壓柱要求及企業(yè)生產(chǎn)實(shí)際，選擇中頻感應(yīng)爐與L F精煉爐雙聯(lián)熔煉方案。通過(guò)L F精煉后，鋼液脫氣、雜質(zhì)去除干凈徹底，鋼液中磷、硫質(zhì)量分?jǐn)?shù)能控制到低于0.020%的低限范圍，從而減少壓柱鑄件的冷、熱裂紋傾向，防止夾渣等缺陷。

壓柱澆注溫度設(shè)為1 540℃，澆注時(shí)2個(gè)包孔同時(shí)打開(kāi)，使鋼液快速、平穩(wěn)地充滿型腔，達(dá)到鋼水低溫快澆目的，減輕高溫金屬液對(duì)鑄型頂部尤其是泥芯長(zhǎng)時(shí)間烘烤，有效防止鑄件上表面及內(nèi)孔產(chǎn)生鑄造缺陷。澆注過(guò)程一定要及時(shí)將泥芯氣及時(shí)引出。當(dāng)鋼液恰好上升到冒口550 mm左右時(shí)，將鋼液包從冒口上部進(jìn)行點(diǎn)澆冒口，點(diǎn)澆進(jìn)行1次后，將冒口保溫覆蓋劑放入冒口內(nèi)，將冒口表面覆蓋好。這樣鋼液消耗少，補(bǔ)縮效率高，且保證鑄件的化學(xué)成分不容易變化。

3.5 熱處理

根據(jù)壓柱鑄件技術(shù)要求，對(duì)其進(jìn)行了正火+回火熱處理，使其達(dá)到機(jī)械性能要求。正火用以消除鑄造應(yīng)力，使晶粒細(xì)化和碳化物分布均勻化；回火則消除正火冷卻時(shí)產(chǎn)生的應(yīng)力，提高韌性和塑性。

裝爐操作時(shí)要注意將壓柱墊平、墊實(shí)，防止變形；加熱速度不宜太快，減少壓柱工件內(nèi)外溫差，升溫速度控制在≤50℃/h為宜。其熱處理工藝曲線見(jiàn)圖5.

圖6 壓柱鑄件整裝發(fā)貨

3.6 鑄件清理

鑄件澆注后在砂箱中的保溫時(shí)間須達(dá)到60 h以上才能開(kāi)箱，為防止鑄件產(chǎn)生裂紋、變形，澆注24h后必須對(duì)稱、逐步去掉壓鐵，松動(dòng)砂型、砂芯，以減少鑄件收縮的阻礙，防止鑄件變形及產(chǎn)生裂紋。由于采用CO2硬化的堿酚醛樹(shù)脂砂制作泥芯，細(xì)長(zhǎng)泥芯清砂較為容易，清砂效率高，內(nèi)孔壁較為光滑。

鑄件經(jīng)檢驗(yàn)，達(dá)到了預(yù)期的目標(biāo)：鑄件組織致密，無(wú)鑄造缺陷。粗加工和表面精整后進(jìn)行超聲波探傷檢測(cè)，符合產(chǎn)品技術(shù)要求，順利實(shí)現(xiàn)發(fā)貨（見(jiàn)圖6），贏得了客戶好評(píng)，客戶陸續(xù)將型材擠壓機(jī)系列產(chǎn)品交于我公司生產(chǎn)。

4 結(jié)論

1）細(xì)長(zhǎng)孔鑄件是鑄造生產(chǎn)一個(gè)難題，如何保證細(xì)長(zhǎng)芯的剛性、強(qiáng)度、耐火度、退讓性、出砂性、出氣等綜合性能要求是關(guān)鍵，因此只有從工藝設(shè)計(jì)、材料選取、過(guò)程控制等多方面著手，才能獲得良好鑄件。

2）工藝設(shè)計(jì)中要確保澆注系統(tǒng)充型快速、平穩(wěn)、順暢；合理設(shè)定澆注溫度；采取合適內(nèi)冷鐵設(shè)計(jì)，提高鋼水冷卻速度，縮短鋼水烘烤泥芯時(shí)間。

3）CO2硬化的堿酚醛樹(shù)脂砂是制作細(xì)長(zhǎng)孔泥芯砂的不錯(cuò)選擇，鋼水烘烤較長(zhǎng)時(shí)間的部位可采用特種砂、重視涂料作用，同時(shí)做好芯骨制作、芯撐選用、砂型芯排氣等環(huán)節(jié)。