均衡凝固技术在球铁铸件浇冒口设计中的应用

均衡凝固技术在球铁铸件浇冒口设计中的应用

关于旋转挤出过程中的填充技术在理论和实践上没有统一的观点和方法。特别是在上世纪80年代，为了解决收缩孔和收缩问题，提出并广泛传播了平衡硬化技术。在各种杂志和会议论文中，大多数有助于解决收缩和收缩问题的技术措施都被称为平衡硬化技术的名称。甚至影响很大、比较权威的《铸造手册(铸造工艺分册)》也将均衡凝固与顺序凝固、同时凝固一起列为三种凝固控制原则,而且特别写了一段均衡凝固控制技术的要点;在“球墨铸铁冒口设计”一节中也将均衡凝固技术提出的收缩模数法与SIKarsay提出的控制压力法和经验比例法并列为三种设计法,但却没有对几种补缩理论和设计方法作分析评价,也没有指明在各种情况和条件下究竟应该采用何种补缩技术和方法。近年来,国内一些资深专家对均衡凝固技术的理论和观点提出了不同意见,引起一些共鸣和争论,但似乎并未引起足够的关注。对从事铸铁件工艺设计的工程师来说依然莫衷一是。最近,笔者参加了一些铸造技术会议和本公司提高工艺出品率的工艺创新活动,深感在球铁件补缩问题上充斥着一些似是而非的认识和观点,需要对以前笔者关于球铁补缩的文章做必要的修改和补充,并进一步加以论述。1球铁冒口补缩SIKarsay在上世纪70年代来中国讲学及在其所著《球墨铸铁的浇口和冒口》一书中就球墨铸铁冒口补缩类型和设计方法进行了论述,并在文献中提出了冒口选择树形图(见图1)。笔者曾在《汽车球铁件冒口补缩设计方法及其评价》一文中列出过此树形图,但论述不够,需要进一步论述与补充。(1)该图以铸型刚度和铸件的模数为选择依据,抓住了球铁件最重要的补缩性质和条件,因而能得到符合生产实际的选择结果。(2)该树形图按铸型刚度和铸件模数可分别选用控制压力冒口(包括锥形冒口)、直接实用冒口(又称全压力冒口)、浇道兼作冒口补缩、无冒口、安全小冒口等不同补缩类型,已囊括所有的球铁冒口补缩方法,并不需要其他的球铁冒口补缩技术。(3)该树形图已清楚说明:若铸型为非刚性的软铸型,当铸件模数MS>0.5cm时,应当选择控制压力冒口补缩,而且应该是热冒口;当铸件模数MS≤0.5cm时,应当选择浇道兼作冒口补缩,也可以选择仅作液态补缩的全压力冒口。若铸型为刚性的硬铸型,当铸件模数为0.5cm<MS≤2.5cm时,应当选择只进行液补的全压力冒口补缩;当MS≤0.5cm时,应当选择浇注系统兼作冒口补缩,也可以选择仅作液态补缩的全压力冒口。当MS>2.5cm时,应当选择无冒口或安全冒口补缩设计。当然,无冒口补缩实际上是浇注系统补缩,而且必须采取相应的措施,如低温浇注,冷铁强化冷却,分散进铁等。(4)在刚性硬铸型和铸件模数>0.5cm的情况下,只进行液补,铸件凝固收缩开始时冒口颈及时凝固,要考察利用全部共晶石墨化膨胀的全压力冒口能否足够补偿。若液补已补偿了液态收缩,而且共晶凝固时没有型壁移动,按每析出1%石墨体积膨胀2.05%,w(C)量3.5%、w(Si)量2.5%的球铁,共晶凝固时析出1.9%石墨计,体积膨胀量为3.9%,而按没有石墨析出的白口凝固收缩量为3.7%,则共晶石墨化膨胀应能补偿凝固收缩。故而只进行液补的全压力冒口能实现补缩的任务。(5)模数≤0.5cm的铸件属薄壁小件,其铸件液态冷却收缩时间很短,一般不会迟于浇道凝固,完全可以通过浇道直接进行足够的液态补缩,且因铸件薄小,外形胀大很少发生,共晶石墨化膨胀可补偿凝固收缩,因而可采用浇道完成补缩。(6)只有在铸件模数>0.5cm,非刚性的软铸型条件下,方需采用控制压力冒口,既实现液态和凝固阶段补缩,又通过冒口回填释放共晶膨胀过剩压力、避免型腔胀大的补缩方式。2铸铁件的冷却和凝固过程控制均衡凝固技术的定义是利用膨胀和收缩动态叠加的自补缩和浇冒口系统的外补缩,采取工艺措施,使单位时间的收缩与膨胀、收缩与补缩按比例进行的一种凝固原则。愿望很好,但由于铸铁件充型和凝固过程的复杂性和难以测定性,铸件冷却和凝固过程各时刻各部位的收缩和膨胀值、收缩和补缩值以及变化模式均无法探知,调节与控制更不可能,要实行按比例进行则完全是遑论了。笔者曾研究分析过大量声称按均衡凝固技术成功设计的工艺实例,实际上都根本不知道也谈不上实现了收缩和膨胀、收缩和补缩按比例进行的均衡凝固;所采用的措施仍旧是一些常规的工艺方法,如:加冷铁、明冒口改为热暗冒口;把冷冒口的冒口颈减薄加宽或者取消冒口改为浇道补缩;等等。3均衡凝固技术要点分析(1)均衡凝固技术要点之一是要充分利用石墨化膨胀自补缩,冒口只是补充自补不足的差额。这与前面论述的全压力冒口或浇道进行液态补缩,然后充分利用共晶石墨化膨胀自补缩的原理并无差别和新意。(2)均衡凝固技术要点之二是认为冒口不必要晚于铸件凝固,冒口模数可以小于铸件的模数。这与前面论述的只进行液补的全压力冒口、安全冒口及浇道液补相比,也没有任何创新和不同。因为全压力冒口、安全冒口等只进行液态补缩,在铸件开始共晶凝固时冒口颈已凝固,冒口补缩已结束,当然不必晚于铸件热节凝固,其模数也可以小于铸件热节模数。即使采用控制压力冒口,根据SIKarsay提供的按铸件模数查冒口模数的图表可知,一般情况下冒口模数确实小于铸件关键模数,只是冒口颈较大而已。笔者曾按均衡凝固技术的收缩模数法和收缩模数列表法计算过不同铸件的冒口大小,结果并不比控制压力冒口设计法的冒口小,甚至更大。(3)均衡凝固技术要点之三是冒口颈要短、薄、宽,提出了耳冒口、飞边冒口等冒口形式,认为是溢流冒口、安全冒口的理想形式。这与SIKarsay提出在刚性硬铸型条件下应用的全压力冒口冒口颈需要在铸件共晶凝固前封闭,因此其冒口颈模数小、薄而宽,基本是一回事,既非均衡凝固,也非“接触热节”的原因。均衡凝固技术往往无视冷冒口和热冒口的区别(是冷是热不说明),如飞边冒口、溢流冒口应该是冷冒口(因温度低于铸件),为了防止冷冒口先凝固,从铸件倒抽铁液而产生缩孔,更要使冒口颈薄而宽,这正是仅有液补作用的冷全压力冒口的显著特征。还须指出,由于全压力冒口只进行液态补缩,因此冒口颈的长短关系不大,冒口颈短不是必须的特征,这从铸件模数≤0.5cm时,可用很长的浇道进行液态补缩即可说明。(4)均衡凝固技术要点之四认为冒口不能放在铸件热节上,冒口要靠近热节,又要离开热节。在此又混淆了冷冒口和热冒口的区别,冷冒口至多有液补作用,冒口离开并接近热节并不妨碍液补,有时把液补口开在热节附近的薄壁处,因模数小于0.5cm,甚至可以采用浇注系统进行液补(后面有实例说明),这在补缩树形图及其实践中早已说明了的,不是因为实现了“均衡凝固”或消除“接触热节”的原因。热冒口则另当别论。热控制压力冒口不仅要液补还要凝固补缩,而且要起冒口回填、释放过剩膨胀压力、避免型腔胀大作用。冒口不仅可以而且应该放在热节上,只要冒口设计合理,应能消除缩孔、缩松缺陷。(5)从以上分析可见,均衡凝固技术4个核心要点用SIKarsay的补缩理论和补缩选择树状图都已经基本囊括和覆盖了,而且明确提出了各种补缩类型和方法的选用条件,虽然模数条件和铸型条件的具体数值和程度还可以商榷,但条件的原理是明确和公认的。而均衡凝固却恰恰模糊和避开这些十分重要的选择条件,提出的核心要点试图适用于所有条件下铸铁件生产,从而产生谬误,引起误导。4冷冒口的使用周亘先生和笔者曾分别在文献和中对球铁件采用冷冒口补缩问题作过论述,认为:由于铁液先经过型腔再进入冷冒口,不管冷冒口大小如何,冷冒口中铁液温度总是低于型腔铁液的温度。因此冷冒口一般早于铸件凝固,冷冒口对铸件没有补缩作用,而且当冒口颈较大时反而抽吸铸件铁液使铸件或与冒口颈连接处产生缩孔(缩松)。这个观点在非刚性软铸型条件和铸件模数远大于0.5cm情况下的实践中证明是正确的,这也是球铁件一般总是采用热冒口的缘由。但是,当铸件薄小(如轿车制动钳支架、排气歧管铸件等),浇注温度较高,浇注充型时间很短(<5~6s),冷冒口与铸件温差不大,若冷冒口够大,其冷却速度将慢于铸件的冷却速度,且当冷冒口高度高于铸件最高点或置于铸件顶部时,冷冒口应该有液态补缩作用直至冷冒口颈凝固为止。由于冷冒口的温度场条件限制,从实用考虑,也只能肯定并利用冷冒口的液补作用。在砂型压实比压较高的情况下(≥10kg/cm2),铸件模数很小(接近0.5cm,如轿车制动钳支架MS=0.54cm),铸件型壁移动很小,可近似看成刚性铸型。根据冒口选用树形图应采用全压力冒口,也就是只进行液态补缩,铸件共晶凝固开始时冒口颈即行凝固,利用铸件全部共晶石墨化膨胀补偿凝固收缩以消除缩孔、缩松缺陷。而冷冒口正好起到这个作用,因此在刚性或近似刚性铸型和小模数特定条件下,冷冒口可以作为、也只能作为只进行液补的全压力冒口使用,反之,全压力冒口不一定是冷冒口,更可以是热冒口。冷冒口有液补作用,而且当冷冒口足够大、砂型足够硬时,通过液补及石墨化膨胀,冷冒口对消除铸件中的缩孔(松)是有效的。尤其当外围冷却较缓慢时,如冷冒口位于砂芯中,或冷冒口附近有大的热源(如曲轴壳型中的定量浇口杯)都能延迟冷冒口和冒口颈的凝固,增加液补时间,因而对消除铸件中的缩孔(松)更为有效。使用保温、发热冒口套或使用发热条(块),都将冷冒口的补缩作用发挥到极致,就不单是液补作用了。冷冒口的其他作用有:(1)冷冒口有时不能完全消除缩孔、缩松缺陷,但有转移缺陷位置的作用。冷冒口设置在热节附近改变了热节及附近区域温度场分布,将缺陷从热节心部转移至附近区域,使之加工不到而免于报废;并不是因为消除“接触热节”,而是改变了热节附近温度场分布(实例见后)。(2)冷冒口还有排溢流经型腔的初始铁液和排除型腔气体的作用。以上是对冷冒口作用的详细描述,也是对以前论述的修正和补充。事实上,生产中因各种原因,难以使用热冒口的情况下,在刚性铸型或近似刚性铸型条件下合理的冷冒口设计仍使用较多,应是对热冒口补缩的一种补充。5正确理解选择采用索赔法5.1均衡凝固技术的应用近年来,笔者参加了一些铸造技术研讨会,听到一些关于补缩问题的交流,也读到一些这类论文,它们均被冠以“均衡凝固技术应用”的名头,笔者认为有必要对这些实例进行具体的分析,以期获得正确的理解和解释。5.1.1液补全压力冒口该实例称利用均衡凝固理论,设计宽、薄、短的冒口颈,解决本体试棒中部的显微缩松(见图2),避开热节设计边冒口,解决薄壁处缩松(见图3)。笔者认为该排气歧管铸件属于小的薄壁球铁件,其管壁厚为4mm,其管壁模数≤0.5cm。其管口法兰虽较厚但体积较小,法兰模数一般<0.60cm,在高比压造型条件下,法兰处也很少有外形胀大,因此可近似作为刚性硬铸型,应当采用只进行液补的全压力冒口(见图2),其冒口颈要在液补结束时凝固,当然应是薄而宽了(冒口颈长短不重要)。至于图3的边冒口应是冷冒口,冒口颈开在管口附近的管壁上,此处铸件模数≤0.5cm,采用冷全压力冒口进行液补应能解决管壁及出口小法兰的缩松,其冒口颈当然是薄而宽的,短则不必。而且按冒口补缩树状图,还可以取消该冷冒口,直接采用薄浇道液态补缩,这里并无“均衡凝固”现象。5.1.2保缩和补缩问题这是一个排气歧管铸件试制及工艺调整过程的案例。排气管初次试制时用Z145造型机生产,模板见图4,铸件中段通过热冒口从散热片处进铁,外侧大法兰处放置冷冒口补缩,结果冷冒口与大法兰交界处全部有缩孔(见图5);加大冷冒口和冒口颈,仍然有缩孔。改为热冒口补缩,缩孔得到有效解决,但工艺出品率较低,热冒口处球化率不高。后该产品于东久线生产,大法兰处仍改用冷冒口,只是把冒口颈减薄为8mm,加宽为50mm,基本解决了缩孔问题。作者将此归于均衡凝固技术的应用,见图6、图7。笔者认为试制过程的描述是真实的,也是必然的,这正是可用来说明Karsay理论和补缩树状图的典型实例。初始试制时采用Z145造型机造型,紧实度较差,属软铸型,大法兰处会有型壁移动胀大,本应采用控制压力冒口补缩,而却采用了冒口颈很大的冷冒口补缩,因冷冒口温度低,先于铸件凝固,且冒口颈大未凝固封闭,冒口从法兰倒抽铁液在交接处形成缩孔。铸型条件不变情况下,改为热冒口,冒口颈不变,基本是控制压力冒口,当然能有效解决缩孔问题。当改用东久线生产,压实比压与铸型硬度比Z145提高不少,而排气歧管铸件薄小,法兰虽较厚但体积小,模数也小,可近似视为硬铸型。因而可采用全压力冒口进行充分液补,然后利用石墨化膨胀抵消凝固收缩,消除缩孔缺陷。实例1和实例2说明了Karsay补缩理论和树状图的正确性和实用性,补缩选择以铸件模数和铸型条件为转移。若铸造工艺师已经理解掌握,就能一下采取正确的对策,肯定不会走这么多弯路;也说明如果无视或避开铸件和铸型条件,模糊冷冒口和热冒口的区别,一味强调冒口颈薄、宽、短,是不可取的。5.1.3液补不充分,缩孔不解决,降低缩孔缺陷这也是排气歧管铸件的工艺设计案例。在对无冒口的铸造工艺方案1做了凝固数值模拟后提出工艺方案2,采用3个热冒口,在3个管口法兰处进铁并补缩,有效地将法兰处螺栓凸台中的缩孔转移到冒口内,见图8。说明热的控制压力冒口能有效解决热冒口附近的缩孔问题,因此,只要条件允许总是推荐采用热控制压力冒口,采用均衡凝固技术的工艺方案3将内浇道处(3×2)个冒口取消,浇道直接进铁。凝固模拟结果,当浇注温度在1450℃时,铸件没有缩孔,但缩松数量20个;当浇注温度在1360℃时,铸件法兰出现缩孔,缩松体积也增加。笔者认为,排气歧管管口法兰进铁处的铸件模数虽然不大,但超过了0.5cm,不宜采用浇道直接液补的方式,否则不仅铸件存在缩松,且当浇注温度较低时因液补不充分,缩孔也难以避免。认为只要进铁口短、薄、宽就能解决铸件缩孔、缩松问题的想法太简单了,对排气歧管而言,主要进铁处以热冒口(热控制压力冒口或热全压力冒口)为佳,可消除近处的缩孔、缩松,减少远处缩松。该实例产品按工艺方案1生产的实物照片见图9、图10,称未放任何冒口,完全采用均衡凝固技术,利用宽、薄、短、斜浇注系统。笔者认为,该工艺在排气出口法兰和螺栓凸台等孤立热节处的缩孔缩松缺陷不可能完全消除,就看用户的质量要求了。该实例按工艺方案3,称避开热节设计宽、薄、短、斜冒口颈,产品实物照片见图11、图12。笔者认为,在管口法兰附近设置薄、宽冒口颈的冷冒口以消除管口法兰的缩松,只是采用了有液补作用的冷全压力冒口而已。冒口位置对法兰附近部位液补影响不大,法兰附近冒口可以直接放在法兰上,只要冒口颈符合冷全压力冒口的要求做得薄而宽,对法兰的液补和缩松的消除更为有利,并不一定要避开热节。而且笔者还认为,因为管壁处的铸件模数≤0.5cm,此处冷冒口可取消,引入浇道进行液补也可以,所以这些工艺措施都不能说明实现了均衡凝固。再看该实例中孤立热节凸台试验的对比照片图13~16。在管壁附近有一螺钉凸台,此处设置一冷冒口,当冒口颈厚度为8mm时(图13),凸台处解剖后发现有缩松(图14);后将冒口颈厚度改为3mm(图15),凸台处解剖无缩松(图16);再取消冷冒口又出现轻微缩松。笔者认为因凸台热节较小,不补缩本来缩孔缺陷就较轻微,加了较厚冒口颈的冷冒口后,因为冷冒口先于凸台凝固而冒口颈较厚未及时凝固,冒口倒抽凸台铁液使缩孔加剧;而改为冷的全压力冒口所要求的3mm薄宽冒口颈,既有液补又不倒抽,当然能解决缩孔缺陷了。这都是由热节模数小,铸件薄小,铸型近似硬铸型的条件所决定的,并不是因为实现了均衡凝固。顺便还要谈一下有些论文中的观点和提法,如说为了充分实现均衡凝固,认为碳当量要尽可能高,要采用大孕育量充分孕育,减少浇注温差,铁液不能氧化,等等。如果说采取了这些众所周知的工艺措施,就能实现收缩和膨胀按比例进行的均衡凝固,岂非太容易了。实际上,涉及铁液缩孔、缩松倾向的冶金质量好和差,并不需要罗列从炉料配比、化学成分、熔炼、保温、浇注到孕育处理等措施,只取决于铁液是否按实际共晶点冷却凝固,而这只有通过热分析方能进行鉴别。5.1.4冒口颈薄而宽该实例认为:以前对孤立热节采用冒口直接对热节的办法来解决缩松问题,就要求冒口晚于铸件凝固,冒口大,工艺出品率低;浇注温度稍低就在冒口颈处出现缩松,而且冒口颈部位铸件石墨形态差。后按均衡凝固技术改变工艺,把冒口颈从热节处移开,放在靠近热节又避开热节的部位(如图17),使冒口体积减少1/3,冒口颈又薄又宽能及时凝固,还强调冒口颈必须短,既消除了显微缩松又改善了石墨形态。上述说法又混淆了冷冒口和热冒口两种情况。若是冷冒口,只进行液补,冒口不必晚于热节凝固,冒口不会大,冒口颈应及时凝固而薄宽,也不会使石墨变差;若是热冒口应能解决缩孔,也不会因浇温低而缩松。笔者认为:只要能在孤立热节处设置热冒口,冒口大小合理,应能解决热节缩孔、缩松问题,但往往因型板难以布置热冒口而采用冷冒口补缩,却又未按只进行液补的冷全压力冒口对冒口颈薄而宽的要求做,结果造成冷冒口倒抽铁液使热节处产生缩孔或缩松。由于排气歧管孤立热节体积小、模数小,紧实度好的砂型孤立热节处没有胀砂,按SIKarsay理论可采用冷的全压力冒口,冷冒口因仅仅是液补,冒口位置和冒口颈长短不重要,关键是冒口颈薄而宽(应当进行冒口颈模数计算)。所以,图17的冷全压力冒口应能减少或消除热节缩松缺陷,即使液补不充分,由于该冷冒口的存在,使铸件孤立热节附近温度场