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1 球铁凝固收缩工艺理论
对球墨铸铁件采用什么样的工艺措施解决和防止缩孔缩松, 目前的共识是, 铸型必须具有足够的刚性和强度, 化学成分接近共晶成分、加强球化和孕育处理以产生足够的石墨化膨胀。但具体工艺设计原则上还存在争议: 均衡凝固理论认为球铁的石墨化膨胀可以抵消凝固收缩, 工艺上应该采取措施, 使单位时间的收缩和膨胀、收缩与补缩按比例进行, 利用膨胀与动态收缩叠加, 达到铸件的补缩目的, 使用冒口的理念是有限补缩, 冒口不必晚于铸件凝固[ 1] , 冷铁的作用是平衡铸件的壁厚差异, 消除热节, 并可以使一部分石墨化提前;但也有文献[ 2]对此表示异议, 认为球铁的收缩大于膨胀, 必须有外部补缩, 冒口不能晚于铸件凝固, 冷铁的作用是首先使铁液的收缩提前和加快, 更有利于更早的及时的补缩, 对胀缩叠加并没有影响。焦点在于是强调石墨化膨胀自补缩还是强调外部补缩。
从一些典型铸件的缩松缺陷分析以及解决措施的总结, 单纯强调外部补缩或强调石墨化膨胀自补缩均无法稳定的控制铸件的缩孔缩松。如何有效地把石墨化膨胀和补缩利用起来, 主要还是要取决于铸件结构、铁液熔炼处理水平和铸型条件。文献[ 3] 中阐述的一个观点认为, 在冷却凝固过程铁液内部会发生压力变化, 当内部压力小于一定程度或至负压时, 这个部分就容易产生收缩缺陷。
(1) 设置冒口和提高浇冒口高度、延迟冒口的凝固时间, 均可认为是有利于提高铁液静压力的措施, 对内部压力增加有益, 能起到防止缩孔缩松的作用。
(2) 加强熔炼球化孕育处理, 加大铸型强度和刚度, 可以提高石墨化膨胀压力以及提高其利用率。
(3) 控制熔炼水平和铁液处理工艺, 控制浇注温度和速度, 可认为是减少凝固收缩产生的负压。
因此可以认为, 所有有利于减少缩孔缩松的工艺措施, 均是出于把上式中的压力控制在有利的趋势为目的。但关键的因素在于, 铁液内部压力大小是各种压力在同一点时间的叠加, 由于铸铁的结晶凝固特性,各种压力影响不一定会同时起到作用。很多文献显示, 球墨铸铁在共晶温度以上, 铁液中有大量的石墨核心存在或石墨生长[ 3, 4 ] , 石墨在共晶温度以上附近析出速度最快[ 3] , 由于此时铁液的流动性还存在, 大量的石墨化膨胀产生的压力将通过液体传递出去, 铁液内部的压力是以液体静压力为主, 共晶凝固开始时也是这种情况占主导; 共晶凝固前期, 石墨化膨胀部分可能会作用于铁液内部, 但由于形成的凝固层强度不高, 也会消耗部分膨胀压力; 到中后期, 铸件中铁液流动性已经丧失,铁液的静压力已经不起作用, 需要靠石墨生长产生的膨胀压力来抵消凝固收缩产生的负压。因此,文献[ 2] 认为, 总体上球铁的收缩大于并提前于膨胀,膨胀和收缩无法叠加, 必须有外部补缩,实践上证明了这一点。但同时许多基于均衡凝固理论、靠石墨化膨胀补缩的工艺也获得了成功, 也证明了石墨化膨胀的压力可以抵消收缩负压。
压力和铁液流动( 补缩) 对铁液来说某一时刻是相通的,有压力存在才有铁液传递( 补缩) 的动力; 但强调压力的概念更能体现补缩的动态性、时效性和方向性。
因此, 为了预防球铁铸件缩孔缩松缺陷, 不仅要在提高石墨化能力以及石墨化膨胀利用、提高铁液静压力、减少冷却凝固液态收缩方面采取措施, 同时铸造工艺上也要尽可能的保证这些增大压力的措施同收缩产生的负压相叠加, 才能达到铁液内部凝固压力随时处于一定的水平, 满足铸件不产生缩孔缩松的需求。
2 补缩工艺设计原则
2. 1 工艺设计原则
(1) 小件或铸件薄的部分应当考虑外部补缩, 凝固收缩过程需要外部提供压力支持
均衡凝固理论也提出, 小件需要外部的强补缩, 实际上可扩展开来认为: 所谓小件是指体积重量小的铸件或者大件中薄壁部位, 包括厚大件的薄壁部位。这样的薄小件因为其凝固速度快, 由于球铁的石墨化膨胀和凝固收缩时间上的差异无法利用压力的叠加实现自补缩, 需要外部提供液态静压力支持和液体补充。
在薄小件铸件工艺设计时, 应当首先考虑补缩。 ( 2) 厚大件或大铸件的厚大部位不需要补缩或只需有限补缩铸件的厚大部位或厚大件, 由于其石墨化量大, 且容易实现石墨化膨胀和凝固收缩的相互叠加, 所以自补缩能够实现。外部只需要提供在凝固初期产生大量收缩时的压力支持, 后期则可以完全靠自身膨胀产生的压力实现自补缩。
厚大件或厚壁处在工艺设计时, 可以通过实现石墨化膨胀自补缩的方式来处理, 而较少考虑采用外部补缩。
(3) 铸件的补缩并不局限于外部的补缩铸件存在结构差异, 对薄壁处的补缩并不一定要靠外部设置冒口来实现, 临近部位的厚大壁厚部位同样可以为薄壁处补缩, 用传统的观念讲就是, 建立和实现适当的温度梯度( 凝固次序), 使液态静压力能保持在一定的水平, 满足较薄处凝固收缩时的补缩需要。
在有薄厚差异结构的铸件的工艺设计时, 可以考虑建立一定的凝固次序, 兼顾上述两点原则, 即薄小部位靠厚大部位补缩, 而厚大部位则考虑仅实现有限的补缩。
(4) 冷铁可以调节厚大热节处的凝固速度和铸件的温度梯度, 其对铸件的补缩作用是有条件的。
冷铁的作用除了可以加快铸件的凝固速度, 改善凝固梯度外, 对球墨铸铁来说还具有突出的改善铸件石墨大小和形态、提高球化等级和防止球化衰退与石墨漂浮等作用, 但冷铁的使用同样会对铸件产生许多副作用。过去人们认识冷铁的缺点是容易产生白口、冷铁气孔等。其实, 冷铁使用同样对铸件的收缩补缩产生不好的影响, 如果冷铁改变了与上述几个原则有利的凝固顺序和温度梯度, 铸件反而会产生收缩缺陷;另外, 在相对均匀的厚大部位设置多个冷铁时, 冷铁间隙过大, 间隙间( 或冷铁激冷区域外) 可能会形成新的热节而产生收缩缺陷因此冷铁设置时, 除了要满足改善铸件局部的冷却条件外, 还要防止冷铁改变固有的平衡状态, 或造成新的热节, 或阻断液态静压力传递通道( 补缩通道), 造成铸造收缩缺陷; 多个冷铁并行放置时, 应当避免过大的冷铁间隙, 可以采用增加有效激冷面积的方式提高冷铁激冷效果, 而不是一味的增加冷铁厚度。
2. 2 应用实例
以下是几个球铁铸件失败与成功的工艺方案实例。例 1, 轨条类铸件, ( 图 1) 铸件长度1000 ~ 3 000 mm, 铸件壁厚 15~ 30 mm, 重量 100~ 200 kg,
材质为 QT 450- 10。尽管长度比较长, 但在树脂砂生产中属于薄小铸件, 按图示方案分型浇注, 最终采用横浇道和内浇道补缩, 内浇道为补缩效率较高的梯形截面, 取得合格铸件; 其他工艺方式生产的铸件不同程度都有缩孔缩松缺陷导致铸件报废。
例 2 是一个风电铸件支撑盘, ( 图 2) 材质为QT400- 18AL, 重量 2 000 kg ,两种方案在厚大的法兰边缘均没有收缩缺陷, 而原来的工艺方案在薄壁处存在缩孔缩松, 取消法兰处冷铁, 缺陷消失。说明该处冷铁阻断了液态静压力通道, 使铸件补缩通道断开, 当取消冷铁, 开通补缩通道( 液态静压力通道) , 铸件缺陷消失, 该实例可同时适用于上述4 个原则。
例3 是常见的一些球铁铸件结构, ( 图3) 经统计发现, 当初为了保证厚大重要面的质量, 而把较厚的面放置在浇注位置下方, 但探伤时经常发现厚薄交接处出现收缩缺陷, 个别时候甚至表面出现缩陷; 但把厚大的面放在浇注位置上方时, 却很少发现有缺陷产生。
这是个典型的“薄补厚与厚补薄”的实例。薄补厚时, 薄壁凝固速度快, 当交接处凝固收缩产生负压时, 薄处无法提供有效地静压力支持, 因此容易出现收缩缺陷; 厚补薄时, 由于薄壁及交接处凝固靠前, 收缩产生的负压有凝固靠后的厚壁处提供静压力支持, 因此反倒不容易产生缺陷。例2 和例3 中厚壁处并未采取强制冷却或强补缩措施, 也没有太多的缺陷, 可以认为是厚壁处的石墨化膨胀压力和收缩压力有条件实现叠加, 不会在凝固过程形成负压, 所以产生收缩缺陷的几率不大。
例4 为一核电铸件接盘, ( 图4) 材质为QT450-10A, 铸件重量980 kg, 壁厚为90~ 110 mm, 属于厚大的中小件, 该铸件的成功的工艺方案是, 采用冷铁和浇注系统在铸件的整体结构上, 建立了有序的液态静压力传递梯度, 但最后凝固的部位并没有采取比较强的外部补缩。
例5 是一个冷铁设置的案例, 铸件为风电增速箱内的行星架, ( 图5) 材质为QT 700-2A, 重量为3 t, 厚壁处约120 mm。最初轴身的冷铁比较厚, 冷铁间隙大, 冷铁的有效激冷面积仅占铸件须激冷面积的30% , 铸件质量很不稳定, 经常在轴身根部和冷铁间隙之间探伤发现收缩缺陷; 后将冷铁减薄, 同时增加激冷面积, 由于冷铁壁厚减小, 又有条件地适当减小冷铁间隙, 最终得到成功并稳定的工艺方案。
2. 3 分析与说明
从上述实例看, 由于结构因素, 球墨铸铁铸件的收缩缺陷主要产生于中小件、或大件的薄小壁厚及厚薄交接处, 而很少在厚大处的热节中心。
球铁的凝固方式为糊状凝固, 共晶凝固时间长, 薄壁处的散热条件较好, 整个断面处于共晶阶段的时期趋于一致, 所以收缩产生负压及石墨化膨胀产生的压力无法有效地叠加, 容易产生收缩缺陷。工艺设置上的解决办法是建立合适的温度梯度, 为薄壁处的凝固收缩提供适当的静压力支持, 预防缩孔缩松缺陷产生。
而厚大部位外部和中心部位的凝固次序差异大,共晶阶段差别较大, 容易实现胀缩叠加, 因此出现收缩缺陷的几率不大, 铸型的强度和刚性足够时, 就能够不用外部强补缩而获得健全的铸件。
当厚大部位与薄壁存在交接时, 一方面是由于接触热节导致了厚面上的结构不平衡, 打破了中心到外壳这样的凝固次序; 另一方面可能是由于这种结构导致需要的外壳强度达不到要求。冷铁过厚, 冷铁间隙过大, 同样也可以认为是打破了这样的一种凝固次序的平衡, 因此冷铁间隙容易发生缺陷。另外, 冷铁设置不当, 也可能会改变凝固梯度,阻断静压力传递通道,使需要补缩的部位产生收缩缺陷。
3 总结
球墨铸铁由于碳含量和碳当量比较高, 具有较大的石墨化膨胀; 但另一方面,由于球铁的凝固方式为糊状凝固, 共晶时间长, 共晶前期表现的石墨化膨胀量大, 而后期因石墨在奥氏体包裹下长大, 表现出来的膨胀量小。所以对某个具体部位来说表现为铸件的凝固收缩和膨胀分离。
单纯强调收缩和膨胀分离, 需要外部补缩, 实际上并不一定能解决问题; 但过分强调石墨化膨胀自补缩,也不一定能起到作用。必须考虑铸件的结构特性, 综合考虑, 这其实是发展的看均衡凝固理论。实际上用压力的理论来解释铸件的收缩可能比较全面和有效, 所有有利于防止铸件产生收缩缺陷的工艺措施, 都可以认为是提高了铸件局部在凝固过程中的综合压力, 要么是降低或减少产生负压, 要么是提高正压力或其利用率。
降低收缩产生负压、提高石墨化及其利用程度的工艺措施, 对几乎所有球铁铸件的防止收缩缺陷都有效, 但如何利用铁液的液体静压力, 在实际操作中却有区别。对于薄小件来说, 由于断面上的共晶阶段一致,因膨胀和收缩分离无法利用, 因此需要重点考虑利用液态的静压力, 保持其凝固处于正压力水平; 而对于厚大件来说, 自身结构决定了其断面外部和内部的共晶凝固顺序差异, 也就是石墨化膨胀和凝固收缩时间上的差异, 使得内外部的膨胀和收缩具有叠加的条件, 不需要外部提供液体静压力( 外部补缩) 可获得健全的铸件。相反如果采用外部补缩, 可能反而会产生负作用。
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