何良榮 ，柯志敏 ，張紅林

（1.廣東中天創(chuàng)展球鐵有限公司，廣東英德 513000；2.廣東省高性能大型鑄件制造及模擬工程技術(shù)研究中心，廣東英德 513000）

磨盤是粉磨機的關(guān)鍵零部件之一，其質(zhì)量直接影響著機器的生產(chǎn)效率和質(zhì)量。某球墨鑄鐵件磨盤，鑄件結(jié)構(gòu)如圖1所示，外圓φ1 700 mm，內(nèi)圓φ498 mm，厚度85 mm，材質(zhì)為FCD400-18，硬度要求HB 130～145，要求100%超聲檢測，驗收要求達到EN12680-3：2012表2-01級要求。

1 技術(shù)要求分析

1.1 硬度均勻性分析

圖1 鑄件結(jié)構(gòu)示意圖

由于鐵素體基體球墨鑄鐵對冷卻速度及化學(xué)成分的敏感性使其在不同位置的硬度波動劇烈，其波動范圍達到HB 30～40.國際及國家標準鐵素體基體的球墨鑄鐵的硬度范圍是HB 30～55.現(xiàn)需要保證硬度均勻，且硬度差不超過15HB，這就要求鑄造工藝設(shè)計時考慮充型平穩(wěn)，保證各部位凝固時溫度差盡量小。若工藝設(shè)計稍有不當便無法在鑄態(tài)達到技術(shù)要求，通過熱處理達到硬度要求將降低鑄件的競爭力。

1.2 鑄件整體超聲波探傷分析

鑄件整體需要100%超聲波探傷，且需要達到EN12680-3：2012表 2-01級要求。查看EN12680-3：2012歐洲標準《鑄造-超聲檢測第三部分：球墨鑄鐵件》表2，對照01級要求，這是極為嚴格的技術(shù)要求。球墨鑄鐵件的超聲探傷特點是晶粒粗大，組織不均勻，或多或少呈現(xiàn)粗晶狀態(tài)，對超聲波產(chǎn)生強烈的聲衰減；此外，表面與中心部分組織的差異性較大，這些差異都很有可能出現(xiàn)底波降低或缺陷波超過極限值從而不符合要求，因此對鑄件的質(zhì)量提出了很高的要求。

2 鑄造工藝設(shè)計

2.1 分型面的選擇

選擇在φ1 700大平面處分型，這樣簡化鑄造工藝，有利于模具制作，提高生產(chǎn)效率，提高鑄件質(zhì)量，也能延長模具的使用壽命。

2.2 澆注系統(tǒng)設(shè)計

根據(jù)磨盤結(jié)構(gòu)特點采用底注式澆注系統(tǒng)，內(nèi)澆道位于鑄件外圓周和底部，鐵液充型平穩(wěn)，可避免鐵液在型腔內(nèi)發(fā)生激濺、氧化形成的鑄件缺陷，同時對砂型、砂芯沖擊小，也方便澆注系統(tǒng)設(shè)置過濾網(wǎng)。

澆注系統(tǒng)采用封閉-開放式澆注系統(tǒng)，在橫澆道中用過濾網(wǎng)擋渣，各組元截面積比例為F內(nèi)：F橫：F直=1：1.4：1.1，具體截面積 F內(nèi)=38 cm2，10個內(nèi)澆道在橫澆道上均布，環(huán)形橫澆道F橫=53.2 cm2，F(xiàn)直=41.8 cm2.澆注系統(tǒng)及冷鐵布置如圖2所示。

圖2 澆注系統(tǒng)及冷鐵布置簡圖

考慮到鑄件硬度偏差主要原因是鑄件各部分在凝固過程中溫度分布存在差異，為了減小鑄件各部分差異造成的蓄熱與散熱不一致，因此盡可能通過內(nèi)澆道、冷鐵的均勻布置，有利于鐵液迅速而均勻地充滿型腔，避免鑄件各部分溫差過大造成硬度偏差大。

2.3 工藝參數(shù)的設(shè)定

鑄造收縮率取1%，加工余量上平面為15 mm，外圓單邊余量10 mm，內(nèi)圓單邊5 mm.

2.4 冒口位置的確定

根據(jù)磨盤的特點，澆注位置的最高點放置側(cè)冒口，主要作用是排氣、排渣。

2.5 冷鐵方案及擺放

考慮到鑄件要求整體硬度偏差小，使用冷鐵是保證鑄件質(zhì)量常用的工藝措施。通過采用冷鐵來平衡鑄件各部位的冷卻速度，追求整體的均衡凝固。在上下兩個大平面都放置冷鐵，在造型時控制冷鐵的間隔≤30 mm.上平面的冷鐵背面做出吊耳，在造型時用鐵線掛在上箱箱帶上再放砂，防止冷鐵整體塌箱。

2.6 澆注位置

參考平板類鑄件的澆注工藝方案，采用平做斜澆的工藝方法。在砂型中傾斜20°～25°放置，有利于排氣和充型平穩(wěn)，防止上表面夾砂。澆口放在傾斜位置的高端，冒口放在低端。

3 鑄件化學(xué)成分控制

3.1 化學(xué)成分

鑄件牌號是FCD400-18，需要保證硬度值在標準的中下限，化學(xué)成分的選擇是保證達到硬度要求的關(guān)鍵。對于鑄態(tài)鑄件的本體硬度主要是由基體組織中的珠光體量或鐵素體量決定，珠光體量多，鐵素體量少則鑄件的硬度高；反之則鑄件的硬度低。

1）碳當量的選擇

適當?shù)靥岣咛籍斄靠梢栽黾予F液的流動性，利于澆注和補縮，也有利于降低縮松傾向，碳當量較高的鐵液具有形成鐵素體的傾向，還可增加石墨球數(shù)量。針對鑄件的特點，碳當量選擇在4.3%～4.6%，ω（C）選擇在 3.70%～3.80%.

2）硅的選擇

硅在化學(xué)成分范圍內(nèi)能全部固溶于基體中，硅在鐵素體基體中隨著硅含量的增加鐵素體也會增加。常溫時，基體中原子活性較大，硅使鐵素體增加起主要作用，w（Si）選擇在2.0%～2.2%.

3）錳的控制

錳在球墨鑄鐵中是形成珠光體元素，在凝固時有特別顯著的偏析傾向，對鐵素體球墨鑄鐵十分不利。因此對于鐵素體基體的球墨鑄鐵來說錳含量越低越好，控制ω（Mn）≤0.3%.

4）磷和硫的控制

磷對于球墨鑄鐵來說是有害元素，含量越低越好，因此控制ω（P）≤0.040%.硫是反球化元素，屬于有害雜質(zhì)元素，是隨金屬爐料帶入爐中，因降低磷硫含量是獲得優(yōu)質(zhì)鑄件的基礎(chǔ)，含量越低越好。因此控制ω（S）≤0.020%.

5）殘余稀土和鎂

ω（RE殘）控制在≤0.020%，ω（Mg殘）控制在0.03%～0.05%的范圍內(nèi)。如果鐵液內(nèi)的殘余鎂過多會增加收縮量，使鑄件易產(chǎn)生縮孔、縮松缺陷。殘余稀土過高會出現(xiàn)異形石墨和增加碳化物形成傾向。

生鐵和廢鋼的純凈度是穩(wěn)定生產(chǎn)鐵素體球墨鑄鐵的關(guān)鍵，因此要求生鐵和廢鋼中形成珠光體元素（Cu、Cr、Mo、Sn、Sb 等）含量要盡可能地低。

綜合上述分析結(jié)果，化學(xué)成分的控制范圍如表1所示。

表1 化學(xué)成分的控制范圍（質(zhì)量分數(shù)，%）

3.2 球化及孕育處理

球化劑選用鑭系稀土鎂球化劑。而孕育處理則采用多次孕育方法，澆注時隨流孕育采用高效孕育劑，能夠更有效地防止孕育衰退，增加鑄件基體組織的均勻性。

3.3 澆注溫度設(shè)定

為了減少澆注溫度過高導(dǎo)致的凝固時間長，溫度差異過大，澆注溫度不能過高，而為了避免氣孔、夾渣缺陷，澆注溫度又不能太低，從二者兼顧考慮，選定澆注溫度為1 300℃～1 320℃.

4 生產(chǎn)結(jié)果

經(jīng)過公司各部門的積極配合，成功生產(chǎn)了多批次磨盤鑄件，磨盤實物圖片見圖3.

4.1 澆注前的鐵液化學(xué)成分分析

圖3 磨盤實物圖

對澆注前的鐵液進行光譜分析，其化學(xué)成分平均為：ω（C）3.72%，ω（Si）2.08%，ω（Mn）0.26%，ω（P）0.018%，ω（S）0.010%，ω（Cr）0.029%，ω（Mo）0.008%，ω（Cu）0.031%，ω（RE）0.012%，ω（Mg）0.046%.分析結(jié)果顯示各元素質(zhì)量分數(shù)均在控制范圍內(nèi)，達到控制要求。

4.2 本體金相組織分析

對本體金相組織進行檢驗，球化級別評定為2級，石墨大小評定為6級，珠光體數(shù)量＜5%，鐵素體數(shù)量＞95%，無明顯的碳化物。本體金相組織見圖4，金相檢驗結(jié)果顯示，磨盤材質(zhì)整體較好，符合鐵素體球墨鑄鐵的要求。

圖4 本體金相組織

4.3 本體鑄態(tài)硬度分析

為了詳細驗證本體鑄態(tài)的硬度偏差，隨機抽取一件檢查。從圓周等分8組，內(nèi)圓到外圓等分6個點分別檢驗每個點的硬度值，硬度檢查結(jié)果見表3.

表3 本體硬度

從檢查結(jié)果看硬度最低值HB130，最大值HB142，整體硬度差均小于HB15，符合技術(shù)要求。

經(jīng)加工磨盤的表面未發(fā)現(xiàn)浮渣、氣孔等鑄造缺陷，鑄件整體質(zhì)量良好。經(jīng)超聲波檢測（UT）、磁粉檢測（MT）和硬度檢驗，鑄件滿足技術(shù)條件規(guī)定的質(zhì)量要求。

5 結(jié)論

此次磨盤鑄件的成功生產(chǎn)，對以后開發(fā)其他類型的硬度偏差小，要求無鑄造缺陷鑄件奠定了基礎(chǔ)，并且積累了豐富的經(jīng)驗。只要設(shè)計鑄造工藝方案合理，選擇化學(xué)成分合適，嚴格控制熔煉澆注過程，并不斷采用新工藝、新方案、新材料就能生產(chǎn)出附加值高的產(chǎn)品。