薄壁类普通二氧化碳铸钢件后凝固补缩工艺的研究

薄壁类普通二氧化碳铸钢件后凝固补缩工艺的研究

事实上，通常有必要发现具有薄薄、均匀、结构复杂、无特殊机械性能和用途要求的普通碳硅条件（以下简称薄薄条件）。通常情况下,对于这类铸钢件仍沿用一般的铸造工艺设计方法来进行铸造工艺设计,如果仍采用一般结构铸钢件的铸造工艺方法,将出现铸造工艺出品率较低、冒口割痕影响铸件表面质量等问题。所以,如果能找到一种较为合理的铸造工艺方法,就会在不影响铸件力学性能和铸件质量的情况下,提高铸件的工艺出品率,降低生产成本,改善铸件的表面质量。1铸造工艺设计工艺的“后凝固补缩”设计众所周知,普通碳素铸钢件熔点高,流动性差,收缩率较大。在铸造工艺设计时要求其浇注系统结构简单,不应阻碍铸件的收缩,并在通常情况下采取顺序凝固原则来确保铸件的内在质量。对于普通铸钢件,在浇冒口设计时,大多以冒口补缩的方式(有时配以适当的冷铁)来保证最后凝固部位不存在缩孔或缩松。而对于薄壁、均厚、结构复杂且没有特殊力学性能要求和使用性能要求的普通碳素铸钢件,则很难按照顺序凝固原则来进行铸造工艺设计。如果采取局部顺序凝固方式设计铸造工艺,则浇冒口系统比较复杂,冒口个数较多,冷铁使用量较大,从而使铸件的工艺出品率大大降低,导致铸件成本加大。显然,对于这一类铸件不宜按照顺序凝固原则进行铸造工艺的总体设计。薄壁类铸钢件由于其体收缩较大,也不宜按照同时凝固原则进行铸造工艺设计。从凝固过程来看,薄壁、均厚类钢件由于其模数(或折算厚度)较小,单位体积上钢液的蓄热量较小,所以其凝固速度相对较快。在进行铸造工艺设计时,如果按照同时凝固方式,那么在铸件最后凝固部位容易产生缩孔和缩松。为此,在通过分析与实践的基础上,作者提出以“后凝固补缩”的方式来对薄壁类铸钢件进行铸造工艺设计。这种凝固方式是一种近于顺序凝固、同时凝固,但又不同于二者的凝固方式,即采取控制浇注温度,边浇注边凝固,最后凝固部分由浇注系统或小冒口补缩,以获得健全的合格铸件。2u2004凝固过程的后凝固补缩铸件在凝固过程中,凝固时间T、凝固系数k、模数M服从T=(M/k)2Τ=(Μ/k)2式中凝固系数k与铸钢件合金成分、铸型的热物理性能、铸件形态、浇注温度等参数有关。如果铸钢件成分、铸型材料、铸件形状和结构一定,那么浇注温度的高低直接影响到凝固系数的大小。在浇注过程中,适当降低浇注温度就会加大凝固系数,使铸件的凝固时间缩短到一定的可控制范围内。从而达到一边浇注、一边凝固(浇注温度的选择还必须考虑铸型的材料、铸件的形状和结构,以免浇注温度过低时铸件产生冷隔或浇不足等铸造缺陷),最后凝固部位由浇注系统或小冒口加以补缩。那么,如果降低浇注温度,是否会对夹杂物在铸型中的上浮带来困难呢?其实完全没有必要担心这方面问题,因为在降低浇注温度过程中,钢液在钢包中要停留较长的时间,夹杂物有足够的时间上浮,铸件最终夹杂物的含量不影响力学性能和使用性能。事实上,当降低浇注温度时,钢液的过热度就会减小,从而使铸件液态收缩量大大减小,产生缩孔或者缩松的可能性也就会大大减小,所以,采用后凝固补缩方式来控制铸件的凝固过程在理论上是可行的。当采用后凝固补缩方式来控制铸件的凝固过程时,可以获得组织致密、表面质量良好的铸钢件,同时,铸件的工艺出品率得到大大提高,且铸造工艺得以简化,同时,采取该方法由于不使用冒口或只使用用小冒口也给造型、气割、清理等工序的操作者带来很大的便利。3后冷缩法的制造技术3.1浇注系统设计碰座铸件(如图1)材料ZG270-500,质量62kg,最大公称尺寸494mm,形状较复杂,属薄壁类铸钢件。在铸造工艺设计时,考虑到最大壁厚处达41mm,存在一定的补缩要求,故将此处放在下箱,采取顶注式浇注系统,以便钢液经过浇注系统和型腔到达此处时处于较低的温度。当以较低的温度浇注时(温度控制在1520～1540℃左右),金属液流经温度较低的砂型型腔到达41mm厚处时基本处于临界凝固状态,使之凝固收缩几乎为零。该铸件按照后凝固补缩方式设计铸造工艺(工艺简图如图1),采取顶注式浇注系统,无冒口铸造,铸型为粘土石灰石砂型。设计浇注系统时,在内浇口对位处增设出气口,以便于型腔内各类气体的排除。浇注系统放在最后凝固部位,具有补缩功能。浇注系统各截面尺寸为:内浇道:40×12(mm),横浇道:50×50(mm),直浇道:ue001φ50mm。该铸件的上表面为不加工面,在铸造过程中,由于未放置冒口,因此不存在冒口割痕问题,使铸件表面质量大为提高。铸件经无损探伤不存在局部轴线疏松,经检验合格并满足铸件的使用性能要求。按照后凝固补缩方式设计铸造工艺,工艺出品率达到86%,且省去了割冒口工序,节省了清理费用。3.2铸造工艺及浇注系统设计钢砖铸件(如图2)材料:ZG310-570,理论质量865kg,最大公称尺寸1430mm,基本壁厚20mm,最大壁厚60mm,结构复杂,除A面加工外,其余表面及部位均不加工,要求铸件无缩孔或缩松,表面光洁无粘砂及其它铸造缺陷,特别要求B表面光洁无冒口割痕。根据上述要求及现有生产条件,采取手工、整模造型,铸型采用水玻璃石灰石砂。铸造工艺简图如图2。该铸件由于B处局部厚大且不宜用冒口补缩,故将其放在下箱。为了保证不产生缩孔或缩松,在此处放置8块250×120×180(mm)的间接冷铁,使铸件整体壁厚相对均匀,有利于后凝固补缩的实现,最后凝固部位用两只腰圆形空心微珠保温冒口(160mm×240mm×210mm)进行补缩。该铸件的浇注系统设计为开放、阶梯式(浇注系统由直径为50mm的浇道砖组成)结构,逐层引入金属液体,以达到快速充型和平稳浇注的目的。浇注温度控制在1520～1540℃。由于浇注温度较低,在浇注时适当增加浇注速度,浇注时间控制在35s以内。该铸件按照以上设计方法,铸造工艺出品率达89.6%,未产生任何铸造缺陷,经有关单位检测,符合铸件验收标准。4u2004后凝固补缩方式生产实践表明,对于薄壁、均厚(可采用适当铸造工艺使之均厚)、结构复杂且没有特殊力学性能要求和使用要求的普通碳素铸钢件,采用后凝固补缩方式进行铸造工艺设计是可行的。在铸造工艺设计时,适当控制浇注温度,合理设计浇注系统,使铸件