铸造工艺（共12篇）
铸造工艺 篇1
1 铸造的定义阐述
铸造是按照一定要求将金属熔炼成液体并浇进铸型里, 经凝固冷却、清整处理后, 得到预定尺寸、形状和性能的铸件的工艺过程。在现代装置制造工业中, 铸造是其中的基础工艺之一。
2 具体铸造工艺的分析介绍
2.1 关于铸造的分析介绍
按照金属液的浇注工艺, 铸造可分为重力铸造和压力铸造。其中:重力铸造是指在地球重力的作用下, 将金属液注入铸型的工艺, 也叫做浇铸;压力铸造是指在不含重力的其他外力的作用下, 将金属液注入铸型的工艺。目前, 在有色金属铸造中, 这两种铸造工艺是最常用的、相对价格最低的。
2.2 关于砂型铸造的分析介绍
所谓的砂型铸造是以砂作为主要的造型材料, 制作铸型的传统铸造工艺。一般情况下, 砂型采用重力铸造, 也可以采用低压、离心铸造等工艺, 这要根据特殊要求而定。砂型铸造有很广的适应性, 大小件、简单复杂件、单件、大批量等都可采用。以前砂型铸造多用木材制作模具, 通称木模, 它要比金属型铸造用的模具便宜得多, 在生产小批量及大件时, 其价格优势更为明显。另外, 砂型比金属型具有更高的耐火度, 因此熔点较高的材料如铜合金和黑色金属等大多采用这种工艺。但是, 砂型铸造也有其短板, 主要是每个砂质铸型被浇注一次后就损坏了, 必须进行重新造型, 所以砂型铸造的生产效率不高;另外, 由于砂软且多孔, 因而利用砂型铸造的铸件不仅表面粗糙, 而且其尺寸的精确度也不高。
2.3 关于金属型铸造的分析介绍
所谓金属型铸造是指铸造用中空铸型模具时采用耐热合金钢制作的现代工艺, 其主要包括重力铸造和压力铸造两种形式。金属型的铸型模具可以多次反复使用, 每进行一次金属液的浇注, 就能够得到一次铸件, 因此其具有很长的寿命和很高的生产效率。而且金属型的铸件不但具有很好的尺寸精度和光洁的表面, 而且相同的金属液在浇注的情况下, 要比砂型铸件的强度更高, 更不易被损坏。所以, 如果有色金属的中、小铸件需要大批量生产时, 只要不需要过高的铸件材料熔点, 金属型铸造往往被优先选用。同时, 金属型铸造也有其不尽人意的地方, 因为金属型模具的价格很高, 如果是小批量的生产, 那么每件产品上分摊模具费用就是很高的, 往往不易接受。另外, 金属型的模具受限于模具材料的尺寸、型腔加工的设备和铸造设备的能力, 对于特别大的铸件往往束手无策。因此, 对于小批量或大件的生产, 一般很少或不采用金属型铸造。
2.4 关于压铸的分析介绍
压铸是指金属型压力铸造在压铸机上进行, 这一铸造工艺目前是生产效率最高的。压铸机分为热室压铸机和冷室压铸机两类。热室压铸机具有很高的自动化程度, 损耗的材料也很少, 与冷室压铸机相比, 其具有更高的生产效率, 但是受制于机件的耐热能力, 目前在铸件生产中只能采用低熔点的锌合金、镁合金等材料。现今铝合金压铸件广泛被使用, 但是因为其较高的熔点, 只能在冷室压铸机上生产。压铸的主要特点是在高压、高速下, 金属液充填型腔, 并在高压下凝固、成形;而且其压铸件也存在不足之处, 因为在高压、高速下, 金属液充填型腔的过程中, 难以避免在铸件内部夹裹型腔中的空气, 形成皮下气孔, 所以不宜热处理铝合金压铸件, 不宜表面喷塑锌合金压铸件, 但是可以喷漆。
2.5 关于铝锭铸造的净化技术介绍
因为铝液从电解槽被吸出后, 其中含有各种杂质, 所以在铸造之前需要对其进行净化。在工业上一般采取澄清、熔剂、气体等净化方法, 也有对其净化时尝试使用定向凝固和过滤方法。下面主要介绍熔剂净化和气体净化两种技术方法。
2.5.1 熔剂净化技术
熔剂净化技术是把熔剂加入铝液中, 从而有大量的细微液滴形成, 这些细微液滴吸附和溶解铝液中的氧化物, 进而形成新的液滴升到表面, 待到其冷却后, 把形成的浮渣清除。净化用的熔剂一般是一种盐, 它具有低熔点、小密度、很小的表面张、大活性、有很强吸附氧化渣的能力的特点。其在使用的过程中, 先铁笼里装入小块熔剂, 再把铁笼插入混合炉底部来回搅动, 等到熔剂化完后将铁笼取出, 在经过5~10分钟的静止以后, 把表面的浮渣捞出便可以浇铸了。
2.5.2 气体净化技术
气体净化所用气体主要有氯气、氮气或氯氮混合气体。
(1) 氯气净化技术。在氯化净化法中, 在铝液内通入氯气时, 会有很多异常细小的Al Cl3气泡生成, 并在铝液内充分混合。而这时溶解在铝液中的氢, 以及一些机械夹杂物就被Al Cl3气泡吸附住, 并随着Al Cl3气泡上升到铝液表面而被排出。通入氯气时还能使某些比铝更加负电性的元素氯化, 如钙、钠、镁等均因通入氯气而生成相应的氯化物, 得以分离出来, 进而达成净化的目的。
(2) 氮气净化技术。氮气净化又称为无烟连续净化, 其过滤介质是氧化铝球 (418mm) 。在铝液内直接通入N2。净化炉内被连续送入铝液, 通过氧化铝球过滤层, 经过氮气的冲洗后, 可以清除铝液中的非金属夹杂物以及溶解的氢, 进而达成净化的目标。
(3) 混合气体净化法技术。顾名思义, 混合气体净化, 就是通过氯气和氮气的混合物来实现铝液的净化, 其作用:一方面脱去氢气和分离氧化物, 另一方面把铝中某些金属杂质如镁予以清除, 常用的混合气体是90%的氮气和10%氯气, 也可以采用10%的氯气、10%的二氧化碳和80%氮气。
3 铸造行业的发展趋势概述
铸件的综合性能更好、精度更高、加工余量更少、表面更光洁, 是铸造产品发展的趋势。另外, 也要求达到节能减排的标准, 能够有效地保护自然环境, 维持生态平衡。为了与这些要求相适应, 行业将开发新的铸造合金, 同时相应的冶炼新工艺和新设备也将出现。在不断提高铸造生产的机械化、自动化程度的同时, 将更多地向柔性生产方面发展, 以使不同批量和多品种生产的适应性得以不断扩大。同时, 行业将优先发展节约能源和原材料的新技术。鉴于对环境的要求, 行业将更加重视少产生或不产生污染的新工艺和新设备。在检测每道工序的和测定无损探伤、应力方面的质量控制技术, 将实现新发展。
在现代机械制造工业中, 铸造是基础工艺之一, 因此铸造业的发展是一个国家的生产实力的重要标志。可以说, 在“十五”期间, 我国的铸造机械行业有了很快的发展。“十二五”期间, 乃至今后一个历史时期, 在国际、国内这两个巨大市场需求的刺激下, 铸造仍然可以以较高的速度发展。因为与市场需求相比, 铸造机械产品的技术水平仍然存在较大的差距, 所以行业仍然存在巨大的发展潜力和发展空间, 这也是铸造机械行业的快速增长的难得的机遇。
铸造工艺 篇2
试 制
2011年4月 结 鉴定材料
总
缸体试制总结
缸体
材质：ZG35，毛单重：3.2吨，是云南铜业铜电解阳极平整矫耳目机组上用高受压液压缸，工作压力：21MPa，试验压力31.5 MPa，超声波按JB/T5000.8 Ⅳ级锻件标准，着色探伤按JB/T5000.15 Ⅳ级标准。
本产品制做难度重点在铸造工序，铸件质量得到保证，才能满足试压和探伤的要求。从铸造角度讲，本产品的结构为单开口筒状，只能出单芯头，因为试压和探伤的要求，又不能下芯撑，故在确保此产品铸造中无夹砂、疏松、气孔、裂纹等影响试压和探伤的缺陷时，对中芯的固定也是难点之一。
经专业技术人员会商后，确定以下铸造工艺方向（具体工艺参见后附《缸体铸造工艺简图》）：
1、分型面选择：为确保缸体整体质量，特别是缸壁质量均匀性，在浇注时缸壁必需保持立向；由于其受压面在缸底较多，故缸底也应向下，法兰面朝上；从而将分型面选取在缸口法兰上顶面，这样即利于分箱，也利于冒口的安放，能更好确保产品质量。
2、砂芯固定及排气：根据确定的分型面，以及不能下芯撑因素，中芯只有全部固定在盖箱上，需工艺和操作上共同保证其强度和稳固性。因此在中芯内的主芯骨用φ25钢筋围成桶状焊牢，并焊接固定在盖箱箱档上。制芯时中芯就直接打制在盖箱上，保证其强度。中芯为单芯头，必需加强排气，以免砂芯内气体浸入铸件内影响其强度。因此中芯内需加入干草绳，草绳应多处设置，均匀分布(间距约250～300mm)，每处用单草绳，并延伸到盖箱顶面外，利于引导芯内气体排出。
3、补缩：良好的补缩才能确保铸件的致密度，从而保证其强度。本产品需工艺上创造顺序凝固趋势，以确保补缩效果。首先缸底采用成型外冷铁，厚度180mm，激冷其最先凝固；其次，缸体侧壁加大拔模斜度，下薄上厚，补缩畅通（且钢水内夹杂物上浮容易）；最后，从法兰顶面(分型面)上就开始挖冒口（相当于增加冒口补帖），且冒口采用Fuseco公司的保温板与Ferrux707覆盖剂配合使用，提高其补缩效果。
4、浇注系统：为利于钢水的杂质上浮排出，采用底注式会收到较好效果，但底注式又不利于本产品的顺序凝固方式。经综合考虑，采用阶梯入水，底部2 道水口开在铸件下部1/3处，分型面处再开2道。上面的2道要采用底返式，确保钢水先从下部水口进水。所有内浇道均用φ70成型耐火砖，直浇道用φ90成型耐火砖。
5、其它：全部型(芯)砂用CO2水玻璃自硬砂，利用其强度高、成型好，保证型腔尺寸和强度，型内无散砂等杂质。涂料为醇基石英粉涂料，刷涂三遍以上，厚度大于1.5mm。砂型需全部上窑烘干，烘烤温度180℃～200℃，保温时间6小时。合箱时，确保型腔内干净无散砂等杂质，合箱后6小时内浇注。钢水需包内吹氩净化，浇注温度控制在1560±10℃，点注冒口2～3次。打箱时间大于72小时，打箱后立即清砂，清砂完后按热处理退火工艺立即进炉退火，在400℃时出炉进行热切割冒口，切割冒口的温度≥350℃，其后立即进炉进行正火加回火的热处理工艺。成品铸件需退火后方可切割冒口，清理干净的铸件正火后交金工车间加工。
本次试制共干两件缸体，毛坯表面无裂纹、夹砂、缩孔等铸造缺陷，交金工粗加工后试压和探伤均通过，达到产品设计要求。不足之处法兰上部加工后有部分气孔，分析原因为砂型烘烤不到位，产品质量有待进一步改进完善。
铸造工艺中常见铸件缺陷与防治 篇3
【关键词】铸件缺陷；粘砂；砂眼；夹砂结疤；分析
现代生产中，“质量”包含两个方面的内容：一是产品质量，即铸件满足用户要求的程度，也就是适应性。二是工程质量，即是制造铸件的生产过程对产品质量的保证程度。两者有相关性，但又不是一个概念。铸件质量的现代概念应该是有两层思：首先是满足使用要求，即适用性；其次是在保证适用性的基预上价格最低，即经济性。铸件的检验方法应根据铸件的验收条件要求选用。由于铸件作用不同，其质量要求也各不同。随着科技高速发展，对铸件的质量要求越来越高，铸件的检验言法也不同。同时从满足生产和客户的要求出发，铸件质量应包括：外观质量、内在质量、使用质量。而铸件外观质量显得尤为重要。其中以铸造缺陷当用时发现避免，因为铸造缺陷，是导致铸件性能低下，使用寿命短，失效和报废的重要原因。
表面缺陷是铸件表面上产生的各种缺陷的总称。常见的铸件表面的缺陷：粘砂、砂眼、夹砂结疤。表面缺陷给切削加工增加了难度。这些缺陷有些可直接看到，有的在切削加工后才能发现。对于浅表层缺陷通过切削加工可以消除，不会使铸件报废。加工后仍存在于铸件加工表面，并影响使用的，会使铸件报废。
一、粘砂的定义、产生原因、防治方法
1、粘砂的概念：
铸件表面粘附着一层难以清除的砂粒，称为粘砂。粘砂分为机械粘砂和化学粘砂。机械粘砂是铸件的部分或整个表面上，粘附着一层砂粒和金属的机械混合物。清铲粘砂层时能看到金属光泽。化学粘砂是铸件的部分或整个表面粘附一层金属氧化物、砂粒和粘土相互作用而生成的低熔点化合物，硬度较高，只能用砂轮磨去。
2、粘砂产生的原因：
粘砂是金属液与型壁表面之间产生热物理作用或经学反应的综合结果。凡是加剧热物理作用或热化学反应的各种因素，都会造成铸件的部分表面或整个表面产生不同程度的粘砂。铸件表面牌液态时间长，铸件厚壁或大热节处，散热条件差的地方（凹角、细长孔、狭窄沟槽等），金属液的静压力大，浇注温度高，原砂颗粒越粗，则容易粘砂。
3、防治粘砂的措施：
（1）铸件壁厚要均匀，适当加大圆角半径，尽量减小热节圆，采用冷铁。
（2）根据铸件厚度和金属液浇注温度，正确选用原砂粒度，面砂和粘结剂的耐火度适当高些，砂型紧实度要均匀，涂料层耐火度要高，热化学稳定性要好，砂型要干燥。
（3）提高金属液质量，适当降低浇注温度、浇注速度。
二、砂眼的定义、产生原因、防治措施
1、砂眼的定义：
铸件内部或表面带有砂粒的孔洞称为砂眼。铸件表面的砂眼可以看到：内部砂眼只有机械加工后才能发现。
2、砂眼产生的原因：
产生砂眼的主要原因是铸型中存在有砂粒。这些砂粒来自：
（1）铸型结构不合理，造型下芯合型操作过程型壁表面砂粒易碰落;
（2）型砂和涂料的强度不够，造型操作时紧实度不均匀，型腔未修好;
（3）浇注系统不合理，浇注温度和浇注操作不当，金属液冲击型壁而脱落的砂粒;
（4）合型操作不细致，型内脱落的砂粒未清理干净，合型时压坏砂型等。
3、砂眼的防治措施：
（1）修改工艺，如增大铸型尖角部位的圆角半径，增大起模斜度，改进下芯方案等。
（2）提高型芯砂质量、造型操作质量、型芯烘干质量。
（3）改进浇注系统和控制浇注操作，减少金属液对型壁的热辐射和强烈冲击。
（4）提高合型操作质量，认真检查型芯尺寸，吸尽型内散砂，平稳合型，防止碰撞和挤压，坚持验型操作等。
三、夹砂结疤的定义、产生原因、防治措施
1、夹砂结疤的概念：
夹砂结疤是指在铸件表面产生的疤片状金属突起物，其表面粗糙、边缘锐利，有一小部分金属和铸件本体相连，疤片状突起物与铸件之间有砂层。
2、夹砂结疤产生的原因：
铸件产生夹砂结疤与铸件结构、造型方法、型芯砂质量、浇注等因素有关。如：
（1）处于水平位置的铸件大平面受金属液强烈热辐射作用;
（2）砂型（芯）质量不佳造成浇注过程型壁开裂或砂块掉落;
（3）金属液流动性差或浇速慢不能较快覆盖型腔底部平面。
3、夹砂结疤防治措施：
（1）减小上下型水平型壁面积、在水平大平面上附设肋结构、水平大平面倾斜浇注、在大平面上插钉加固。
（2）提高型砂、造型、合型质量。
（3）保证熔炼质量和浇注速度，如：减少金属液杂质含量、提高流动性、控制好浇注温度、增加内浇道面积和数量，提高澆注速度，缩短对型壁热辐射作用时间等。只要是转型与金属液接触的表层不破裂和不垮塌，一般铸件就不会产生夹砂结疤。
铸件外观质量检验一般采用直观就可以检查，对铸件表面缺陷的检验（例如粘砂、夹砂、夹砂结疤等）大多数用肉眼直观目视检查，也可借助于低倍放大镜，就可以发现暴露在铸件表面的宏观缺陷，检查时，应判定铸件对于检查项目是否合格，区分合格品返修品和废品。重点要在铸件内腔质量检验（内腔形状尺寸、表面粗糙度各种表面铸造缺陷、内腔清洁度等）检验。当用时发现内腔表面是否有粘砂、夹砂和夹砂结疤等缺陷时，必须采取措施将这些缺陷清除。
参考文献
[1]中国机械工程学会铸造分会.铸造手册1卷.2版,北京,机械工业出版社,2002.8
[2]杜磊.铸造实用技术问答（M）北京：机械工业出版社,2007.6
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[4]张力真.金属工艺学实习教材，北京，高等教育出版社，2001.6
[5]乔世民.机械制造基础,北京,高等教育出版社,2003.4
铸造钢锭工艺的研究 篇4
关键词：熔炼工艺,钢液合金化,生产链
1 原材料准备
废钢是电弧炉炼钢的主要材料, 废钢质量的好坏直接影响钢液的质量、成本和生产率, 因此, 对废钢质量有如下几点要求。
(1) 废钢表面应清洁少锈, 因废钢中沾有的泥沙等杂物会降低炉料的导电性能, 延长熔化时间, 还会影响氧化期去磷效果及侵蚀炉衬。废钢锈蚀严重或沾有油污时还会降低钢和合金元素的收得率, 并增加钢中的含氢量。
(2) 废钢中不得混有铅、锡、砷、锌和铜等有色金属。铅的密度大, 熔点低, 不溶于钢液, 易沉积在炉底缝隙中造成漏钢事故;锡、砷和铜易引起钢的热脆。
(3) 废钢中不得混有密封容器, 以及易燃、易爆物和有毒物, 以保证安全生产。
(4) 废钢化学成分应明确, 且需按成分分类存放, 硫、磷含量不宜过高。
(5) 废钢外形尺寸不能过大 (截面积不宜超过300m m×300m m, 最大长度不宜超过350m m) 。
2 冶炼工艺要点及说明
其操作过程分为:补炉、装料、熔化、氧化、还原与出钢六个阶段。因主要由熔化期、氧化期、还原期组成, 俗称老三期。
2.1 补炉:影响炉衬寿命的“三要素”
(1) 影响炉衬寿命的"三要素":炉衬的种类、性质和质量;高温电弧辐射和熔渣的化学浸蚀;吹氧操作与钢渣等机械冲刷以及装料的冲击。
(2) 补炉部位:炉衬各部位的工作条件不同, 损坏情况也不一样。炉衬损坏的主要部位如下: (1) 炉壁渣线受到高温电弧的辐射, 钢渣的化学侵蚀与机械冲刷, 以及吹氧操作等损坏严重; (2) 出钢口附近因受钢渣的冲刷也极易减薄; (3) 炉门两侧常受急冷急热的作用, 流渣的冲刷以及操作与工具的碰撞等, 损坏也比较严重。
(3) 补炉方法分为人工投补和机械喷补, 根据选用材料的混合方式不同, 又分为干补和湿补两种。补炉的原则是:高温, 快补, 薄补。
(4) 补炉材料主要用镁砂, 白云石或两者的混合物, 并掺入磷酸盐或硅酸盐等粘结剂。
2.2 装料
目前, 广泛采用炉顶料罐和电磁吸盘装料, 每炉钢的炉料分1～3次加入。装料的好坏影响炉衬寿命, 冶炼时间, 电耗以及合金元素的烧损等。因此, 要求合理装料, 这主要取决于炉料在料罐中的布料合理与否。现场布料 (装料) 经验:下致密, 上疏松, 中间高, 四周低, 炉门口无大料, 穿井快, 熔化快, 效率高。
2.3 熔化期
传统冶炼工艺的熔化期占整个冶炼时间的50%～70%, 电耗占70%～80%。因此熔化期的长短影响生产率和电耗, 熔化期的操作影响氧化期、还原期的顺利与否。
(1) 熔化期的主要任务:将块状的固体炉料快速熔化, 并加热到氧化温度;提前造渣, 早期去磷, 减少钢液吸气与挥发。
(2) 熔化期的操作:合理供电、及时吹氧、提前造渣。1) 炉料熔化过程及供电:装料完毕即可通电熔化。炉料熔化过程基本可分为四个阶段, 即点弧, 穿井, 主熔化及熔末升温。点 (起) 弧期从送电起弧至电极端部下降到一定深度时为点弧期。此期电流不稳定, 电弧在炉顶附近燃烧辐射, 二次电压越高, 电弧越长, 对炉顶辐射越厉害, 并且热量损失也越多。为保护炉顶, 在炉上部布一些轻薄料, 以便让电极快速进入料中, 减少电弧对炉顶的辐射。点弧结束至电极端部下降到炉底为穿井期。此期虽然电弧被炉料所遮蔽, 但因不断出现塌料现象, 电弧燃烧不稳定, 应注意保护炉底, 办法是加料前采取外加石灰垫底, 重废钢以及合理的炉料。供电上采取较大的二次电压、较大电流, 以增加穿井的直径与穿井的速度。主熔化期由于电弧埋入炉料中, 电弧稳定, 热效率高, 传热条件好, 故应以最大功率供电, 即采用最高电压最大电流供电。主熔化期时间占整个熔化期的70%以上。
(3) 缩短熔化期的措施:1) 减少热停工时间, 如提高机械化、自动化程度, 减少装料次数与时间等;2) 强化用氧。如吹氧助熔, 氧-燃助熔, 实现废钢同步熔化, 提高废钢熔化速度;3) 提高变压器输入功率, 加快废钢熔化速度;4) 废钢预热, 利用电炉冶炼过程产生的高温废气进行废钢预热等。
2.4 氧化期
氧化期是氧化法冶炼的主要过程, 能够去除钢中的磷、气体和夹杂物。当废钢料完全熔化并达到氧化温度, 磷脱除70%～80%以上进入氧化期。为保证冶金反应的进行, 氧化开始温度高于钢液熔点50～80℃。
(1) 氧化期的主要任务:脱磷———继续脱磷到要求;脱碳———脱碳至规格下限;二去———去除气体、杂质;温度———升温, 提高钢液温度。
(2) 氧化期操作
造渣与脱磷:传统冶炼方法中氧化期还要继续脱磷, 2[P]+5 (FeO) +4 (CaO) = (4CaO P2O 5) +5[Fe]△H<0由脱磷反应式可以看出:在氧化前期 (低温) , 造好高氧化性, 高碱度和流动性良好的炉渣, 并及时流渣, 换新渣, 实现快速脱磷是可行的。
氧化与脱碳:近些年, 强化用氧实践表明:除非钢中磷含量特别高需要采用碎矿 (或氧化铁皮) 造高氧化性炉渣外, 均采用吹氧氧化, 尤其当脱磷任务不重时, 通过强化吹氧氧化钢液降低钢中碳含量, 降 (脱) 碳是电炉炼钢重要任务之一, 然而脱碳反应的作用不仅仅是为了降碳, 脱碳反应的作用如下:降低钢中的碳, 利用碳-氧反应 (→CO) 这个手段来达到以下目的:搅动熔池, 加速反应, 均匀成分;去除钢中气体与夹杂。实际上, 电炉就是通过高配碳, 利用吹氧脱碳这一手段来达到加速反应, 均匀成分、温度, 去除气体和夹杂的目的。脱碳反应与脱碳条件:[C]+[O]=CO↑, △H=-0.24kcal=-22kJ<0分析:该反应是在钢中进行的放热反应。高氧化性, 加强供氧, 使[%O]实际>[%O]平衡。高温加速C-O间的扩散[由于脱碳反应是"弱"放热反应, 温度影响不大 (热力学温度) , 但从动力学角度, 温度升高改善动力学条件, 加速C-O间的扩散, 故高温有利脱碳的进行]。降低压强, 如充惰性气体 (A O D) , 抽气与真空处理 (V D, V O D) 等降低PCO均有利于脱碳反应。
2.5 还原期
传统电炉冶炼工艺中, 还原期的存在显示了电炉炼钢的特点, 而现代电炉冶炼工艺的主要差别是将还原期移至炉外进行。
(1) 还原期的主要任务脱氧、脱硫、调整成分、调整温度。其中, 脱氧是核心, 温度是条件, 造渣是保证。1) 脱氧方法:沉淀脱氧, 扩散脱氧及综合脱氧法。电炉炼钢采用沉淀脱氧法与扩散脱氧法交替进行的综合脱氧法, 氧化末还原前用沉淀脱氧进行预脱氧, 还原期用扩散脱氧, 出钢前用沉淀脱氧进行终脱氧。其中沉淀脱氧反应式:x[M]块+y[O]= (M x O y) ↑沉淀脱氧是将块状脱氧剂加入钢液中, 直接进行钢液脱氧。常用的脱氧剂有Fe-M n, Fe-Si, A l和复合脱氧剂M n-Si, Ca-Si等, 脱氧能力依次增加。该法的特点:操作简单, 脱氧迅速;当上浮时间短时脱氧产物易留在钢中。扩散脱氧反应式:x (M) 粉+y (FeO) = (M x O y) +y[Fe]扩散脱氧是将粉状脱氧剂加在渣中, 使炉渣脱氧, 钢中氧再向渣中扩散, 间接脱出钢中氧。粉状脱氧剂有Fe-Si, Ca-Si, CaC, A l粉等, 与沉淀脱氧法比较, 扩散脱氧法的特点:反应在渣中进行, 产物不进入钢中, 钢质好, 脱氧速度慢, 时间长。此法常用在电炉还原期稀薄渣形成后。2) 脱硫反应及脱硫条件[FeS]+ (CaO) = (CaS) + (FeO) , △H>0分析:该反应是在渣-钢界面上进行的, 为一吸热反应。高碱度, 造高碱度渣, 增加渣中氧化钙;强还原气分 (或低氧化性) , 造还原性渣, 减少化铁含量;高温, 同时高温改善渣的流动性;大渣量 (适当大) , 充分搅拌增加渣-钢接触。由于电炉还原期或精炼炉精炼期的还原气分强烈, (FeO) <0.5%～1.0%, 对脱硫特别有利。
(2) 还原操作———脱氧操作电炉常用综合脱氧法, 其还原操作以脱氧为核心。1) 当钢液的T (温度) , P, C符合要求2) 加Fe-M n, Fe-Si块等预脱氧 (沉淀脱氧) 3) 加石灰, 萤石, 造稀薄渣4) 还原, 加C粉, Fe-Si粉等脱氧 (扩散脱氧) 5) 搅拌, 取样, 测温6) 调整成分—合金化7) 加A l或Ca-Si块等终脱氧 (沉淀脱氧) 8) 出钢
(3) 温度的控制考虑到出钢到浇注过程中的温度损失, 出钢温度应比钢的熔点高出100～140℃。由于氧化期末期控制钢液温度大于出钢温度20～30℃以上, 所以扒渣后还原期的温度控制总的来说是保温过程。若还原期大幅度升温, 则易造成钢液吸气严重, 高温电弧加重对炉衬的侵蚀及局部钢水过热。为此, 应避免还原期后期升温操作。
2.6 出钢
传统电炉冶炼工艺, 钢液经氧化, 还原, 当化学成分合格, 温度符合要求, 钢液脱氧良好, 炉渣碱度与流动性合适时即可出钢。传统电炉老三期冶炼工艺操作集熔化、精炼和合金化于一炉, 包括熔化期, 氧化期和还原期, 在炉内既要完成废钢的熔化, 钢液的升温, 钢液的脱磷、脱碳、去气、去除夹杂物, 又要进行钢液的脱氧、脱硫以及温度的调整, 因而冶炼周期很长。这既难以保证对钢材越来越严格的质量要求, 又限制了电炉生产率的提高。
2.7 钢液的合金化
(1) 炼钢过程中调整钢液合金成分的操作称为合金化。它包括电炉过程钢液的合金化及精炼过程后期钢液的合金成分微调。传统电炉冶炼工艺的合金化一般是在氧化末还原初进行预合金化, 在还原末出钢前或出钢过程进行合金成分微调。
合金化操作主要指合金加入的时间, 加入的数量及加入的方式。1) 合金加入时间:原则是熔点高、不易氧化的元素可早加;熔点低、易氧化的元素晚加。合金化操作具体原则:A) 易氧化的元素后加原则;不易氧化的元素, 可在装料时, 氧化期或还原期加入, 如N i, Co, M o, W等;较易氧化的元素, 一般在还原初期加入, 如Cr, M n等;容易氧化的元素一般在还原末期加入, 即在钢液和炉渣脱氧良好的情况下加入, 如V, N b, Si, Ti, A l, B, 稀土元素 (La, Ce等) 。为提高易氧化元素的收得率, 许多工厂在出钢过程中加入稀土元素, 如钛铁等, 有时稀土元素还在浇注的过程中加入。B) 比重大的加强搅拌原则:熔点高的、比重大的铁合金, 加入后应加强搅拌。C) 便宜的先加原则:在许可的条件下, 优先使用便宜的高碳铁合金, 然后再考虑使用中碳铁合金或低碳铁合金。D) 贵重的控制下限原则:贵重的铁合金应尽量控制在中下限, 以降低钢的成本。如冶炼W 18Cr4V时 (W 17%～19%) , 每少加1%的W, 可节约15kg/t钨铁。
(2) 还原操作———脱氧操作电炉常用综合脱氧法, 其还原操作以脱氧为核芯。1) 当钢液的T (温度) , P, C符合要求2) 加Fe-M n, Fe-Si块等预脱氧 (沉淀脱氧) 3) 加石灰, 萤石, 火砖块, 造稀薄渣4) 还原, 加C粉, Fe-Si粉等脱氧 (扩散脱氧) , 5) 搅拌, 取样, 测温;6) 调整成分合金化7) 加A l或Ca-Si块等终脱氧 (沉淀脱氧) 8) 出钢
(3) 温度的控制考虑到出钢到浇注过程中的温度损失, 出钢温度应比钢的熔点高出100～140℃。由于氧化末期控制钢液温度大于出钢温度20～30℃以上, 所以扒渣后还原期的温度控制, 总的来说是保温过程。若还原期大幅度升温, 则造成钢液吸气严重, 高温电弧加重对炉衬的侵蚀及局部钢水过热。为此, 应避免还原期后升温操作。
3 钢锭生产过程中进行的创新工作
(1) 自行设计圆形底盘、方形钢锭模。
(2) 各类钢种的浇注温度进行自行测算。根据合金的熔点及计算公式可计算得出一个温度值, 通过Fe-C相图查找到此类合金的过热温度, 将两个温度值相加可得到各类钢种的浇注温度。
(3) 生产的钢锭在使用过程中反映良好, 未出现白点、热裂纹和冷裂纹等缺陷。冶炼钢锭用炉为电弧炉, 没有精炼炉、真空炉的效果, 但通过以下冶炼工艺的实施, 极大提高了钢锭的质量:使用保温冒口;产生白点的原因主要是由于加入潮湿的原材料, 进而使冶炼过程中产生水分, 水进入钢水中分解生产氢离子, 致使钢锭产生白点, 对此, 冶炼所使用各类材料如白灰、合金等需要进行提前烘烤, 所以杜绝了白点缺陷。
现在所生产的钢锭已经能很好的满足锻造专业公司的生产, 形成了一个自给自足的生产链。
4 结论
本文描述了电弧炉炼钢过程中各个阶段的操作方法及注意事项, 以及通过技术创新冶炼了各类钢锭, 使电弧炉冶炼钢锭成为本公司的一大特点, 在满足锻造专业公司生产的基础上也较好的开拓了外部市场, 到6月份共生产各种材质的钢锭965.5吨, 为公司创造了经济效益。
参考文献
[1]孙伟, 曹同友, 刘凯等, 钝化镁-石灰复合喷吹脱硫工艺优化实验[J], 《炼钢》, 2010.06:35-36.
[2]韩国大, 电弧炉操作实践[J], 《中国铸造装备与技术》, 2010.06:24-25.
铸造工艺参数对铸锭质量的影响 篇5
1、冷却速度对铸锭质量的影响
冷却速度指铸锭的降温速度，又称冷却强度，用单位时间内下降的温度来表示，常用单位是℃/s。但在实际生产中，这个单位不便于控制，由于在既定条件下，各种工具和工艺条件都是预先确定的，因此生产现场多采用冷却水压或冷却水流量作为冷却速度的度量。在连续铸造过程中，铸锭内各点在同一时刻的冷却速度以及同一点在不同时刻的冷却速度都是变化的。
(1)冷却速度对铸锭组织的影响
在直接水冷半连续铸造时，随着冷却强度的增加，铸锭结晶速度提高，熔体中溶质元素来不及扩散，过冷度增加，晶核增多，因而所得晶粒细小；同时，过渡带尺寸缩小，铸锭致密度提高，减小了疏松倾向。此外提高冷却速度，还可细化一次晶化合物尺寸，减小区域偏析的程度。
铸模的导热条件是显著影响铸锭组织的重要因素，尤其是边缘部位的组织。图1示出了扁铸锭中枝晶网尺寸分布情况：A是铸模中金属水平高的情况；B是铸模中金属水平低的情况；C是电磁铸造的，金属不和铸模接触，完全依靠喷射到铸锭上的水流把热量带走。
图1
在不同水平铸造或电磁铸造的扁锭中的IPP分布情况
(2)冷却速度对铸锭力学性能的影响。冷却速度是决定铸锭力学性能的基本因素。通常，随冷却速度增大，铸锭的平均力学性能得到提高。冷却速度的这种作用主要是由下面两个原因引起的：一是随冷却速度增大，铸锭结晶速度提高，晶内结构细化；二是随冷却速度增大，铸锭过渡带尺寸缩小，铸锭致密度提高。此外，提高冷却速度，还可细化一次晶化合物的尺寸，减小区域偏析的程度。
但是，合金成分不同，冷却速度对铸锭力学性能影响的程度是不一样的，对变形铝合金而言，大致可分为四个基本的类型：第一类是在所有温度下(从室温到熔点)均呈单相的合金，如各种牌号的高纯铝、工业纯铝、5A66、7A01等。这些合金的铸态力学性能同冷却速度的关系不太强烈，冷却速度仅在能消除破坏金属连续性的缺陷(疏松、气孔)的极限速度之前有影响(见图2a)。第二类是铸态呈多相，但在固溶热处理后变成固溶体的合金，如5A12、5A13等。这种合金的铸态性能同冷却速度的关系十分明显，但在固溶热处理后这种关系变得不明显。这种合金即使在很低的冷却速度下铸造，经热处理后，亦可达到很高的力学性能（见图2b）。然而当合金中存在较多的铁、硅杂质时，由于它们能生成不溶解的化合物，又使合金对冷却速度的关系变得很敏感。第三类是铸态呈多相，但任何热处理都不能使它们变成单相的合金，这种合金中，含有的第二相是可溶的，但第二相的数量超过其溶解度极限或是同时含有可溶和不可溶的第二相的合金，绝大多数工业变形铝合金都属于这一类。这些合金的铸态力学性能同冷却速度的关系很明显，随冷却速度增大，铸锭致密度提高，在晶粒内部和晶粒边界上分布的脆性化合物相愈细小，因而性能急剧提高(见图2c)。第四类是铸态呈多相，但其中基本上只有不可溶的第二相化合物存在，如4004、4A17、4047等。这些合金铸态力学性能与冷却速度也有明显的关系，但热处理后性能基本不变（见图2d）。
a
b
c
d
铸造后热处理状态；-----------
铸造状态
图2
合金机械性能与冷却速度的关系
a-第一类合金；b-第二类合金；c-第三类合金；d-第四类合金
(3)冷却速度对铸锭裂纹倾向性的影响。随冷却速度提高，铸锭中的温度梯度增大，如铸锭内部各处不能同步收缩，则热应力值也相应提高，因此，铸锭裂纹倾向性增大。连续铸造时，沿铸锭周边冷却的不均匀程度是产生裂纹的重要因素之一。局部供水不足将导致冷却速度的差别和凝壳厚度的变化，使铸锭裂纹倾向性急剧提高。这种情况对于大小面冷却速度本来就不一致的扁铸锭表现尤为明显。
(4)冷却速度对铸锭表面质量的影响。在通常采用普通结晶器和铸造速度较慢的情况下，提高冷却速度会使铸锭表面产生冷隔的倾向性增大，而使铸锭表面产生偏析浮出物和拉裂的倾向性降低。
2、铸造速度对铸锭质量的影响
铸造速度是指铸锭相对结晶器的运动速度，常用mm／min或m／h表示。在连续铸造过程中，铸锭从结晶器中拉出的速度在正常铸造阶段是不变的，但在开头、结尾时以及在铸造过程中由于液面波动的影响，其实际铸造速度不尽一致。
(1)铸造速度对铸造组织的影响
在一定范围内，随着铸造速度的提高，铸锭晶内结构细小。但过高的铸造速度会使液穴变深(h液穴=kV铸)，过渡带尺寸变宽，结晶组织粗化，结晶时的补缩条件恶化，增大了中心疏松倾向，同时铸锭的区域偏析加剧，使合金的组织和成分不均匀性增加。
(2)铸造速度对铸锭力学性能的影响。铸造速度对铸锭力学性能的影响取决于它对铸锭结晶速度和过渡带尺寸影响的综合结果。一般的规律是：随铸造速度的提高，铸锭的平均力学性能按具有极大值的曲线变化(见图3)，但性能沿铸锭截面分布的不均匀程度增大。
结晶速度和过渡带尺寸是决定多相合金及按固溶体类型结晶的合金的力学性能的主要因素。随铸造速度提高，铸锭的平均结晶速度增大，晶内结构细化，因而铸锭的平均力学性能得到提高。在更高的铸造速度下，由于液穴变深，过渡带尺寸增加，铸锭致密度降低，因而铸锭的平均力学性能又开始下降。在提高铸造速度的同时，由于铸锭中心疏松程度增大以及化学成分区域偏析增大的结果，使性能沿铸锭截面的分布变得更不均匀。
a)直径280mm铸锭
b)5A06合金ф405铸锭
图3
铸锭的平均力学性能与铸造速度的关系
(3)铸造速度对铸锭裂纹倾向性的影响。在一般情况下，提高铸造速度时使铸锭形成冷裂纹的倾向性降低，而使形成热裂纹的倾向增加。这是因为提高铸造速度使铸锭中已凝固部分的温度提高，而合金在温度提高时塑性显著增加。如果把铸造速度提高到使铸锭凝固层的拉伸变形发生在具有足够塑性的温度区间(高于200～300℃)，则铸锭就不会发生冷裂纹。但是，随着铸造速度的提高，铸锭中过渡带尺寸增加，形成热裂纹的脆性区的几何尺寸增大，熔体焊合裂纹的能力降低，由于区域偏析而引起的铸锭化学成分的不均匀性增加。同时，随铸造速度提高，铸锭各层冷却速度差别更大，导致拉伸变形量增大，因而使铸锭形成热裂纹的倾向增大。
由于对热裂纹和冷裂纹的区分往往是不严格的，加之热裂纹对冷裂纹的形成有促进作用，因此，在分析铸造速度对铸锭裂纹倾向性的影响时，还应该特别注意各种形状铸锭中不同类型裂纹产生的机理和具体原因，其关系往往比上述规律性要复杂。
对于扁铸锭，提高铸造速度，使形成侧面裂纹的倾向性降低，而使形成表面裂纹的倾向性增加。对于圆铸锭，提高铸造速度，使形成表面裂纹的倾向性降低，而使形成中心裂纹的倾向性增加。
(4)铸造速度对铸锭表面质量的影响。随铸造速度的提高，液穴加深，凝壳变薄，铸锭表面形成偏析浮出物的倾向增大。此时，带有偏析浮出物的较薄的凝壳在熔体静压力作用下发生变形，且在运动中与结晶器壁产生摩擦的趋势增大，因而铸锭表面产生拉痕和拉裂的倾向也增大。然而，在提高铸造速度时，铸锭表面温度升高，因而，形成冷隔的倾向性降低。
铸锭的铸造速度一般应按下述原则进行调控:
在保证铸锭质量符合技术条件(包括成品率)的前提下，采用尽可能高的铸造速度以发挥铸造机的最大生产能力。
（1）对于扁铸锭，铸造速度的选择首先应当保证铸锭没有裂纹。一般的原则是：
1）对于没有冷裂纹倾向的软合金，随铸锭宽厚比增大，应降低铸造速度。
2）对于冷裂纹倾向较大的硬合金，随铸锭宽厚比增大，应提高铸造速度。
3）在铸锭厚度和宽厚比一定的条件下，热裂纹倾向性较大的合金，应降低铸造速度。
（2）对于小直径圆铸锭，由于裂纹倾向性和过渡带绝对尺寸都不大，在保证铸锭具有良好表面质量的条件下，可以选择较高的铸造速度。反之，对于大截面圆铸锭应该采用较低的铸造速度。一般的原则是：
1）对同一种合金，铸锭直径愈大，铸造速度愈低。
2）铸锭直径相同时，铸造速度按软合金（工业纯铝、3A21、5A02等）→6000系合金（6063、6061、6A02等）→高镁合金（5A05、5A06、5056等）→高成分2000系合金（2A11、2A12、2B11等）→高成分7000系合金（7075、7A04、7A09等）的次序递减。
3）对于2A11合金圆铸锭，可以按下列规律调控铸造速度：
①在对平均力学性能的关系上，当使用普通结晶器时，最适宜的铸造速度可按关系式
U铸·D=2m2/h来近似确定，式中，U铸为铸造速度，m／h；D为铸锭直径，m。下同。
②保证性能沿铸锭截面具有较均匀分布的铸造速度可按U铸·D=1.6～1.7m2/h来确定。
③不论铸锭直径大小如何，在结晶器高度为180mm时，不调整合金的化学成分，只要铸造速度比关系式U铸·D=1m2/h所确定的铸造速度稍低—点，即能避免铸锭中心层在结晶区间里出现拉应力，从而避免热裂纹的出现。
（3）对于空心圆铸锭，在合金和外径相同的条件下，铸造速度随壁厚增加而提高；在合金和内径相同的条件下，铸造速度随壁厚增加而降低。在其他条件相同时，软合金空心圆铸锭的铸造速度约比具有相同外径的实心圆铸锭的高30％，硬合金空心圆铸锭的铸造速度约比相同外径实心圆铸锭的高50%～100%。
（4）热顶铸造、气幕铸造和电磁铸造时，在其他条件相同时，分别比普通铸造的铸造速度约高10%～20%、15%～25%和20%～30%。
最后应指出：铸造速度的调控与合金化学成分关系极大。对于同一种合金，在其他工艺参数不变的条件下，调整合金化学成分，可以提高保证铸锭不产生裂纹的允许铸造速度(见表1和表2)。在生产条件下，各种合金铸锭的比较适宜的铸造速度参见本章第五节连续铸锭工艺。
表1
2A12合金圆铸锭铸造速度与合金中硅和锌含量的关系
元素含量/%
不同铸锭直径（mm）的铸造速度/m·h-1
硅
锌
160
190
280
310
360
430
540
675
720
0.10
0.06
6.8
4.7
3.3
1.8
1.3
1.1
0.20
0.12
11.8
5.3
4.3
2.8
1.9
1.1
0.30
0.20
11.8
8.2
4.0
2.8
1.9
1.3
0.35
0.20
6.8
3.0
2.4
1.6
1.1
0.50
0.30
8.6
6.0
2.6
2.0
1.4
表2
7A04合金圆铸锭铸造速度与合金中硅含量的关系
硅含量/%
不同铸锭直径（mm）的铸造速度/m·h-1
160
190
280
310
360
430
540
675
720
0.06
10.0
7.1
4.0
3.0
2.4
1.7
1.3
0.9
0.8
0.12
8.6
6.0
3.4
2.8
2.0
1.5
1.2
0.25
6.8
5.3
2.8
2.3
1.7
1.2
0.9
0.45
6.0
4.6
2.2
1.8
1.3
3、铸造温度对铸锭质量的影响?
铸造温度通常指铸造过程中静置炉内熔体的温度，由于液流转注过程中热量的散失，进入结晶器的熔体实际温度因转注路程的长短、保温或加热措施的好坏及气温的高低而不同，通常约比铸造温度低5～10℃。现在看来，铸造温度的确切含义应是进入结晶器时的熔体温度。
(1)铸造温度对铸锭组织的影响
提高铸造温度，使铸锭晶粒粗化的趋势增加；在一定范围内提高铸造温度，铸锭液穴变深，结晶前沿温度梯度变陡，结晶时冷却速度大，晶内结构细化，但同时形成柱状晶、羽毛晶的倾向增大。提高铸造温度还会使液穴中悬浮晶尺寸缩小，形成一次晶化合物的倾向变低，排气补缩条件得到改善，致密度得到提高。降低铸造温度，熔体黏度增加，补缩条件变坏，疏松、氧化膜缺陷增多。
(2)铸造温度对铸锭力学性能的影响。铸造温度是影响铸锭性能的一个很活跃的因素，它对铸锭力学性能的影响取决于下列因素的综合结果：
1）提高铸造温度，使铸锭晶粒度有粗化趋势，从而引起铸态力学性能降低；
2）提高铸造温度，使结晶前沿温度梯度变陡，结晶时的冷却速度增大，因而细化了晶内结构，引起铸态力学性能提高。但同时，铸锭形成柱状晶和羽毛晶的趋势增大，在提高铸态力学性能总水平的前提下，铸锭纵向和横向性能的差别增大；
3）提高铸造温度，使铸锭液穴中悬浮晶区的尺寸缩小，形成一次晶化合物的倾向性降低，排气补缩条件得到改善，铸锭致密度提高，从而，使铸态力学性能提高。
综上所述，可以认为：在一定范围内提高铸造温度，硬合金铸锭的铸态力学性能可相应提高(见图4)；而软合金铸锭的铸态力学性能由于对晶粒度的关系很敏感，故有下降的趋势。
图4
直径280mm2A12合金铸锭的力学性能
铸造温度:1-800℃；2-700℃；3-700℃并搅拌液穴熔体
(3)铸造温度对铸锭裂纹倾向性的影响。在其他条件不变时，提高铸造温度通常使铸锭裂纹倾向性增大。这是因为提高铸造温度，使铸锭晶粒变得粗大，使合金热脆性提高；同时，使液穴加深，并提高了结晶器出口处铸锭的表面温度，减小了凝壳厚度。
(4)铸造温度对铸锭表面质量的影响。提高铸造温度，使铸锭液穴变深，凝壳变薄，在熔体静压力作用下，凝壳与结晶器壁的摩擦面积增大；同时，熔体对结晶器壁的烧附性增强，铸锭拉锭阻力增大，因而铸锭表面形成拉痕和拉裂的倾向提高。提高铸造温度时，由于凝壳变薄和表面氧化物破裂的结果，使铸锭表面形成偏析瘤的倾向也增加。如果此时结晶器较高或者二次水冷较弱，则可能形成凸起程度较大的偏析浮出物。但提高铸造温度使铸锭表面形成冷隔的倾向性降低。
调控铸造温度的基本原则是：
（1）为保证熔体在转注过程中具有充分的流动性，应视转注距离长短和气温情况，将铸造温度控制在比合金液相线温度高50～110℃的范围内。
（2)、对于扁铸锭，从防止裂纹这个主要问题出发，应选择较低的铸造温度。通常，扁铸锭铸造速度快，熔体流量大，转注过程中降温少，一般控制在690～710℃之间即可。对于7A04型合金，则可更低一些。
（3）对于圆铸锭，铸锭裂纹倾向性和铸造温度的关系不太敏感，而转注过程中，熔体流量一般较小，热量散失大，同时，为了加强铸锭结晶时析气补缩的能力，创造顺序结晶的条件，以提高铸锭致密度，故铸造温度多偏高选取。对于直径350mm及以上的铸锭一般控制在730～740℃之间；对于形成金属间化合物一次晶倾向比较大的合金，则控制在740～755℃之间，甚至更高；对于直径较小的圆铸锭，由于结晶速度较快，过渡带尺寸较小，铸锭性能通常较高，故铸造温度仅以满足流动性和不形成光晶为依据，一般控制在715～730℃
（4）空心圆铸锭的铸造温度可参照同合金相同外径的实心圆铸锭，按下限选取。
4、结晶器有效高度对铸锭质量的影响
结晶器有效高度指铸锭从液态冷凝成型过程中与结晶器工作面开始接触点到结晶器底缘的距离。可以说，几十年来连续铸造的发展史，在某种程度上，也就是不断降低结晶器有效高度的历史。从普通结晶器到矮结晶器，再到热顶、气幕结晶器，直到电磁结晶器，结晶器有效高度一路下降，直至为零。结晶器有效高度对铸锭质量的重要性可见一斑。
(1)结晶器有效高度对铸锭组织的影响。
随着结晶器有效高度的降低，一次冷却强度下降，二次直接冷却速度加快，溶质元素来不及扩散，活性质点多，晶内结构细(见图1)。由于液穴变浅，过渡带变窄，有利于气体和非金属夹杂物的上浮，疏松倾向小，铸锭致密度提高。
(2)结晶器有效高度对铸锭力学性能的影响。
降低结晶器有效高度等于提早铸锭接受二次直接水冷的时间，使铸锭冷却强度增大，导致两个结果：一是晶内结构更细小，二是液穴更平坦，组织致密性提高，从而使铸锭平均力学性能（强度和塑性）提高（见表3）。提高结晶器有效高度，在铸锭边缘层首先发生性能降低，这显然与结晶面形状和过渡带尺寸改变有关。
表3
结晶器高度对2A50合金铸锭力学性能的影响①
铸锭直径/mm
结晶器高度/mm
铸态性能
均匀化后性能
σb
/MPa
δ/%
σb
/MPa
δ/%
横向
纵向
横向
纵向
横向
纵向
横向
纵向
192
249.0
243.0
8.80
9.66
218.1
211.0
11.21
11.10
158
224.7
214.0
7.94
7.15
204.5
208.5
10.49
8.14
290
223.9
217.5
6.33
6.80
201.4
215.3
8.18
9.18
150
204.3
209.5
5.34
5.73
198.0
202.0
8.08
7.61
350
120
212.8
217.7
5.38
5.89
200.8
199.1
7.66
7.63
180
203.5
210.3
4.98
4.75
196.5
195.1
7.87
6.97
①规格相同的铸锭，矮结晶器采用的铸造速度比高结晶器的低5～10mm/min。
(3)结晶器有效高度对铸锭裂纹倾向性的影响。
这是个很复杂的问题。降低结晶器有效高度使铸锭见水时间普遍提前，在其他条件不变的情况下，对于圆铸锭而言，从增大了冷却强度的角度看，液穴底部有向结晶器内收缩的趋势；但结晶器的有效高度绝对值减小，液穴底部又有向结晶器外伸展的趋势。如果两个趋势的综合结果是前者，则使铸造开始时，铸锭表面形成拉应力的倾向性增大，因而产生表面裂纹的倾向性增大；如果是后者，则有利于消除圆铸锭的表面裂纹，但同时却增大了圆铸锭产生中心裂纹和其他类型裂纹的倾向性。经验表明，降低结晶器有效高度，使扁铸锭产生热裂纹的倾向性增加。
(4)结晶器有效高度对铸锭表面质量的影响。
降低结晶器有效高度等于降低铸锭一次冷却强度，使由结晶器壁单独冷却形成的凝壳缩短，从而使铸锭形成拉痕和拉裂的倾向性降低；又由于液穴变得更为平坦，铸锭表面形成偏析浮出物的倾向性也降低。但是，结晶器有效高度的降低使铸锭冷却强度增加，这样在其他条件相同时，铸锭形成冷隔（成层）的倾向性增大。热顶铸造和气幕铸造时通过在结晶器上加热帽解决这个问题，普通铸造时，可通过提高铸造速度或铸造温度来解决，还可通过精确控制液面来解决。
在实际生产条件下，铸造工具基本上都是确定的，在现场除采用普通结晶器进行立式铸造时可通过液面控制器对结晶器有效高度做有限的调节外，在其他情况下，比如卧式铸造、热顶铸造等都是不可调的（除非更换结晶器）。可以认为，结晶器高度是与铸造方法同时确定的。当然，通过调整铸锭见水线位置也可调整水冷高度，但与结晶器有效高度的定义不符。
5、显著影响铸锭铸锭质量的另一因素是结晶过程中结晶前沿熔体的运动。
图5给出了园铸锭的枝晶网格尺寸的分布情况，比较了垂直液流、水平液流、倾斜液流(通过流口下面不同宽度的浮子使液流倾斜某一角度)三种分布情况。液流流射的区域对应于网格尺寸的最小值，液流流射不到的“死区”显示最大的网格尺寸。正确使用液流倾斜度，可得到比较均匀的显微组织，作为优质的挤压毛料。
图5
在以垂直喷咀、倾斜液流和水平液流铸造的园铸锭中的枝晶网格尺寸的分布情况
上述现象可以用图6来解释，液流出口处降低了熔体的过热(应为冷)？，使固相线的温度梯度变徒，因而使过渡区变薄。这里不容忽视的是晶核(悬浮晶体)向“死区”的迁移。在计算热平衡时，必须考虑这种作为潜热转移的晶核迁移。其结果是被液流冲刷区的固相表面失去了热量，既包括金属的凝固热，也包括晶核迁移的潜热。在“死区”，迁入的悬浮晶体作为晶核进入结晶前沿，把少量的结晶热释放出来。
根据观察结果，DAS和IPP的极小值可归因于晶核群的迁移，此时进入结晶前沿的熔体没有过热。
图6
液流流入结晶前沿对结晶顺序和导热条件的影响
6、铸锭规格对铸锭质量的影响(铸锭规格是指铸锭横断面的几何尺寸和铸锭长度)
铸锭规格是根据加工车间的要求，并考虑到合金本身的铸造性能、熔铸设备的能力，以及为了便于管理和提高铸造生产效率，对铸锭规格标准化提出的要求，由加工车间和铸造车间具体磋商而确定的。
在—般条件下，铸锭愈厚或直径愈大，铸锭中心愈易产生疏松，铸态性能愈差，产生裂纹的倾向性愈大。对于扁铸锭，裂纹倾向性还随宽厚比增大而提高。因此，在确定铸锭横断面尺寸时，除了考虑铸造机的性能外，还必须考虑能否铸成，铸出的铸锭性能(包括化学成分的反偏析程度)能否满足技术要求以及铸造成品率的高低和对全厂成品率的影响等因素。
铸锭规格对枝晶网格大小的分布情况影响很大(见图7)，它关系到热量从铸锭中心向表面传导所经过的距离。另一方面，所选定的铸造速度(或牵拉速度)一定要和铸锭规格相适应。
图7
不同厚度连续铸造铸锭的(IPP)分置情况(沿过中点垂直于铸锭表面的直线测量)
铸造工艺 篇6
【关键词】铸造；工艺；缺陷；措施
1、气孔
1.1特征描述：在铸件内部和铸件表面上经常看到一些大小不等的光滑孔洞，这些就是气孔，不同的气孔，由于其成因和来源的不同，因此导致了表现形式有各种各样。如常见的侵入性气孔、析出性气孔以及皮下气孔等
1.2出现气孔的原因分析：出现气孔的原因有很多，例如炉料不干或含氧化物、杂质多；浇注工具或炉前添加剂未烘干；型砂含水过多或起模和修型时刷水过多；型芯烘干不充分或型芯通气孔被堵塞；浇注温度过低或浇注速度太快等。
1.3质量控制措施：针对侵入性气孔尽快控制型砂或芯砂中发气物质的含量，减少发气量，而且要降低湿型砂的含水量，造型与修模时不能过多的和水，保证砂芯的干燥；析出性气孔多而分散，一般情况下，对于同批浇注的铸件其表面常常会发现有析出性气孔。铸造炉料要保证洁净干燥，对于含气量较多的炉料严禁使用，同时保证添加剂的干燥；对皮下气孔的预防控制，包括适当提高浇注温度，减少各种添加剂的加入剂量，尽量减少浇注时间；孕育剂的加入量最好控制在（质量分数）0.4%～0.6%，孕育剂含Al量不宜超过1.5%；防止铁液氧化，适当补加接力焦，严格控制进风量；在保证球化的前提下，尽量减少球化剂的加入量；浇注时在铁液表面覆盖冰晶石粉，防止铁液氧化。
2、砂眼、渣孔
2.1特征描述：材料的缺陷处内部或表面往往会充塞着型（芯）砂的小孔，这就是我们所谓的砂眼。如果是缺陷形状呈现出不规则性，且缺陷内部填充着夹杂物，这就称为渣孔。
2.2出现砂眼、渣孔的原因分析：型砂的强度过低、或者是砂型和型芯不够结实、合箱时砂型出现了局部破坏、浇注系统不合理，内浇口方向不对，金属液冲坏了砂型；合型时型腔或浇口内散砂未清理干净
2.3砂眼、渣孔的质量控制措施：砂眼的防止措施：第一、尽量提高型砂的强度以及砂型的结实度，紧实度，减少砂芯的毛刺，从而防止出现冲砂的现象。第二、合型前将型腔和砂芯表面的浮砂清理干净，并抓紧时间浇注。第三、设计科学有效的浇注程序，严格避免铁液对型壁过大的冲刷力。渣孔的质量控制措施：第一、防止铁液氧化，严格控制球化剂，孕育剂的加入量，球铁采用随流孕育一定要慎重。第二、设计科学有效的浇注程序，在浇注过程中安置滤网片，尽量提高滤网片的档渣能力，浇注过程中不能间断。第三、对二次渣要严格控制铁液的残余含镁量。降低原铁液含硫量，并提高处理温度与浇注温度，适当提高球化剂的稀土含量，降低材料中镁的含量。
3、残渣
3.1所谓残渣，指的就是集中在铸件表面上某处那些呈现出皱皮状的缺陷。残渣由很多的物质组成，其中主要组成物为EPS模样残留物，较为光亮的皱皮状物质。
3.2出现残渣缺陷的原因分析：由于残渣的主要组成物为EPS模样残留物，在渗透方面，EPS模样分解的气体向外逸出速度非常缓慢，因此其分解和消失的过程很漫长。
3.3残渣缺陷的质量控制措施：第一、保证良好的涂层透气性和良好的型砂透气性；第二、适当提高浇注温度；第三、适当提高负压；第四、适当降低EPS物质的密度和紧实程度；第五、适当提高浇注的范围。
4、缩孔、缩松
4.1特征描述：在铸件较为厚实的断面处或者是轴心处常常会由于凝固而出现一些表面粗糙的孔洞，而且这些孔洞有些会带有树枝状的结晶，这些孔洞中较大而且较为密集的称为缩孔，较小而又分散的孔洞称为缩松。
4.2出现缩孔、缩松缺陷的原因分析：一旦金属液遇冷凝固时，这个过程中产生的液态收缩和凝固收缩是远远超过于固态收缩的，而且铸件表面最后凝固的地方往往很难得到应有的金属液。
4.3缩孔、缩松缺陷的质量控制措施：
第一、不同的铸件，壁厚不同，相应的化学成分不同，尽量控制好镁的含量；第二、设计科学的浇注系统，适当降低浇注的温度，尽量使得铸件表面各处都能得到充分补缩；第三、严格控制好炉前孕育剂的含量，一般情况下，0.3%～0.5%的含量较佳；第四、避免铁液氧化。
5、裂纹
5.1裂纹特征描述：浇注好的铸件表面一般都弯曲的裂纹。裂纹分热裂和冷裂两种。热裂的裂口形状不规则，端口表面的颜色往往呈现出深黑色，氧化现象较为明显，且较为曲折。而冷裂的裂口和热裂弯曲不同，裂口比较直，形状较为规则，且铸件断口表面的氧化现象比较轻微，发出金属光泽。
5.2产生裂纹的原因分析：铸件遇冷凝固收缩，在这个过程中会产生内部应力，一旦应力大于材料的屈服极限，铸件救出出现裂紋现象。
5.3预防裂纹的质量控制措施：第一、铁液的化学成分必须要控制好。其中硫的含量能够影响“热脆性”的产生，在灰铸铁中，w（S）的含量不能低于0.11%，但是也不能太高，过高的话会影响孕育效果。磷的含量是影响铸件发生“冷脆性”的因素，进而产生冷裂缺陷，所以，灰铸铁中w（P）最好低于0.13%；第二、控制铸件各个部位的冷却速度，防止局部产生过热现象；第三、当进行完浇注以后，不能过早的开型，只有当型内铸件的温度低于550℃时，才能够开型；第四、尽量改变铸件的结构，避免发生应力集中现象。
6、硬度不均匀
6.1硬度不均匀现象描述：加工以后的铸件表面，往往会出现微观的凹凸，局部可能会出现硬质点，由于铸件的表面硬度相差较大，因此，硬质点部位的硬度可能超过标准。
6.2避免出现硬度不均匀的质量控制措施：第一、提高铁液出炉温度；第二、严格控制孕育剂的加入量；第三、严禁使用合金钢；第四、浇注系统的设计要科学，保证铸件的均匀冷却。
7、不球化球化不良
7.1不球化球化不良特征描述：铸件断口氧化后呈现出灰黑色，力学性能降低，铸件的残余镁含量大大降低，这就是不球化现象。如果铸件断呈现出银灰色，且有较为分散的黑点，金相检查可发现小部分石墨呈片状或蠕虫状，这就是球化不良现象。
7.2不球化球化不良现象的质量控制措施：第一、严格控制球化剂的加入比例，这和铁液的含硫量以及球化剂的镁含量有着直接的关系；第二、适当延长球化处理时间，确保球化剂和铁液之间的化学反应时间，一般情况下，控制住在75-95秒这个范围最佳；第三、尽量做到脱硫处理，有效降低原铁液的含硫量；第四、严格控制生铁中的反球化元素（如砷、铅、钛、铋、铝等的含量）。（5）防止铁液氧化，处理球铁时温度要适中，根据铁液温度的高低，来选择球化剂的化学成分。（6）如果是大断面铸件应该尽量减少其中的稀土含量，必要时可加入少量锑中和稀土使球墨畸变的作用。
结语
铸造是获得机械产品毛坯的主要方法之一，是机械工业重要的基础工艺。铸件的合格率和缺陷铸件的修复率是制约我国铸造工业的瓶颈。因此，对常见铸造缺陷产生原因进行分析研究，并提出避免缺陷的质量控制措施，对提高铸造企业产品质量，提高我国机械化水平具有重大意义。
参考文献
三维铸造工艺CAD冒口系统设计 篇7
铸造工艺CAD是提高铸造工艺水平、科学化管理铸造工艺图样的有效工具,它能使工艺人员从繁杂的手工劳动和大量的繁琐计算中彻底解放出来,不再需要描图员手工描图,直接用打印机打印透图。不但提高了工作效率,而且铸造工艺设计更加标准化、规范化。质量、模数、冒口、浇注系统、冷铁等计算更准确,铸件形状、冒口、浇注系统、冷铁布局更直观,有利于造型工和模型工识图。另外和铸造CAE连接进行工艺优化设计,很好地达到控制铸件质量的目的。铸造工艺计算机辅助设计不仅是工厂发展的需要,而且是工厂参与竞争、赢得市场的需要[1]。
1 模数的计算
铸件的凝固时间,取决于其体积与表面积的比,这一“比值”称为“凝固模数”,简称“模数”[2],用公式表示为:
式中:M—模数,cm;V—铸件体积,cm;A—铸件散热表面积cm2。
根据研究表明,各种形状、质量、用途不同的铸件,不论铸件形状如何,只要它们模数相等,其凝固时间就相等或相近。模数小的铸件凝固时间短,模数大的铸件凝固时间长。
铸件中缩孔的位置是在铸件最后凝固的部位。铸件内各个部位的凝固时间,取决于该处的体积与表面积的比值,即取决于该处的模数。
模数法设计铸件冒口,可分为以下几个步骤:
1)根据铸件的结构特征,将它分成几个几何基体,计算各基体的模数,确定补缩通道,确定冒口类型,划分各冒口的补缩区域。对内在质量没有特殊要求的铸件,冒口补缩区域可以大于补缩范围;对致密度要求高的铸件,应按补缩范围划分冒口补缩区域;
2)计算每个冒口补缩区域的铸件体积或质量;
3)根据各个补缩通道模数,计算它们各自所要求的冒口初始模数和尺寸;
4)根据补缩通道的特征、冒口的初始模数和冒口补缩区域内铸件的体积或质量,选择合适的冒口类型和冒口尺寸。
2 补贴液量与热节圆法计算冒口
该方法是建立在凝固等温线和补缩液量基础上的冒口计算方法,多用于计算大气压力暗冒口。等温线代表了一定时间内铸件与冒口的凝固层厚度,当假设两者的厚度相等时,它的逐层推向中心;直到铸件完全凝固时,冒口尚未完全凝固,而且冒口中贮有足量的钢液,铸件的凝固收缩始终能得到在大气压力作用下的冒口中热钢液的补给;最后在冒口中留下缩孔体积。
这种方法简单、快捷,尽管并不是很精确,但是用于各种类型中、小铸件上,却得到了满意的结果。设计步骤如下:
1)计算出铸冒口中的钢液从浇注温度到凝固结束的体积收缩量;
2)画出被补缩节点的热节圆;
3)根据收缩量和热节圆直径计算冒口尺寸。
3 计算补贴参数
利用经验公式计算补贴参数的主要设计过程,如图1所示。
在实际铸钢件加工生产中,除了经验公式计算补贴参数之外,还常常采用滚圆法计算补贴参数。滚圆法适应的铸件形状多样化,本文利用了滚圆法的数学建模和计算求解。
三维铸造工艺CAD系统设计假定用滚圆法数学求解方法来做:铸件以x轴对称并且壁厚度均匀;圆角圆心位于x轴和铸件外面壁所投影的交点处。通过这种假定可以达到简化求解步骤,以便于程序设计,并且这样得到的补贴尺寸数据跟实际滚圆法得到的数据误差很小,可以保证铸件工艺设计的精度。系统解析法求解计算,是通过一系列圆心的求值来获得最终补贴尺寸。如图2所示。首先定义y轴(图示朝上为正向)和x轴(图示朝右为正向)以及原点O,则原点到上部顶面的距离为(H+L/2),到侧面的距离为B。设第一个圆C1圆心为(x1,y2),半径为R1,则有解此方程得到及x1=-(B-R1),y1=0,第一次求解完成。同理,设第二个圆C2圆心为(x2,y2),半径R2=1.1R1,此时x2=-R2,y2未知,但(x2,y2)落在第一个圆C1的圆周上,从而有(x2-x1)2+(y2-y1)2=R12,根据这个方程可以得到y2的值,此时取有y2的正解,从而得到(x2,y2)。以此类推,设第n个圆Cn圆心为(xn,yn),半径为Rn,则Rn+1=1.1Rn,取xn+1=-Rn+1,有(xn+1-xn)2+(yn+1-yn)2=Rn2,解得(xn+1,yn+1),求解终止条件为取保守值,最终补贴宽度a=2|xn+1|-B,因此求解得:此时由于过渡圆还未确定,没有办法确定补贴的高度,还需要进一步求值,如图2,过渡圆的圆心坐标为xr=-B,yr=0,过渡圆半径假设为Rr。在做实验过程中,观察到第2个热节圆很具有代表性,通过M点和第2个圆的外部切线都能保证所有的热节圆都位于切线一侧,因此取第2个热节圆和点M相切的直线作为补贴的轮廓线,并且最终求得Rr。这样,求取补贴参数即可完成。
经过多个样例的验证,采用系统提供的滚圆法设计工具计算,可以比较方便地求取铸件的补贴,其数据误差在±5%以内,这样可以满足铸件补贴的设计要求。
4 铸件补贴设计
实现冒口补缩铸件的基本条件之一是,铸件凝固同时补缩通道扩张角始终向着冒口,且角度大些为好。然而对于板形件和壁厚均匀的薄壁件来说,单纯增加冒口直径和高度,对于形成或增大补缩通道扩张角的作用并不显著。如果在靠近冒口方向逐渐增加铸件壁的厚度,从铸件结构上造成向着冒口的补缩通道扩张角,却能显著增加冒口的有效补缩距离。这种人为地、在冒口附近的铸件壁上逐渐增加的厚度称为冒口补贴,简称补贴。
1)均匀壁上的补贴
图3是壁厚度为T的钢板,立浇后铸件中的缩松情况。当钢板的高度H小于冒口有效补缩距离时,铸件中不出现轴线缩松,如图3(a)。当铸件高度H大于冒口有效补缩高度时,铸件中部产生缩松,如图3(b)所示。从冒口有效补缩距离以上开始加补贴,使铸件壁向着冒口方向逐渐加厚,直到冒口根部为止,铸件加厚量a称为补贴厚度,如图3(c)所示。由于有了补贴,铸件从下向上实现了顺序凝固,从而消除了缩松。
板形铸件立浇,补贴厚度与铸件壁厚、铸件高度的关系的关系如图4,可以看出当铸件的壁厚T一定时,补贴的厚度a随铸件高度H的增加而增加;当铸件高度一定时,壁厚越小,所需的补贴厚度越大。
图4是以碳钢板状铸件顶注实验得出的补贴厚度,对于底注式铸板及高合金钢铸件,因铸件的自然温差较小,需增加补贴厚度以促进铸件顺序凝固[3]。
5 铸件冒口设计
液态金属浇入铸件型后,在凝固和冷却过程中产生体积收缩。体积收缩可能导致铸件最后凝固部分产生缩孔和缩松。体积收缩较大的铸件合金,如铸钢、可锻铸铁以及某些有色合金铸件,经常产生这类缺陷。
缩孔和缩松影响铸件的致密性,减少铸件的有效承载面积,会使力学性能大大降低。生产中防止缩孔和缩松缺陷的有效措施是设置冒口。冒口的主要作用是贮存金属液,对铸件进行补缩,此外还有出气和集渣的作用。为了实现这样的目的,设计冒口应遵循下列基本原则:
1)冒口的凝固时间应大于铸件被补缩的凝固时间;
2)冒口能提供足够的补缩金属液;
3)在整个补缩压力,冒口与铸件被缩部位存在补缩通道。
4)有足够的补缩压力,使补缩金属液能够流到要求补缩的区域。
冒口设计的内容主要是:选择冒口的种类、冒口的形状及安放位置,计算冒口的数量并添加冒口等。
a)冒口种类
使用得最多的是普通冒口。按冒口在铸件上的位置,普通冒口可分为顶冒口和侧冒口(边冒口)2类;按冒口顶部是否与大气相通,普通冒口分为明冒口和暗冒口[4]。
图5为铸钢件、铸铁件常用的冒口类型。如图所示,顶冒口一般位于铸件最厚部位的顶部,这样可以利用金属液的重力进行补缩,提高冒口的补缩效果,而且有利于排气和浮渣。
1—明顶冒口;2—大气冒口;3—侧冒口;4—铸铁;5—压力冒口
采用明顶冒口,造型方便,能观察到铸型中金属液上升情况,便于向冒口中补浇金属液,可以在冒口顶面撒发热剂以缓减冒口冷却速度。但因顶部敞开,散热较快,同样体积的冒口,明冒口的补缩较低。明顶冒口对砂箱高度无特殊要求,当砂箱高度不够时可设辅助冒口圈,而暗顶冒口要求砂箱高于冒口。因此对于大、中型铸件,尤其是单件、小批量生产的铸钢件,经常采用明顶冒口;而中、小铸件则多用暗顶冒口。
b)冒口形状
冒口形状直接影响到它的补缩效果,为了降低冒口的散热速度,延长冒口的凝固时间,应尽量减少冒口的表面积。最理想的冒口形状是球形,但因起模困难,目前尚未普通采用。实际生产中应用得多的是圆柱形、球柱圆形、腰圆柱形冒口。如图6所示。
圆柱形冒口造型方便,它的散热虽然比球形的快,但仍有较好的补缩效果。对于轮类铸件,热节形状为长方形,圆柱形冒口的经济效果不如腰圆形的好。因为使用腰圆柱形冒口时,所需的冒口数量比圆柱形的少,节约金属。
c)冒口的位置
冒口在铸件上安放位置对获得健全的铸件有着重要的意义。冒口安放位置不当,就不能有效地消除铸件的缩孔和缩松,有时还会引起裂纹等铸造缺陷。应遵循以下确定原则:
1)冒口应设在铸件热节的上方;
2)冒口应尽量放在铸件最高最厚的地方,以便利用金属液的自重进行补缩;
3)冒口最好布置在铸件需要进行机械加工的表面上,以减少精整铸件的工时;
4)在铸件的不同高度上有热节需要补缩时,可按不同高度安放冒口。
6 结语
通过UG提供的二次开发接口UG/Open和VC开发工具,开发了基于UG的三维铸造工艺CAD软件。利用这种软件缩短了用传统方法建模的时间,减轻建模的工作量。通过曲轴的断裂分析和铸造CAE模拟结果的比较,说明铸造CAE模拟结果真实可靠。用CAE指导CAD进行工艺设计切实可行[5,6]。铸造CAE模拟技术的应用,可以有效预测铸造缺陷,使工艺人员可以提前采取预防措施,减少废品和损失,提高铸件质量。缩短了通过实际生产进行工艺验证周期,节约生产成本。
参考文献
[1]刘从庆.铸造工艺CAD研究近年来在我国的发展[J].铸造,1995(4):40-41.
[2]张士彦,闫平,姜华,等.铸钢件铸造工艺CAD软件的研制与应用[J].铸造,2002,51(10):628-632.
[3]程军.计算机在铸造中的应用[M].北京:机械工业出版社,1993.
[4]聂方兴.液压件冒口系统设计及绘图模块的研发[D].武汉:华中科技大学工学硕士学位论文,2002.
[5]廖广兰.铸造工艺CAD浇注系统模块的研究与开发[D].武汉:华中科技大学工学硕士学位论文,2000.
280气缸盖的铸造工艺提升 篇8
280气缸盖是我厂与外资企业合作开发的新产品, 是280柴油机上的关键件之一, 需进行水压试验。
280气缸盖性能、金相组织要求
2 280气缸盖缺陷分析
280气缸盖采用树脂砂组芯生产, 雨淋式浇注系统, 浇注温度1390-1400℃, 浇注时间30-35秒。铸件外形尺寸, 内腔壁厚均能达到工艺要求, 但是铸件上表面气孔、夹渣严重。
各种缺陷中, 气孔类占废品总数的81.83%, 因此解决气孔问题是首要任务。
3 缺陷分析和解决方法
针对气孔质量问题, 我们结合生产实际中的各个因素, 一步一步的进行分析排除, 确定了造成气孔的原因:
从上表我们确定要因:
(1) 型芯砂配比不当
(2) 型芯排气不畅
(3) 型芯烘干不良
针对以上原因, 我们着手从产生气孔的气体来源和如何将气体顺畅排出两方面开展工作。
3.1 采用新砂制芯, 其配比见下表:
3.2型、芯进热风窑烘干一次, 温度为110-140℃, 保温2小时, 干燥曲线见下图。Á
型、芯干燥曲线
3.3 增加型芯排气通道
(1) 在上、下水腔内预埋Ф5排气绳; (2) 在下型四周芯头部位开设40×20排气槽5处; (3) 采用明冒口排气通道总截面积大于250cm2。
4 结论
改进完成了我们预期的目标, 也对铸造工艺各个环节有了更深刻的理解, 在以后的生产中我们还将本着工艺提升的原则, 继续提高产品的优质率。
链篦机用零件的熔模铸造工艺 篇9
1 熔模精密铸造工艺简介
熔模精密铸造就是在蜡模表面涂覆多层耐火材料,待硬化干燥后,加热将蜡模熔去,而获得具有与蜡模形状相应的空腔的型壳,再经焙烧之后进行浇注而获得铸件的一种铸造方法[1]。
目前用于制模材料的品种日益增多,主要有两种分类方法,一种是按其熔点高低分为:低温模料,熔点低于60℃;中温模料,熔点在60～120℃之间;高温模料,熔点高于120℃。另一种是按主要组成分为蜡基模料、松香基模料和其它模料等。
现生产中采用的是中温蜡基模料,使用美国进口的162#成品蜡,热稳定性较好。
2 链篦机零件生产工艺过程
2.1 链篦机零件铸造工艺设计
根据铸件的结构进行工艺性分析,制定出相应的工艺方案及有关参数,设计出浇冒口系统及组树结构。
2.1.1 卡块
卡块尺寸小,结构简单,适宜多件组树。为便于制壳时上涂料,撒砂及脱蜡,内浇口开设在侧面边缘,组树时内浇口侧向浇口杯一侧,组树结构见图1。
浇口杯平面应高于最顶层件80～100mm,以保证有一定的液体金属静压头,保证补缩,根据生产经验,直浇口截面积应为内浇口总截面积的1.4倍,直浇口截面积为一组树型共有24件,则单个内浇口截面积为取内浇口尺寸为15×10mm。
2.1.2 左右侧板
侧板存在大平面且中间连接部分拐角过渡,单重7.5kg,考虑铸件的充分补缩要求,加大横浇道尺寸及内浇口尺寸,横浇道尺寸取:35×40×320mm,相当于补缩冒口,内浇口截面积取80×18mm,为保证制壳时大平面不变形,组树结构见图2。
2.1.3 链节
链节属于厚大件,在厚大部分存在较大热节,热节圆直径为D=36mm,铸件的补缩是工艺上要考虑的重要因素,另外,顶部的夹缝只有6mm、长90mm。此部位制壳时难于保证壳的强度,在不影响使用的前提下,将其加宽到8mm。
内浇口开在铸件存在较大热节的顶上部,内浇口面积根据热节圆比例法取D的圆截面,即:内浇口面积取截面尺寸为:15×68mm。
第一次选用模头的横浇道尺寸为:34×40×320mm,通过初步的生产实践,发现在内浇道根部有严重的缩松缺陷,主要问题在于横浇道截面尺寸偏小,未能得到有效补缩。
第二次加大横浇道截面尺寸,根据热节尺寸,取横浇道截面尺寸:50×50×156mm,
通过此次改进,内浇道根部缩松缺陷得以明显改善,在此基础上,在内浇道根部增加R5铸造圆角,进一步改善补缩条件,消除根部的铸造缺陷。通过工艺上的不断改进,链节生产合格率在95%以上,浇道结构见图3。
2.1.4 篦板
篦板结构比较复杂,有许多细槽,另外在圆弧槽外侧的两爪块,加大了压型设计的难度,考虑到起模的难度及爪块的变形问题,在压型设计时,将爪块与本体采用分体设计,进一步组焊的方案,解篦板的壁厚相对均匀,但在下面筋板根部易产生缩松,在保证模型脱蜡情况下,内浇口的开设有两种方案:
一种是在圆弧外侧顶注。高度方向尺寸较大,制壳操作过程中易断裂损坏,组树时由于是圆弧面连结,对圆弧面表面质量难以保证,浇注时,液体金属落差大,对型壳冲刷严重,特别是许多细槽易损坏,最终的铸件表面质量差,细槽难清理,顶部有气孔缺陷。
一种是在细槽中间筋板背部,结构比较平稳,液体金属充型比较平稳,为保证浇口粘接强度,内浇口设计成“+”型,沿细槽的筋板开设,对中间筋板热节部位起到一定补缩作用,内浇口截面尺寸及组树结构见图5～6。
2.1.5 模头浇口杯尺寸设计
模头浇口杯采用圆形,根部尺寸为准75～准80mm,高度90mm,保证有一定的液态金属静压头,根据铸件补缩需要,选用不同大小的横浇道模头。
2.2 模型制备
根据模料的性能和收缩率,以及铸造收缩率,制造用于成型的模具,将半固态呈糊膏状的模料经高压挤压进模具成型,并在高压保压下凝固,这样模型凝固时间短,生产效率高,收缩小,尺寸精度高,制模过程中根据件的尺寸大小、复杂程度以及模料的性能、压注温度等调整压注机的压力。制模头采用气动式压注机,压力在0.3～0.6MPa,制模型采用液压式压注机,压力在4～6 MPa。
根据工艺设计的要求,把浇冒口系统及铸件按相应要求制成模型。
制好的模型及模头经修整飞边毛刺并检验合格后组装到一起,形成模型树,组装时,采用电热刀片将粘结处局部加热、焊接而成,这种组装方式简便灵活,可随意调整,适应性强。
制模头时,在模头的头部内镶入一螺母,可使一带钩的螺杆与之相连,便于后面制壳工序的操作。
2.3 制壳工艺
由于所用的蜡基模料具有憎水性,为了改善涂料对模型的润湿性,应先用清洗液对模型进行清洗,然后用清水冲干净。经清洗过的模型树浸耐火涂料后,撒上粒状耐火材料,经干燥硬化,在此之间,特别注意铸件的孔、槽及细缝的位置,保证涂层填充密实,如此反复多次,直至耐火材料层达到一定厚度,使其停放一段时间充分干燥硬化,然后进行脱蜡,就得到形成铸件的型壳。
型壳的质量直接关系到铸件的质量。型壳要有足够的强度、热稳定性、高温下的化学稳定性和透气性等。
2.3.1 制壳用耐火材料
熔模铸造中所用耐火材料主要为石英、刚玉、耐火熟料(莫来石)、锆英石及镁砂等。
石英砂和镁砂制成的壳在焙烧过程中热膨胀较大,使型壳变形或开裂。
刚玉制成的壳尺寸稳定性、热稳定性都较好,热膨胀小且均匀,可用于生产高合金钢及耐热合金。但其价格贵,来源少,未广泛采用。
锆英石制的壳热膨胀小,导热性和蓄热性好,用锆英石作型壳面层的涂料,可提高表面质量和尺寸精度,并有细化铸件表面晶粒的效果。
耐火熟料主要组分为莫来石和刚玉,它的各项性能较好,且来源丰富,价格便宜,也非常适宜做制壳的耐火材料。图7是几种耐火材料的热膨胀曲线对比。
鉴于以上的对比,链篦机零件制壳用耐火材料:面层采用锆英砂,背层用莫来砂。
2.3.2 制壳用粘结剂
配制涂料用粘结剂采用硅溶胶,硅溶胶可不用经任何处理直接用来配制涂料,操作简便,因SiO2含量高,干燥过程中水分蒸发,慢慢转变成干凝胶,粒子间由牢固的Si-O-Si化学键连结,并且有高的结构强度和硬度,还可承受高温作用,使型壳在高温下强度较高。
2.3.3 制壳工艺参数
结合链篦机零件的结构特点,表面质量要求以及成分要求,制定不同的制壳工艺参数(见表1)。
面浆涂料用320目锆英粉与硅溶胶配,背浆涂料用200目莫来粉与硅溶胶配制,面层砂为120～160目锆英粉,背砂有两种,一种是30～60目莫来砂用于第二～四层,另一种是16～30目莫来砂用于第五～六层。
涂层的干燥时间一般在8～12h,制壳的周期较长,为了提高型壳的干燥速度。通常采用加强通风,室内除湿。
2.4 脱蜡
脱蜡采用蒸汽法,在高压高温蒸汽条件下,使模型树尚未热透前,其表面已熔化,减少因模料受热膨胀对型壳的损坏,防止型壳开裂。一般蒸汽压力在0.6～0.8MPa,温度可达150～160℃。脱蜡时间控制在12min左右。
2.5 焙烧
脱蜡后的壳型在空气中自然干燥后就可进行高温焙烧。焙烧温度在1000～1050℃,时间0.5～1h。
焙烧的目的是去除壳型中的水分、残留模料等,避免浇注时产生气体导致气孔、浇不足等缺陷。同时,高温焙烧可进一步提高壳型的强度和透气性,并在高温状态下浇注,有利于复杂型腔成型,避免冷隔。
2.6 浇注
根据合金种类、结构特点采用不同的熔炼及浇注工艺。该链篦机零件采用无芯感应电炉熔炼,根据成分要求,制定相应的浇注工艺(见表2)。
为保证钢液的纯净度,浇注前采用插铝法进行脱氧去气处理。
3 链篦机零件生产中存在问题及工艺措施
3.1 漏壳
漏壳主要集中在铸件的边角及孔内部,还有一部分是铸件的窄缝处,漏壳多为制壳工序造成,通过对漏壳件的碎壳分析,边角部位壳层较薄,窄缝处壳层不致密,中间疏松,在浇注过程中易受损而破裂。分析原因主要有以下几点:
a浸涂不细心,孔洞及细缝部位浸浆不足,各层之间粘接不牢,出现分层。
b型壳层数不够,强度低,或涂料粘度小,挂砂层薄且强度低。
c涂层未充分干燥,在焙烧过程中型壳内外层收缩不一致造成型壳开裂。
针对上述原因制定工艺措施,加强制壳质量。主要对链节的中间窄缝处在面层后,二层时使缝隙内覆砂严实,若砂子无法进去时,采用浆料封灌,保证缝内充实无缝隙,对于侧板,保证涂层的厚度提高壳的强度。
3.2 缩松
链篦机零件大多比较厚大,冷却过程中有缩松倾向,在工艺设计上应考虑铸件的补缩。缩松缺陷较多的是链节,集中在内浇口与铸件连接部位,该部位比较厚大,且中间有一缝隙,除上述说的漏壳外,该部分的补缩不足,浇注温度在1530～1550℃,钢液的凝固非常快,为了使浇口部位钢液向下补缩,采用一些措施,一是在浇完的铸件下面加强冷却,使其下部快速凝固,加强向下补缩力度;二是加大内浇口尺寸,并在内浇道与铸件连接部位加铸造圆角,使补缩通道加大、畅通,通过试验对比都收到了很好的效果。
3.3 气孔
气孔产生的主要原因有熔炼时脱氧、除气不充分,炉料不干净,钢液含气量多,型壳焙烧不充分,残留气体多等。
工艺措施:对钢液及时除渣,加强脱氧、除气,同时待钢水镇静处理后再浇注。型壳焙烧保证温度和焙烧时间等,渣孔、气孔的缺陷都已完全解决。
3.4 鼓胀
在铸件较大平面部分易产生局部凸起,主要影响因素有:浇注温度过高,型壳高温强度低,粘结剂高温性能差等,生产中,在耐火材料及粘结剂不变的情况下,降低浇注温度,同时对易涨肚的部位加强局部冷却,使型壳在高温下变形量降到最小,目前侧板和链节易出现鼓胀的部位通过加强壳的高温强度,加强局部冷却都起到了明显效果。
4 链篦机零件批量生产结果
通过熔模铸造工艺在链篦机零件生产中的应用,对生产较大铸件积累宝贵经验。同时为新铸件的开发开拓了新的工艺路线。
总之,随着铸造技术的发展,熔模铸造已可以生产更精、更大、更强的高价值产品。同时,熔模铸造又在生产成本和快速生产上有了新的突破。像生产链篦机零件方面,与传统铸造相比,其生产效率,铸件质量都有很大的提高,这些使熔模铸造的应用面不断的扩大,生产领域也不断扩宽,生产工艺也不断完善和发展。
参考文献
铸造工艺 篇10
铸造工艺CAE技术以铸件充型凝固过程数值模拟及缺陷预报技术为核心, 旨在工艺实施前对重要铸件或大型铸件的铸造工艺进行验证, 及时调整和优化所采用的铸造工艺, 从而缩短工艺定型周期和试制成本, 也是目前在铸造领域利用信息化改造传统产业的集中体现, 对推动铸造生产现代化, 增强中国铸件产品在世界市场的竞争能力, 具有十分重要的意义。
四川工程职业技术学院铸造技术专业是1959年建校之初就开办的专业, 历经50年的办学历程, 积累了丰富的办学经验。但随着经济全球化、技术进步、产品的升级换代, 对铸造产品的质量要求越来越高、环保要求也越来越高, 铸造企业普遍采用了树脂砂等新的生产方法, 按照原有培养方案进行高素质高技能人才培养已不适应企业要求。
为此, 从2003年开始, 利用招收高职铸造技术专业的契机, 专业教学团队重新审视和研究本专业的人才定位、培养方案等问题, 并按照图1所示流程对该专业的人才培养方案进行研究和开发, 重新构建了该专业的人才培养方案和课程体系。
在校企联合组成的铸造专业建设指导委员会指导下, 由基础课教师和专业课教师对铸造技术专业人才培养目标进行分解, 系统考虑基础课和技能课之间、技能课和技能课之间的递进、巩固与综合, 构建课程体系。
在新构建的高职铸造技术专业课程体系中, “铸造工艺CAE技术”课程是在考虑铸造生产现状以及利用信息技术改造和推进传统产业技术发展, 并考虑传统铸造专业教学计划不足的基础上, 新设置的一门课程, 是一门对主要核心专业能力—“砂型铸造工艺及实施能力”中“铸造工艺及工装设计能力”起强化、支撑作用的“理实合一”的课程, 也是提高毕业生职后发展潜力的一门主要课程。
本课程以铸钢件和球铁件的充型凝固过程数值模拟及缺陷预报技术为核心内容, 通过连续4届结合“铸造生产及工艺工装设计”课程学生设计的真实铸件的工艺进行数值模拟的课程教学, 明显提高了学生的计算机使用能力、铸造工艺设计能力, 使学生具备了利用信息技术改造和提升传统产业的基本能力, 增进了学生对专业的认识和兴趣、促进了学生对专业热爱。
在整个课程体系中, 本课程将综合运用到“机械制图”、“计算机应用基础”、“铸造钢铁合金熔炼及控制”、“铸造生产及工艺工装设计”等前期课程的知识, 也是“铸造生产及工艺工装设计”课程的延续, 起到了培养主要岗位核心能力的作用和承接职后发展的作用。
二、“铸造工艺CAE技术”课程建设思路和方法
根据教育部高职材料专指委和省铸造学会以及省高教学会评审通过的工学结合的《高职铸造技术专业人才培养方案》和《高职铸造技术教学规范》所界定的任务和职责, 本课程需要学生具备一定的计算机应用和工艺设计能力, 通过三维造型、铸造CAE软件使用、真实铸件的数值模拟训练才能具备实用价值。因此, 我们与德阳重装企业紧密合作, 按照“边学边练”的原则, 并基于真实生产条件、真实铸件设计的工艺、可能产生的主要铸造缺陷模拟预测而开发设计。
按照数值模拟的工作流程——铸件及工艺系统三维造型、铸件纯凝固过程模拟计算、铸件纯充型过程计算及流动平稳性的预测、铸件充型与传热耦合计算及浇不足缺陷的预测、铸件基于耦合的凝固计算及缩孔和缩松缺陷的预测, 通过对“铸造生产及工艺工装设计”课程中学生在教师的指导下设计的真实铸钢件和球铁件的工艺, 依次进行三维造型、模拟计算和缺陷预测训练, 使学生掌握铸造工艺CAE技术。
课程教学根据两个模拟对象:铸钢件和球铁件, 分为“铸件及工艺系统三维造型技术”、“铸钢件的数值模拟技术”、“球铁件的数值模拟技术”三个学习单元;在铸钢件和球铁件的数值模拟技术学习单元中分别以铸钢套筒和球铁活塞为典型铸件, 根据数值模拟的工作流程又分为“铸件纯凝固过程模拟计算”、“铸件纯充型过程计算及流动平稳性的预测”、“铸件充型与传热耦合计算及浇不足缺陷的预测”、“铸件基于耦合的凝固计算及缩孔和缩松缺陷的预测”四个子学习单元。
本课程主要采用学边边练的方式组织教学实施, 体现了理实一体的职业教育教学方法。课余时间, 开放专业软件实训室, 鼓励学生利用课余时间, 到实训室把课程资料中提供的铸钢、球铁件进行模拟练习。安排时间组织学生到二重集团公司, 由校外课程负责人为主的企业技术人员指导学生结合企业产品熟悉世界上最好的铸造CAE软件—MAGA-SOFT软件, 进一步锻炼学生的工艺设计和数值模拟分析能力, 以积累实战经验、体验实践乐趣、激发学习兴趣, 从而实现两个结合:理论与实训相结合、实训与真实产品相结合。
课程建设思路如图2所示。
按照以上建设思路, 课程建设团队主要采用以下方法完成课程建设:
1. 根据数值分析流程, 针对主要分析目标, 精心设计学习单元和内容
数值分析必须在三维实体造型的基础上才能进行, 企业现阶段主要对重要的铸钢件和球铁件进行模拟分析, 因此把“铸件及工艺系统三维造型技术”作为基础教学单元、把“铸钢件的数值模拟技术”和“球铁件的数值模拟技术”作为目标教学单元。并且针对铸造CAE技术中温度模拟和流场模拟已成熟的实际情况和在企业的实际铸造生产中铸钢件和球铁件主要容易出现浇不足、缩孔和缩松的情况, 由校内专任教师和企业兼职教师共同精心设计开发了与生产实际应用非常贴近的4个目标子学习单元。
2. 课堂与实训一体化, 理实合一全面实施现场教学
本课程是一门实践性和技术性很强的课程, 传统的课堂教学法存在虚假、难以理解的缺点, 而大多数高职学生更倾向于形象思维, 老师在课堂上讲得很卖力, 效果都不会好, 很难在有限的时间里掌握三维造型软件技术、铸造CAE软件、边界条件选择、网格剖分等软件应用技术。因此我们采用弱化理论、强调应用、把课堂和实训场所合二为一, 结合学生自己设计的具体铸造工艺, 边讲边练, 教学效果非常明显。
3. 课内课外、校内校外结合, 着力培养和提升学生技术能力
作为培养职业岗位高素质技能型人才的高等职业院校, 开设本课程的根本目的不是研究和开发铸造CAE软件, 而是掌握利用先进的信息技术改造传统产业的能力。通过开放专业软件实训室和图形工作站, 利用课程资源中提供的大量案例, 使学生在课余时间可以进行大量的真实铸件各种工艺的数值模拟练习, 同时安排学生到企业参观学习MAGASOFT软件和模拟分析, 有效提升学生的模拟分析技术能力。
4. 实施“双师授课教学法”, 开拓学生视野、体现企业需要
在课程教学过程中主要的教学工作由学院专职教师承担, 但典型案例的讲解、示范和学生训练结果点评、传授建模等窍门、考核由企业专家承担, 规定总学时20%的工作量必须由兼职教师完成, 确保让学生接受“原汁原味”的技艺传授, 达到了专兼职教师扬长避短、优化组合的目的。
5. 衔接核心课程, 工学交替, 复习和提升工艺设计能力
本课程课堂教学过程中, 以“铸造生产及工艺工装设计”课程要求学生完成的在重装企业生产条件下铸钢套筒和球铁活塞件为教学典型案例, 使学生能够复习和验证自己设计的工艺, 并因此进行进一步优化, 然后在“实际工程能力综合实训2”里进行生产验证, 有效提升了学生的工艺设计能力。
三、“铸造工艺CAE技术”课程建设成果
近年来, 课程建设团队根据铸造技术的发展, 紧密结合行业技术进步和教育教学改革的实践, 不断改革创新, 从教学理念、教学内容、教学方式、教学手段和教学考评、师资队伍等多方面对“铸造工艺CAE技术”课程进行了全方位的建设, 已于2009年被确定为四川工程职业技术学院校级精品课程, 2010年又成功申报四川省省级精品课。围绕“铸造工艺CAE技术”课程建设, 本课程组根据新世纪人才需求的特点以及教学实践中所存在的问题, 主要从以下几个方面进行了有益的探索和尝试并取得了较为显著的成果。
1. 适应高等职业教育教学新发展, 积极更新教学理念和方式
教学中基于岗位工作过程, 紧密联系实际, 坚持“因材施教, 倡导自主, 注重能力, 鼓励创新”的教学指导思想, 探索并实施了开放式、自主式、研究性的教学新模式;探索了课内与课外相结合、引导与自主相结合的教学方法;教学中突出实践性, 强调实际案例的介绍。进行教学理念的改革与探索, 变“灌输”为“引导”, 变“讲解”为“应用”, 变“教学”为“研究”, 着重培养学生学以致用, 理论联系实际的良好学风, 取得了较好的教学效果。
2. 组建高水平教学团队
以打造一支业务精湛的师资队伍为核心, 凝聚优秀团队, 培养富于团队合作精神的创新人才。根据本门课程的需要, 坚持对教师培训、鼓励年轻的教师攻读博士学位或到国内外著名的大学学习深造和作访问学者等方式, 提高教学团队的教学和科研水平。团队吸引青年教师, 组成结构合理的梯队, 发挥团队优势, 对各个教学环节探索研究, 将个人的经验, 转变为大家的经验和行动, 用团队的优势, 促进学科建设和发展。这一系列举措使本门课程的师资水平得到了较大程度的提高。本教学团队现有8人, 其中教授级高工1名, 副教授4名, 高级工程师2名, 工程师4名, 国家职业技能鉴定高级考评员3名, 完全满足高职教育的需要, 具有鲜明的职教特色。在读博士2人, 硕士学位教师5人, 访问学者2人, 平均年龄41岁。现已形成了一支人员稳定、结构合理、教学水平较高、教学效果良好的学术梯队, 满足了现行教学的要求, 促进了本门课程的建设和发展。
3. 适时更新教学内容, 加强教材建设
结合铸造行业新变化, 适时更新教学内容, 加强教材建设。近年来, 多次聘请校外专家参与教材建设讨论, 注重教材的适应性。目前主要使用项目驱动式的校本教材, 并争取立项进行“十二五”职业教育国家规划教材建设, 以适应高职制造业类专业1221人才培养模式教学改革发展的需要。
摘要：文章结合“铸造工艺CAE技术”四川省精品课程建设的实践, 考虑中国职教特点和学院实际状况, 精心选择教学内容;同时依托于装备制造业和德阳重装基地, 采用校企合作的方式共建课程、共建共享实训基地和企业资源、共建师资队伍, 工学结合、校企合作特色明显, 提升了学生工程应用能力。
关键词：铸造工艺CAE技术,精品课程建设,工学结合,教学改革
参考文献
[1]王婷.工学结合模式下高职课程评价体系的构建[J].职教论坛, 2011, (32) .
[2]魏春雷.基于工学结合模式的高职教育课程建设的探索—以《冲模设计与案例分析》为例[J].职教论坛, 2012, (32) .
铸造工艺 篇11
关键词：铁路货车；铸件材料；热处理技术
一、铁路货车铸件材料
（一）摇枕、侧架铸用钢。目前，中国和北美（AAR）摇枕、侧架用铸钢材质强度等级比较接近，主要采用通过加入Mn、Cr、Ni、
Mo等元素进行合金化的低碳低合金钢为主。我国摇枕、侧架用铸钢主要牌号为：ZG25MnNi（B级钢）、ZG25MnCrNi（B+级钢）、ZG25MnCrNiMo（C级铸钢）等。
一方面在铸件的设计上，采用新的型号，如摇枕、侧架由转K2、K4型到转K5、K6型，车钩由13号到16、17号，增加了尺寸和壁厚，并使用高牌号材料：由普碳钢到B级钢，再到B+级钢、C级钢、E级钢等，新材料为低合金钢，可提高铸件的强度和抗疲劳性能；另一方面不断采用新的铸造技术，提高了铸件的质量，为货车的高速、重载提供保障。
（二）车钩铸用钢。在摇枕、侧架铸造材料的不断进步过程中，车钩用铸钢也经历了从普通碳素钢向力学性能更高的低合金钢的发展历程。我国采用的C级钢有ZG24SiMnVTi、ZG29MnMoNi和ZG25MnCrNiMo共3个牌号，采用的E级钢牌号为ZG25MnCrNiMo。目前，我国新造货车装用的均为E级钢（ZG25MnCrNiMo）调质态车钩。
二、铁路货车部件铸造材料热处理技术
（一）热处理技术的发展现状。我国铁路货车摇枕、侧架、车钩等铸钢件采用了潮模砂抛砂造型等机械化程度较高的生产线，与原来广泛采用的震动造型机相比提高了生产效率，造型质量大幅度提高。现阶段，我国的铁路货车的制芯技术、智能下芯技术、精炼技术、落砂、抛丸强化处理、铸件检测、铸造技术管理等制造与管理方面都拥有了长足的进步。对于铁路货车关键铸件，摇枕、侧架为B+级钢，采用正火热处理工艺，车钩为E级钢，采用调质热处理工艺。为了提高铸件热处理质量的一致性，车钩改进为连续式热处理工艺，摇枕、侧架也已推广使用连续式热处理工艺。
（二）热处理技术的优势。铸钢件经过高温冷却凝固后得到的组织为铸态组织，这取决于化学成分和凝固结晶过程，一般存在较严重的枝晶偏析，组织极不均匀，以及晶粒粗大和魏氏组织等问题，性能较差。
（三）摇枕、侧架热处理技术。对于摇枕，B级钢、B+级钢部分采用正火热处理技术，C级钢部分采用“正火+回火”热处理技术。摇枕、侧架的钢种平均含碳量（质量分数）为0.25%，属于亚共析钢，正火或“正火+回火”热处理后的金相组织为“铁素体+珠光体”。 摇枕、侧架铸钢件的铸态组织中，常有粗大枝晶及偏析。热处理时，奥氏体化加热保温温度和时间应尽量使其成分均匀，并防止奥氏体晶粒粗化。 奥氏体化保温温度一般为890～910℃，采用台车式热处理炉时，保温时间一般为3.5～4.5h，若采用连续式热处理炉，则保温时间需适当调整。 热处理时，必须根据其结构特点合理摆放。摇枕、侧架工作位置的下部通常处于拉应力状态，装炉时应保证该部位具有良好的透热和透冷条件，以保证该部位获得良好的金相组织和力学性能。
（四）车钩热处理技术。车钩的钢种属于低合金铸钢，强度等级为E级钢，材质牌号为ZG25MnCrNiMo。平均含碳量（质量分数）为0.25%，按含碳量进行划分属于亚共析钢。热处理工艺为淬火+高温回火。由于E级钢在凝固过程中产生发达的树枝晶和较大的合金元素偏析，在冷却过程中形成粗大的魏氏组织，这些都加剧了合金元素和金相组织的不均匀性。车钩制造过程中，为了在调质热处理时获得化学成分更加均匀、晶粒更加细小的组织，并且为减少热处理前产生焊修裂纹的趋势，通常在调质热处理前，对车钩进行一次预正火处理。
淬火温度的选择应以得到均匀细小的奥氏体晶粒为原则，以便淬火后获得细小的马氏体组织，车钩淬火温度一般在880～910℃，保温时间一般在2～3h，淬火介质为水。 车钩采用高温回火，根据硬度要求回火温度一般选择在550～600℃，保温时间一般在3～4h，冷却方式为风冷或水冷。由于对车钩使用性能的特殊要求，车钩的钩尾及尾销孔部位需要进行表面热处理，车钩表面热处理方式为火焰加热表面淬火和中频感应加热表面淬火。表面淬火热处理完成后，钩体一般应在8h内进行低温回火以消除淬火应力，回火温度为150～250℃。
目前，我国车钩钩体和钩舌已全部采用连续式热处理线进行调质热处理。采用连续式热处理技术，加热温度和冷却速度均匀性好，能很好地解决铸件热弯曲变形问题，获得力学性能优异和金相组织稳定的产品，有效地提高了实物质量。
参考文献：
圆筒型球铁件铸造工艺的改进 篇12
一、圆筒型球铁件原有工艺中的不足
原有的立浇工艺方法主要讲大冒口设置在铸件的顶部,从下到上进行顺序凝固,这种方法之所以会出现冒口根部的缩孔问题,主要是冒口体和铸件的直接接触过程中,其中产生的热节要比铸件原有的热节大很多,使得冒口承担着更大的补缩负担。[1]而且对冒口根部进行高温铁水浇注,与冒口补缩铸件之间形成了流通,导致冒口颈部的铁水问题增高,铸件和冒口颈部接触的铁水不会在极短时间中凝固,结果就会造成缩孔缺陷。
二、设计浇注系统
(一)浇注系统型的决定方法
浇注系统有压力和逆向阻流两种方式,在内浇道设置压力式的阻流截面,浇注系统的比例为4:8:3。直浇道窝和横浇道间设置逆向阻流式,其系统比例一般为3:1:3:2。[2]
内浇道分为阶梯式、顶注式以及底注式等之分,一般情况下,使用压力型的底注式能够获得好的效果。浇注系统是有一定的要求标准的。铁液在流动时需要保证其足够的流畅以及平稳,不会出现紊流的情况。而且铁液流动过程中不会进入到大量的空气等,因此铸型中的气体和铸型产生的气体都能够顺利的排出去。同时能够将熔渣等杂物进行有效的收集,不会对铸型的各部位造成严重的冲击,能够在较短的时间内将型腔充满,而且铸件和冒口的温度是比较适当的。由于浇注的工艺水平是存在一定差异的,但是这种方法也能够使型腔被充满。对于铸件散落的一些砂杂质也能够及时清理,实现回收利用,促进铸造工艺质量水平的提升。
(二)科学设计浇注系统
要对浇注系统进行设计,首先需要做的就是通过浇注的质量和速度得出浇注的时间,然后明确内部浇道的截面积,计算出横、直浇道的浇道截面积比。内浇道的厚度一般在0.3cm,计算出内浇道的宽度,一般宽度不超过0.3cm,并根据实际情况明确内浇道的数量。
在选择内浇道的位置时也需要注意一定的问题,通常情况下内浇道的位置在侧冒口上,也可以在铸件的薄壁处设置内浇道,防止冲击型壁,存有一定的距离。在明确内浇道的尺寸大小后,了解到浇注系统的比例是4:8:3,进而能够计算出直浇道和横浇道的尺寸大小。
横浇道的宽与高之比一般是1:1.5-2。为了避免浇注过程中直浇道中有空气进入,一般将直浇道上下部的面积比控制在2:1。[3]保证直浇道窝的直径是直浇道的2.5倍左右,深度与直浇道的直径基本一致。
尽管使用这种浇注系统的形状和大小,但是由于工艺的出品率等问题,也不会只局限于这种形状和大小,但是一定要做到的就是直浇道和横浇道的截面积要大于内浇道的截面积,并且尽量使用曲率比较大的横浇道。
三、设计冒口
(一)冒口的类型和原理
首先是比较普通的冒口,这种一直以来都是用的冒口种类。从薄壁处开始凝固铸件,然后向厚壁部位发展,最终凝固的位置设置合适的冒口。通过这种方法,铁液凝固的补给是按照冒口、厚壁部、薄壁部推进的。铁液逆流向冒口,然后与一同进行的液体进行收缩抵消,出现二次收缩时,还需要利用重力进行补偿,铁液的收缩补偿需要冒口进行承担,但是这种工艺的出品合格率并不高。使用这种冒口需要注意以下问题:保证冒口铁液有着较高的温度,将冒口设置在最后凝固的位置,并且可以使用冷铁对铸件的冷却速度进行调节,浇注时需要保证高温,设置圆筒型的冒口形状。
(二)石墨化膨胀冒口
使用普通类型的冒口,对于铸件冷却凝固的顺序而言,需要依据铸件自身、冒口颈以及冒口凝固的顺序进行,使用这种方法是不能在铸件体积变大时将压力返回到冒口侧部。冒口是铸件体积增大,内部压力也在铸件内部,2次收缩在凝固区域内发挥收缩效果。
使用这种工艺在薄壁件液体收缩时,在膨胀作用下会出现逆流,冒口的颈部先凝固起来。厚壁铸件,石墨化的膨胀压力比较大,一般在逆流中期就实现冒口颈部的凝固。利用这种冒口也需要注意一定的问题,在利用薄内浇道时,需要在铸件凝固前先凝固,并且采用暗冒口,通过有效的措施对冒口顶部的凝固时间进行延缓,高温铁液进行浇注。
(三)无冒口工艺
如果遇到比较独特的情况,有时即使没有冒口也能够得到合格的铸件,如果薄壁件的壁厚比较均匀,使用比较大的浇注系统收缩凝固铁液时,可以使用浇口杯,通过直浇道进行铁液的补给。在铸件的大部分进行凝固时得到比较完全的铸件。
如果铸件壁部比较厚,一般浇注的温度是1300℃左右,浇注完毕后会呈现出粥状的凝固,科学使用石墨化膨胀,得到完好的铸件。但是无论如何,需要保证铸型的坚固,这是前提和基础,有效控制铁液的CE值,同时控制不利于石墨化的相关元素。
四、结语
总而言之,圆筒型的球铁件铸造需要有较高的合格率,不仅需要良好的工艺设计和措施,还需要有效的工艺参数,在此过程中需要铸造的相关人员对此问题进行有效的研究和分析,改进圆筒型球铁件铸造的相关工艺,避免出现资源浪费等不利的情况,使得圆筒型的球铁件成品合格率得到显著的提升。
参考文献
[1]吴攀龙.大型球铁件的铸造工艺改进研究[J].中国高新技术企业,2013,16:11-12.
[2]李润生.大型球铁件的铸造工艺设计[J].现代铸铁,2011,06:48-53.