消失模铸造（共5篇）
消失模铸造 篇1
前言
在铅冶炼生产中, 无论是鼓风炉, 底吹炉还是侧吹炉, 粗铅铸锭用的铸锭钢模消耗量很大, 传统的砂型铸造效率低、成本高。采用焊接钢模在使用中变形大, 铅锭起出困难, 寿命短。为此我们利用消失模生产, 极大地提高了生产效率, 产量大规模提升, 铸造的粗铅模规矩, 表面平整, 光洁度好, 较好的满足了铅冶炼粗铅铸锭需要。但在消失模生产粗铅模的过程中, 严格的工艺控制是保证粗铅模质量的必须。在消失模铸造过程中稍有不慎, 则极易造成质量问题。本文就粗铅模的消失模铸造易出现的各种缺陷进行分析, 提出相应对策。
1 粗铅模铸造的基本条件
粗铅模材质为低碳钢, 采用中频电炉熔炼, 其化学成分见表1。消失模造型浇注成型, 消失模造型工艺见图1。最后采用中温退火工艺使组织均匀化和消除应力。
2 粗铅模消失模铸造常见缺陷及防止措施
2.1 增碳缺陷
在消失模铸钢件的制造过程中, 很容易出现增碳缺陷, 粗铅模要求碳含量较低, 增碳更容易产生, 特别在铸件钢水充型的末端、转角和泡沫模样汽化的气体不易排出的地方, 泡沫分解产生的游离碳聚集与高温钢水反应, 造成局部碳含量增加, 使组织不均匀, 早期可能造成铸造裂纹而报废, 或在后期使用过成分是碳与氢, 所以其在高温钢液环境下会发生急剧分解的情况, 进程中产生龟裂或炸裂。粗铅模发生增碳缺陷的主要原因为:泡沫模样材料主要而产生氢气与游离碳。而又因为氢与氧的亲和能力比碳较强, 所以材料经过高温分解之后产生的氢会先结合模样缝隙间的氧气, 并形成水蒸汽排出;而分解出的大量游离碳则会残留在铸型中与钢水表面接触, 向钢水中扩散, 使铸件的表面出现渗碳、增碳现象, 严重时渗碳深度可达2mm, 铸件碳量增加0.1%。
基于增碳缺陷产生的原理, 可采取以下措施将铸件含碳量基本控制在相关工艺要求的范围之内: (1) 选用优质泡沫塑料, 如用PMMA泡沫比EPS泡沫将减少增碳。高质量的泡沫塑料具有含碳量低和分子量大的特征, 所以在确保泡沫模样强度时, 密度会相对较低, 再汽化过程中产生较少的游离碳。这也是解决铸钢增碳缺陷问题的最有效方式。 (2) 合理选用浇注工艺。一般情况下, 消失模铸造浇注工艺的设计必须能够加速模料的气化, 同时还需减少以及错开分解产物中液相、固相与钢液接触、反应的时间, 并减少或避免铸钢件出现渗碳现象。 (3) 尽量采用较高的浇注温度、保持较长的负压时间。有资料表明当铸钢浇注温度高于1550℃和负压保持大于20min时, 因为泡沫汽化良好和排气干净, 基本不产生增碳。 (4) 适当增加碳化物形成元素, 如Mn的含量。当铸件组织F体量不受影响是, 钢液中较高的Mn含量可以从气液界面夺取气相中的C, 减低气相中的C向钢液中迁移量。
2.2 气孔缺陷
粗铅模的气孔将严重影响其使用寿命, 内部气孔极易是粗铅模使用中开裂, 表面针气孔或表下浅气孔, 使粗铅模的铅块不能脱模而报废。气孔是消失模铸造中常见的一种缺陷, 就其原因及解决措施有如下几种:
(1) 泡沫模样裂解产物卷入金属液中产生的气孔
在泡沫模样浇筑充型过程中, 会产生一些紊流现象;或是在泡沫模样气化过程中, 其中的部分模样因被金属液体包围而出现发生裂解, 进而使得其产生的气体无法从金属液中排出, 最终形成气孔。这种类型的气孔大且多, 其内表面也有碳黑。为了防止此种孔的产生, 我们采取了以下措施: (1) 采用底注浇注系统, 使钢液能够平稳充型, 促使不出现紊流现象; (2) 提高浇注的温度和负压度; (3) 提高涂层和型砂透气性。
(2) 泡沫模样、涂料干燥不佳引起的气孔
当泡沫模样、涂层干燥处于不良状态, 或是泡沫模样内发泡剂含量太高时, 浇注时产生大量的气体, 因涂料干燥不良, 透气性差, 是泡沫汽化的气体排出受阻而卷入钢水产生气孔。基于此, 要想防止此种气孔的产生, 可实行以下措施: (1) 充分干燥泡沫模样; (2) 涂层必须干透; (3) 在自行发泡制作模型时对发泡剂实际添加量进行严格的控制。
(3) 模样粘合剂过多引起气孔
我们制作粗铅模模型时, 因模型较大, 形状复杂, 通常采用分块粘接。模样粘结剂的发起量是较大的, 所以, 如果使用过多的模样粘结剂, 则会减慢气化的速度, 此时容易使气体卷入钢液而形成气孔。对于此种气孔, 要想进行有效的防止, 需选用低发气的模型粘结剂, 或是再确保粘牢的前提下, 尽量使用最少的粘胶量。最好采用一次发泡成型。
2.3 夹渣及粘砂缺陷
我们经常发现在粗铅模的表面出现连片的粘砂。在冒口附件、转角处出现夹杂物和小片沙粒聚集, 可以很清楚的看到一些白色的或是黑灰色的夹杂物斑点, 并且呈单个或成片分布。在目前的消失模铸造生产过程中, 夹渣缺陷是一种较为常见有难以消除的缺陷。通过观察和分析, 发现粗铅模在如下情况下极易出现夹渣及粘砂缺陷:
(1) 浇注冷却后开箱, 发现浇注系统变大或某个部位显著膨大时, 在铸件的一些转角处、冒口附件出现夹砂, 甚至铸件的某些大平面壁内出现夹砂隔断金属。
(2) 大平面底部和壁出现成片粘砂。
通过不断的分析与实践研究, 通过以下措施的加以解决:
(1) 将泡沫直浇口改用耐火成型材料以抵御高温钢水的长时间冲刷。
(2) 加大转角的圆角半径, 使钢水流动平稳。
(3) 所选用优质高强度的铸钢涂料, 保持模型刷挂涂料厚薄均匀和适当的厚度。模型涂料充分烘干, 进烘房内摆放平整稳固, 装模时填砂均匀, 每层填砂不能太厚, 分多层震实。
(4) 装模后及时浇注, 切莫先天装模后天浇注。
(5) 合理设计负压
消失模铸造的浇注通常都是在真空环境下进行的, 且合理的负压还可紧实干砂、加快排气、提高充型能力。所以, 负压度的实际大小对于铸件的质量存在较大的影响, 而负压度过大则会使金属液在流至开裂、裂纹处时增加吸入干砂、夹杂物的可能性, 同时还会增加铸件粘砂缺陷发生的概率。经过多数实践, 我们选择的负压度为0.045~0.055MPa。
3 结语
在实际生产中, 通过采取以上措施, 基本上解决了粗铅模开裂和气孔以及夹砂缺陷, 生产的粗铅模表面光洁平整, 强度好, 抗变形能力强。在某年产10万t铅冶炼厂使用, 寿命由原来的30d左右延长到45d以上。
得出用消失模生产优质粗铅模的几点关键经验。
(1) 采用PMMA泡沫比EPS泡沫将减少增碳;大于1550℃浇温和负压保持在20min以上时几乎可杜绝增碳。
(2) 合理的浇注系统, 烘干透切的模型, 整体发泡制模减少粘接剂用量可有效减少各种气孔。
(3) 成型耐火材料浇口, 高强度及透气性好的涂料, 合适的装模震砂层厚度, 装模后及时浇注是解决夹砂和粘砂的有效途径。
摘要：就目前的情况来看, 消失模铸造 (简称EPC) , 在我国已发展到了一定的规模, 并已成功在生产中运用。粗铅模在铅冶炼生产中消耗量很大, 传统的砂型铸造效率低、成本高。采用消失模生产极大地提高了生产效率, 产量大, 质量好。但就实际情况来看, 因其铸造特点, 消失模铸造过程中容易产生一些缺陷。本文在此情况下, 详细分析了消失模铸造常见缺陷及防止措施。
关键词：粗铅模铸钢件,铸造缺陷,缺陷防治
参考文献
[1]郭亚辉, 冯志明, 蔡安克, 等.大型壳体件消失模铸造常见缺陷分析[J].铸造, 2014, 63 (1) :45~47.
[2]高成勋, 高远.铸钢件消失模铸造常见缺陷及其防止[J].铸造工程, 2013, 37 (6) :34~37.
[3]李旋, 李增民, 李立新.实际生产中的消失模铸造缺陷[J].铸造设备与工艺, 2014 (3) :33~35.
[4]马幼平, 许云华, 贾刘卡.负压实型铸造及铸件质量.北京:冶金工业出版社, 2002.
消失模铸造 篇2
铸铁机是把铁液连续铸成铁块的机械化设备,是高炉炼铁工艺的重要设备,是炼铁和炼钢生产之间缓冲铁水供需的辅助设备[1]。铸铁模是铸铁机的重要组成部分,铸铁模是生铁生产中的主要易损易磨件,其表面质量好坏和使用寿命直接关系到铸铁块的质量与其带来的经济效益。在铸铁机服役过程中,铸铁模内外壁的温度梯度很大,无法迅速平衡内外壁温度差,铸铁模会由于内外壁的温度差产生的热应力而导致韧性差的铸铁模迅速产生裂纹或韧性好的铸铁模很快变形,从而使铸铁模失效,严重影响着铸铁机的安全生产和正常运行。由于铸铁模是中型铸件且结构简单,可单件、大批量生产,同时为了避免铸件中产生冲砂、夹砂、气孔等缺陷,所以舍弃了传统的砂型铸造,也考虑到造型的方便,选用消失模负压铸造。这样取消了砂芯和制芯工步,根除了由于制芯、下芯造成的铸造缺陷和废品;不合箱、不取模,大大简化了造型工艺,铸件尺寸形状精确、重复性好,具有精密铸造的特点[2,3,4,5]。
1 铸件材料的选择
铸件成分决定材料的组织,并影响材料的性能。铸铁模大多采用铸钢或铸铁铸造成型。由于铸铁模长时间与高温铁水接触,受到高温的熔化以及疲劳应力的作用,铸铁模表面很容易剥落。而在消失模工艺下制备ZG-30Cr材料,基体组织以针状铁素体和珠光体组织为主,由于其组织为连锁结构,能很好地阻止裂纹的扩展,故具有很好的性能。表1为ZG30Cr的化学成分。
2 铸造工艺设计
2.1 铸件及工艺分析
铸件轮廓尺寸为792mm×334mm×190mm,属于中型铸件,为防止浇注过程或冷却过程产生翘曲变形,在两侧各有一个肋,加强肋的尺寸为75mm×60mm×10mm,如图1所示。
由于本次设计的是中型铸件且形状复杂,属于单件,考虑到要进行大批量的生产,所以舍弃了传统的砂型铸造,同时又考虑到造型的方便,所以选用了消失模铸造。取消了砂芯和制芯工步,消除了由于制芯、下芯造成的铸造缺陷和废品。
同时消失模具有不合箱、不取模的优点,大大简化了造型工艺,消除了因取模、合箱引起的铸造缺陷和废品;铸件尺寸形状精确,重复性好,具有精密铸造的特点;铸件的表面光洁度高,减少了后期机械加工[6]。
2.2 浇注系统的设计
消失模浇注系统与砂型铸造的浇注系统相比,除了能为金属液体积收缩提供必要的补给金属液及补缩通道外,还要为热解产物的排除提供通畅的出路。为了将液态金属平稳地引入铸型,其充型速度应与模样的热解速度以及热解产物排出铸型的速度一致,这样才能保证充型过程顺利有序,获得完整的铸件,避免充型时出现铸型坍塌,呛火和铸件内部出现气孔夹渣等缺陷[6]。
消失模浇注系统各组元的尺寸以传统砂型铸造工艺为参考,再进行适当的调整(增大15%~20%)。按照水力学计算公式计算:
式中:∑S内为内浇道横截面积(cm3);G为流经内浇道的金属液质量(kg);μ为流量系数,铸铁件为0.4~0.6;Hp为压头高度,根据模型在砂型中的位置确定(cm);t为浇注时间,。内浇道的截面尺寸为30mm×40mm,横浇道截面尺寸为40 mm ×40 mm,直浇道横截面积尺寸为40mm×40mm。
为保证得到满足性能要求的铸件,选择在铸件顶部设置普通保温冒口。铸件的凝固时间可以用模数估算,采用Ch-vorinov公式计算:
式中:τ为凝固时间(s);K为凝固系数;M为模数(cm)。
遵循顺序凝固的基本条件,保证冒口凝固晚于铸件上的被补缩部位,应有(M冒/K冒)2≥(M件/K件)2。对于该铸件的顶冒口:M冒=(1.2~1)M件,由此确定在每个铸件上设置1个顶冒口。
冒口尺寸确定[6]:
式中:ε为金属从浇注完毕到凝固完毕的体收缩率,该铸件的收缩率为1.6%;η为冒口的补缩率,该铸件取11%。得到V冒=2.2×103cm3。
由于冒口与铸件的接触面为曲面,为保证接触面积和模样强度,冒口设置为长方体,其尺寸为100mm×100mm×218mm。
对于尺寸相同的冒口,保温冒口的热模数相当于普通冒口模数的1.3~1.4倍,当保温冒口的直径与高度相等时,模数增大系数为1.4。由于冒口的直径与高度不相等,所以本优化工艺的模数增大系数选择为1.3[7]。
3 铸造工艺的数值模拟
3.1 View cast的实现过程
使用Pro/E画出铸铁模浇注系统的三维图形,将其保存为*.stl格式的文件并导入铸造工艺模拟软件View cast。该软件可以用于模拟凝固过程的温度场、固相分数、液态金属停止流动时间以及充型过程中的速度场等,它能够显示出凝固过程,还能显示出现缩孔和缩松的位置,并由此对铸造缺陷进行预测,对浇注系统进行相应的优化设计,从而确定最佳工艺参数[8,9]。
3.2 数值模拟参数设定
选用合适的壁厚参数后,铸件网格划分由View cast软件完成。网格单元剖分数为200万。输入铸铁模铸造工艺参数如下:材料为ZG30Cr,浇注温度为1650 ℃,砂型初始温度25 ℃,设置负压为-400kPa。铸件凝固形成外壳足以保持铸件时即可停止抽气,根据壁厚设定抽气为5min左右,为加快凝固冷却速度也可适当延长负压作用时间。
3.3 数值模拟结果分析
图3为充型过程数值模拟,可以看出,当t=0.3s时,金属液流入浇注系统;当t=1.0s时,金属液经过浇道填充铸件下方靠近内浇道的位置;当t=1.8~7.18s时,所有铸件均已充满;从t=7.9s到充型结束,金属液完全填充冒口。充型过程的数值模拟显示,其充型是平稳的,金属液无湍流,而且充型顺序是从铸件底层向铸件顶层填充,金属液也可以填充完整冒口。
在实际生产中为保证金属液顺利充型,通常要控制金属液的充型速度,使EPS有合适的发气时间;而且根据砂箱的高度,适当增加直浇道的高度以增大金属液的静压头;同时选择合适的型砂、涂料和负压度,增大铸型排气速度,降低型内气压。
铸件的凝固过程如图4所示,当t=252s时金属液已经从顶端开始凝固,随着时间的延长,铸件从顶端向中心逐渐凝固,当t=454s时铸件的两端已经完全凝固。随着时间的延长,凝固继续进行,当t=552.282s时,铸件继续从端部向中间实现顺序凝固,此时直浇道、横浇道、内浇道起到很好的补缩作用,避免了铸件边缘在凝固过程中产生缩孔和缩松等缺陷。当t=652s时,铸件边缘完全凝固,仅剩冒口和厚大部位还没有凝固。当t=752~952s时,仅剩铸件中心部位未凝固,此时保温冒口已经完成了对铸件最厚大部位补缩的作用。当t=1252s时,只剩铸件中心部位还没有完全凝固,铸件和浇注系统都已经完全凝固。从图4可以看出,铸件的凝固过程很好地实现了顺序凝固,浇注系统也很好地起到了补缩作用,冒口对铸件厚大部位起到了补缩作用。
图5为铸件完全凝固后缺陷预测分布情况(即金属含量低于80%被认为是缺陷),铸件中心的上部出现了很小的一些缩松,而铸件其他位置则未出现任何缩孔缩松缺陷。
铸铁模常用材料有铸铁和铸钢,铸铁材料铸铁模的主要失效方式是过冷过热导致表面发生裂纹,铸铁材料铸铁模寿命较短;铸钢材料铸铁模的主要失效方式是翘曲变形,所以会设有加强肋,保证铸铁模的结构稳定性,而铸件中心处的缩孔缩松对铸铁模工作寿命和性能影响不大。
由此计算模拟结果得出,该铸造工艺方案不仅满足了平稳而有序的充型要求,而且能够生产出几乎无缺陷的铸件,是一种十分合理而又高效的铸造工艺方案。
4 ZG30Cr钢锭模组织性能分析
铸铁模经常在高温条件下应用,材料的好坏直接决定着铸铁机的生产效率,所以选择性能优良的铸铁材料以及合适的铸造工艺尤为重要。因此,铸铁模必须具有良好的组织稳定性、较好的机械强度、高温热变形、抗热疲劳以及高温抗氧化性能。
4.1 材料的硬度变化
硬度是材料重要的性能指标,经过不同的工况环境后造成铸铁模材料具有不同的硬度。铸态ZG30Cr的组织是由针状铁素体和珠光体组成,铁素体对珠光体起到支持和保护的作用,而珠光体分担了加载在材料表面的载荷,在铁素体和珠光体的共同作用下,材料具有较好的综合性能。
模拟烧结机台车的工作环境,制取铸态和加热至500℃、700℃、900℃然后保温0.5h空冷的试样,使用洛氏硬度计测量试样的硬度值,如图6所示。
不同的温度影响着铸件的组织结构,从而影响试样的硬度。模拟工况500 ℃时,组织中以针状铁素体和珠光体为主要组织,与铸态组织基本相同,其硬度值略有变化;模拟工况700 ℃时,组织中主要为铁素体和珠光体,相比工况温度500℃时组织相同,硬度值也略有变化;模拟工况900 ℃时,试样的硬度明显降低,这是由于在700~900 ℃过程中,组织中发生珠光体和针状铁素体向奥氏体的转变,在空冷过程中,组织中奥氏体重新转变为铁素体和珠光体,针状铁素体在转变奥氏体过程中,将大块奥氏体分割,使组织均匀,铁素体较为细小,导致硬度值降低。
4.2 材料金相组织分析
图7显示从奥氏体晶界生长出近于平行的或者其他规则排列的针状铁素体以及其间存在的珠光体组织,这种组织为魏氏组织。对于亚共析钢,含碳量在0.15%~0.35%范围内,冷却速度较快时,铁素体的析出在较大的过冷度下进行,相变驱动力增大,可以提供形成半共格式的魏氏铁素体所需的共格应变能;同时按照有序过渡方式形成的魏氏铁素体比按照无序方式形成的晶界铁素体容易,在满足这样的热力学和动力学条件下,金属组织形成了大量的魏氏铁素体。魏氏组织是钢中的一种过热缺陷组织。粗晶魏氏组织导致钢的力学性能,特别是冲击韧度和塑性显著降低,并提高钢的脆性转折温度,容易使钢发生脆性断裂[10,11]。
图8中黑色为珠光体,白色为铁素体。与图7相比,加热至500 ℃、700 ℃的组织形貌与铸态组织没有明显变化。加热至500℃、700℃后,由于温度较低,内能较小,相变驱动力不足,不能发生相变,金相组织没有明显变化。当加热至900 ℃时,金相图中几乎看不到针状铁素体,这是由于在试样温度上升至900 ℃过程中,珠光体转变为奥氏体,冷却过程中发生与此相反的第二回相变重结晶,形成晶粒较细、片层较厚、组织均匀的珠光体,以及大量细小颗粒的铁素体[12]。
5 结论
(1)使用View cast软件对铸铁模的浇铸过程进行数值模拟,浇注系统能够实现平稳的充型。同时由于保温冒口的良好补缩能力,凝固模拟结果中未发现明显缩孔、缩松缺陷,根据所设计的铸造工艺进行生产,得到的铸件满足用户要求。
(2)对经过不同处理后的材料进行洛氏硬度测试和金相观察。由于加热至500℃、700℃组织没有明显变化,试样的硬度变化不明显,加热至900 ℃过程中由于发生相变,使组织均匀,硬度降低。
(3)铸态组织是由针状铁素体和珠光体组成的魏氏组织组成。加热至500 ℃、700 ℃,由于温度较低,相变驱动力不足,没有发生相变,组织没有明显的变化。试样加热至900℃时,加热过程中发生珠光体转变为奥氏体,冷却过程中发生与此相反的第二回相变重结晶,形成晶粒较细、片层较厚、组织均匀的珠光体,以及大量的细小颗粒的铁素体。
参考文献
[1] Zhou Min.Improvement and practice of productivity improvement of
[60] m roller fixed double chains pig casting machine[D].Dalian:Dalian University of Technology,2013(in Chinese)周民.60m滚轮固定式双链带铸铁机产能提升的改进与实践[D].大连:大连理工大学,2013
[2] Liu Zili,Wang Qudong,Ding Wenjiang.Survey of the research on the mold filling of expendable pattern casting process[J].Foundry,2000,49(4):213(in Chinese)刘子利.消失模铸造充型过程的研究进展及展望[J].铸造,2000,49(4):213
[3] Chen Xiaojian,Huang Tianyou,Kang Jinwu.Status and prospect of the pattern production equipment of EPC domestic and abroad[J].China Foundry Machinery Technology,2002(4):1(in Chinese)陈尧剑,黄天佑,康进武,等.消失模铸造制模设备国内外现状及展望[J].中国铸造装备与技术,2002(4):1
[4] 秦国治.铸铁、铸钢的消失模铸造工艺[J].铸造设备研究,2007(5):255黄天佑.消失模铸造技术[M].北京:机械工业出版社,2004
[6] 黄乃瑜,叶升平,樊自田.消失模铸造原理及质量控制[M].第2版.武汉:华中科技大学出版社,2005
[7] Zhu Lijuan,Zhou Yuan,Wang Mingna,et al.Design of injection systerm of lost foam casting under negative pressure[J].Foundry Technology,2009,30(7):942(in Chinese)朱丽娟,周源,王明娜,等.消失模负压铸造浇注系统设计的探讨[J].铸造技术,2009,30(7):942
[8] Mi Guofa,He Binfeng.Optimization of casting process for cast-steel valve with computer simulation[J].Hot Working Technol,2009(11):60(in Chinese)米国发,何斌锋.计算机模拟在铸钢阀体工艺优化中的应用[J].热加工工艺,2009(11):60
[9] 米国发,何斌锋.计算机模拟在铸钢后桥工艺优化中的应用[J].航天制造技术,2008(2):44
[10] 王源泉.亚共析钢中魏氏组织的研究概况[J].哈尔滨科学技术大学学报,1982(1):65
[11] 宁玫,李志群,孙梅红,等.魏氏组织形成机理及对钢管性能影响的分析研究[J].天津冶金,2008(5):118
消失模铸造钢爪工艺的优化 篇3
(1) 钢爪高度偏差≤2mm, 爪头直径偏差≤1mm, 爪头间距偏差≤1mm。
(2) 铸件表面要求光滑, 不允许有砂眼、裂纹、夹渣、气孔等缺陷, 钢爪上端面光洁度应达到12.5[2]。
在阳极钢爪的铸造生产中, 国内绝大多数企业采用的是砂型铸造工艺。在铸造过程中, 为保证浇注质量, 许多厂家根据钢爪的特点采用两次造型法、直立式顺序冷却浇注工艺。但这样的浇注工艺, 仍然不能避免砂型铸造的缺陷, 例如铸件精度、表面粗糙度、材质的密度、力学性能等较差, 铸件必须经打磨后才能达到要求, 从而在一定程度上增加了成本、延长了生产周期, 同时砂型铸造的尺寸偏差较大[3,4,5]。
中国铝业股份有限公司连城分公司采用消失模铸造工艺生产阳极钢爪。消失模铸造, 又名实型铸造, 是20世纪80年代在世界兴起的一种无型腔铸造新工艺。它是将涂刷过涂料, 并经烘干的泡沫聚苯乙烯作为模型置于特制的砂箱中, 并用无粘结剂的干砂通过微震方式紧实, 在无砂芯、无粘结剂、无分型面, 甚至在没有冒口的情况下, 负压浇注, 保压一段时间, 获得合格铸件的新型铸造工艺[6]。与砂型铸造工艺相比, 采用消失模铸造工艺生产阳极钢爪具有工艺简单, 铸件精度高, 表面光洁度高等优点。
1 原消失模铸造工艺的特点
原消失模铸造工艺浇注系统及浇冒口设置如图1所示。浇注方式采用底注式, 从模样底部引入金属液, 有利于泡沫模样的逐层气化, 实现平稳充型, 热解产物浮在铸件上部, 不易产生铸件内部夹渣, 气孔等铸造缺陷, 金属液前沿的分解产物在界面空隙中排出的同时, 又能够支撑干砂型壁。
浇注系统内浇口截面积总和按下式计算[7]:
∑F内undefined
式中:∑F内——内浇口截面积总和;
G——流经内浇道的液态合金重量 (铸件中+浇注系统重+冒口重 kg) ;
μ——流量系数, 铸钢件0.3~0.5;
HP——压头高度 (mm) ;
t——浇注时间 (s) , 浇注时间t按下式计算:
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式中:c——由KV (铸件相对密度) 决定, KV按下式计算, c与KV的对应关系查表可知。
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内浇道尺寸确定后, 通过浇注系统各组元断面比例关系确定横浇道和直浇道尺寸。各组元比例关系为:∑F内∶∑F横∶∑F直=1∶1.1∶1.2。经计算浇道系统各组元尺寸为:内浇道40mm×40mm, 横浇道45mm×45mm, 直浇道50mm×50mm。
浇冒口除了补缩和调整温度场外, 还需要起到集渣, 排气的作用。在相同体积下, 球形浇冒口的散热面积最小, 凝固时间最长, 因此补缩效果最好。球形浇冒口可以方便的制造并自由的放置在需要补缩的部位, 因此在消失模铸造工艺中得到广泛应用。原工艺采用球形浇冒口, 设置在4个爪头处。
原工艺方案具有一定的优点, 但是在铸件的上表面容易出现碳缺陷, 且浇注系统复杂, 不利于泡沫模样的装箱造型, 浇注后铸件切割量大, 铸件的出品率低, 需加工的端面为4个爪面和钢爪上部平台, 机械加工难度大, 成本高, 因此对原工艺浇注系统及浇冒口设置方案进行优化。
2 浇注系统及浇冒口优化方案
优化后消失模铸造工艺浇注系统及浇冒口设置如图2所示。采用顶注式浇注系统, 浇冒口放在钢爪的上部平台上。顶注式浇注系统很难控制金属液的流动方向, 对高大, 复杂的铸件容易引起塌箱, 同时金属液流动方向与热解产物逃逸方向逆向, 容易造成气孔和夹渣缺陷。但是顶注式浇注系统具有充型速度较快, 金属液温度降低少, 有利于防止浇不足、冷隔等缺陷;充型后上部温度高于底部, 适于铸件自下而上的顺序凝固和浇冒口补缩。且浇注系统简单, 有利于泡沫模样的装箱造型, 浇注后铸件切割量小, 出品率高, 机械加工难度小, 成本低等优点。如果优化后的方案可行, 那么将极大的提高生产效率, 降低生产成本。
3 试验验证
3.1 试验工艺流程
消失模铸造工艺过程一般分为“白区”和“黑区”两部分。白区指的是白色泡沫塑料模样的制作过程, 从预发泡、发泡成型到模样的烘干、粘接 (包括模片和浇注系统) 。而黑区指的是上涂料及再烘干、将模样放入砂箱、填砂、金属熔炼、浇注、旧砂再生处理, 直到铸件落砂、清理、退火等工序[8]。主要工艺流程如图3所示。
3.2 模样制作工艺流程
钢爪模样采用聚苯乙烯泡沫塑料经预发机预发, 在熟料仓内熟化后吹入成型机成型, 浇注系统采用电热丝切割, 人工粘接而成[9]。
3.3 涂料制备及涂敷
本公司使用的是水基涂料, 配制好涂料后浸涂并辅以刷涂。涂料涂敷3次, 总厚度大于等于3mm, 模样涂敷好后可在40~60℃下烘干, 烘干后的模型和涂料总重大于6kg。涂料成分主要为石英粉, 锆英粉和添加剂。
3.4 造型和浇注
3.4.1 造型
本公司使用宝珠砂造型, 该种造型砂在使用过程中既能使通过砂粒之间的空气被吸走, 又能防止金属液渗透, 铸件表面光洁。铸件总重500kg左右, 造型时干砂吃砂量应大于150mm, 填充干砂过程中在爪头、横梁底部及冒口颈部均需震实。
3.4.2 浇注
消失模浇注中途不得断流。当铸型内负压较低时, 可能出现塌箱现象, 但太高时又容易产生粘砂。一般应控制在0.03~0.05MPa范围内[10]。
4 结果及分析
浇注后的铸件如图4所示, 铸件表面光滑, 没有明显的铸造缺陷。与优化前工艺相比有如下优点。
4.1 提高了工艺出品率
优化前工艺出品率为67.57%, 优化后工艺出品率为86.21%, 相较之下优化后工艺出品率提高了18.64%, 提高了材料的利用率, 降低了生产成本。
4.2 降低了铸件清理及机加工量
优化前铸件有4个爪面和钢爪上部平台总共5个加工面, 优化后铸件只有钢爪上部平台1个加工面, 降低加工的难度和成本。同时采用气焊切割浇冒口, 优化后可以大大降低浇冒口的切割量, 减少乙炔用量。
5 结论
1) 采用顶注式, 钢爪的浇冒口设置在钢爪的上部平台上在工艺上是可行的。
2) 采用优化后的工艺简化了机加工的复杂性, 提高了生产效率, 降低了生产成本, 提高了企业的经济效益和市场竞争力。
摘要：对现有消失模铸造生产阳极钢爪工艺进行优化, 原工艺中浇冒口设置在4个爪头处, 优化后将浇冒口放在钢爪的上部平台上, 实际浇注验证该工艺可行, 生产的铸件质量较好, 节约了机加工成本, 又大幅度提高了生产效率。
关键词：消失模铸造,阳极钢爪,工艺优化
参考文献
[1]杜智勇, 钟向明, 高侠.消失模铸造工艺在阳极钢爪铸造中的应用[J].轻金属, 2005 (11) :42-44.
[2]韩豫刚.电解铝阳极爪架铸造新工艺研究[J].有色冶炼, 2002, 12 (6) :164.
[3]郭若东.消失模铸造冒口工艺改进的探讨及应用[J].特种铸造及有色合金, 2005, 25 (3) :182-183.
[4]郭跃广.明冒口在消失模铸造上的应用[J].铸造技术, 2008, 29 (9) :256-257.
[5]安敬江, 周辽奇, 张孝义, 等.消失模铸造钢爪工艺的改进[J].特种铸造及有色合金, 2010, 30 (7) :653-655.
[6]董秀琦, 朱丽娟.消失模铸造实用技术[M].北京:机械工业出版社, 2005:1-45.
[7]黄天佑.消失模铸造技术[M].机械工业出版社, 2004.
[8]李增民, 李志勇.消失模铸造的关键技术[J].铸造技术, 2002, 15 (3) :155-158.
[9]樊自田, 赵忠, 唐波, 等.特种消失模铸造技术[J].铸造设备与工艺, 2009, 14 (1) :17-21.
消失模铸造 篇4
山西晋城市春晨兴汇实业有限公司下属的“金珂铸业制造”与“鑫金铸造”都是专业化的消失模铸造企业, 生产压缩机配件以及通用机械配件, 如齿轮箱等。随着近几年我国轿车工业的迅速发展及汽车用铸件产量的急剧增加, 加之消失模铸造汽车配件对减轻轿车自重的积极作用, 所以薄壁球铁小型铸件的订单很多, 工厂就着力开发汽车配件产品。但是, 铸造生产小型球铁薄壁 (壁厚不超过35m m) 铸件大量出现缩孔缩松缺陷, 严重影响了铸造车间的铸件质量和成品率。尤其汽车保安铸件存在缩松缺陷会对轿车安全带来危害, 成为消失模铸造生产中非常突出的问题。为了不断提高产品质量并在持续改进中稳定产品质量, 公司决定“借船出海”, 聘请富有实践经验的高级技术人才, 采取传、帮、带的方式培养出自己的技术骨干, 为破解这一难题成立专题技术攻关小组, 攻克难题。
以消失模铸造中间壁支架为例, 其铸件结构如图1所示。材质牌号为QT450—12, 该铸件质量为6.8kg, 外形尺寸387m m×296m m×186m m, 主要壁厚10.2m m。技术要求铸件组织致密, 不得有夹渣、缩孔、气孔、裂纹和缩松等缺陷。除满足以上这些常规要求外, 还要求表面金相组织保持均匀, 铸态球铁铸件要保证切削性能, 要求对铸件进行热处理, 达到中度耐磨等。铸件切削加工前要进行严格检验, 如果有缩孔和裂纹缺陷即判定为废品。这就给铸造带来一定的难度, 前期铸造工艺的设计就显得尤为重要。自从试生产以来, 铸件质量时好时坏, 极不稳定。熔炼设备为0.75t中频感应电炉, 与高炉冶炼的铁液双联熔炼。对于高强度汽车小型薄壁球铁铸件, 为保证组织致密达到材质要求, 借鉴国外熔炼高强度铸铁的经验, 对于化学成分相同的铸铁, 废钢加入量增加可显著提高抗拉强度, 因此, 把废钢加入比例适当提高到30%左右。浇注温度为1380~1420℃ (用SY903型智能数显测温仪) , 确保浇注温度在规定范围。浇注方式为茶壶式浇包, 每包铁液要浇六箱, 浇注时注重挡渣, 而且要求先把包嘴的铁液排溢少许后, 再进行浇注;浇注时间为9~11s/箱, 快速浇注充型。经过一段时间工艺试验与监测, 找出了消失模铸造小型薄壁球铁缩孔缩松缺陷产生的原因和形成机理, 并在铸造生产实践中初步掌握了较为科学的控制措施。
碳、硅含量及碳当量控制
生产球墨铸铁有个原则, 就是高碳、低硅和大孕育量。因为碳、硅含量直接影响球墨铸铁共晶转变时的石墨析出量。提高碳当量, 能够有效减少白口倾向, 可以增加铸态铁素体的含量, 是生产铸态铁素体球墨铸铁所希望的。提高碳当量可以提高球墨铸铁的流动性, 有利于补缩;提高碳当量, 有利于石墨化, 增大石墨化膨胀, 可以减少缩孔和缩松的形成。在生产实践中发现铸造薄壁球铁件时, 随着碳当量的增加, 石墨数量同时增加, 白口倾向明显减少。考虑后续加工的易切削性, 对小型薄壁球铁件要把白口倾向控制到最小, 在配料时将wC控制在4.3%~4.5%。对于亚共晶球墨铸铁, 随着碳含量的增加, 共晶石墨析出量增多, 自身补缩能力加强, 同样有利于消除缩孔缩松缺陷。但碳含量并非越高越好, 过高易出现石墨漂浮, 自身补缩能力还会减弱。据资料文献, 通过对比S i、C的含量比例与壁厚3m m球墨铸铁白口深度的关系分析研究得出, 对于3mm壁厚的薄壁球铁件, 硅和碳的比例应控制在0.8%以上。另外, 熔炼球墨铸铁, 铁液中的含磷量应该控制在0.08%以下。如果含磷量过高, 使凝固范围扩大, 低熔点磷共晶在最后凝固时得不到补充, 因此就会增大缩松、缩孔倾向。
控制合适的浇注温度
在铸造生产中, 不管采用哪种熔炼方式, 铁液必须有一定的过热温度, 提高熔炼温度有利于消除炉料的遗传性, 熔炼温度的高低直接影响到铁液的成分和纯净度;提高熔炼温度能够细化石墨;随着温度的提高铁液中的废气也会大幅度下降。熔炼温度的高低直接决定了球化处理温度的高低和处理后铁液的铸造性能。但过度提高铁液温度, 不仅能耗大增, 而且有害于铸铁的力学性能。浇注小型薄壁球铁件, 实践经验是:熔炼温度只要达到1520~1550℃, 完全可以满足球化处理温度的要求。球化处理温度控制在1470~1520℃, 采用冲入法球化处理应该是没有问题的。就消失模铸造而言, 浇注温度可以比砂型铸造高出25℃左右。所谓合理选定浇注温度, 就消失模铸造而言, 在实际生产中控制在1390~1420℃较为适宜, 建议铁液温度低于1360℃最好别再浇注, 否则铸件缺陷太多, 不是夹渣就是皱皮。这也就是消失模铸造的特殊性。如果停留在砂型铸造的理念上指导消失模铸造, 那肯定是铸造废品很多, 工艺出品率很低, 也很难取得可观的经济效益。
残余Mg、Re量的控制
球化处理后的铁液过冷倾向明显增大, 需要加入适量的孕育剂, 以减少白口倾向, 避免渗碳体的生成, 改善石墨的结晶条件。通过孕育处理, 使其形成大量的结晶核心, 使石墨球径变小, 数量增多, 形状圆整, 分布均匀, 从而提高球墨铸铁力学性能。这是铸态球墨铸铁生产中最关键的工艺。在这个过程中, 对残余的M g、Re量的控制很关键。
1.对残余Mg量的控制
残余M g量越高, 球铁缩孔缩松倾向越大。在长期探索中, 经过对理化分析的数据整理对比, 得出最主要的体会是:球铁铸件中因为缩孔缩松所报废的, 残余M g量几乎全部超出正常范围 (M g含量均大于0.05%) 。在实际生产中, 由于受到原铁液水成分的影响, 球化剂的加入量是个变数, 所以导致M g含量常常处于波动状态。在工艺允许范围内, M g含量随着球化剂的加入量同步波动, 即便工艺控制再严格有时也会受到球化剂供应商提供的球化剂质量的影响。这就影响到生产小型薄壁球铁铸件的质量稳定性。笔者在沿海某集团公司指导生产球铁时, 经过微观分析, 发现缩孔缩松的形成与M g在球铁基体组织中不均匀分布和白口倾向大有很大关系。国外技术文献和对外商提供的样件化学分析证明, 国外同样品质的球铁铸件M g残余量较低, 一般在0.03%左右, 而且Re的残余量微乎其微, 对样件解剖的结果很少发现有缩孔缩松缺陷。这就充分说明残余M g主要富集于球铁组织内的碳化物和珠光体之中, 而该区正是共晶凝固的最后区域, 也就是球铁铸件最容易产生缩孔缩松的区域。
2.对Re残余量的控制
在生产薄壁球铁实践中, 认为添加稀土元素后, 对其组织和性能产生积极的作用, 可以促进石墨化, 改善球铁的力学性能;一定含量的稀土具有净化铁液、脱硫脱氧、中和干扰元素的作用。尤其铸造薄壁球铁件, 通过添加稀土能够增加石墨数量和改善球状石墨形貌, 同时可以减少碳化物数量, 消除白口倾向。有资料表明, 对于壁厚2m m的薄壁球铁件, 当R e的添加量为0.02%时效果最佳, 石墨数量最多 (见图2) , 白口化区域得到有效控制, 铁素体面积率最大。由此可见, 稀土元素的作用随着铸件壁厚的变化而显著变化, 在薄壁球铁件生产中的作用尤其明显。
好多企业生产球铁在检测上亟待改善, 比如化学分析仍停留在生产灰铸铁的水平上, 只是化验碳、硅、锰、磷、硫这五大常规元素, 那是远远不够的。如果只满足是否球化了, 那说明还停留在生产球铁铸件的初级阶段。必须要做M g残余量和R e残余量的化学分析, 长期对M g残余量和R e残余量的数值与比值进行研究和对比, 就会得到一个有价值的规律。只有这样才能把握住和控制好薄壁球铁铸件的质量。
铸造工艺设计及薄壁球铁缺陷的控制
由于汽车用铸件不但壁薄, 而且形状复杂, 壁厚差相比较大, 这样的条件下石墨化不均衡、铸件石墨化不充分的几率大。同一个铸件通常存在多个热节, 铸件热节处收缩增大, 很容易出现缩孔缩松缺陷。设计消失模铸件浇注系统应该懂得消失模铸件成型的理论基础和基本原理。如果浇注系统设计不合理, 导致金属液与消失模之间气隙太大, 很可能造成塌箱的危险。设计的浇注速度合理与否, 要看消失模气化、裂解后的产物能否顺利排出型腔, 这样才能铸造出合格的小型薄壁球铁铸件, 也才可以说设计的浇注系统是合理的。采用消失模铸造, 消失模有其特殊性, 和砂型铸造并不完全相似。一定的实践经验积累在这里就显得尤为重要。
因此, 在铸件试制的初期, 特别是对薄壁球铁小型铸件浇注系统的设计尤其显得重要。合理的浇注系统, 除了使铁液快速、平稳充填于铸型中, 还要具有挡渣功能。在设计浇注系统时, 一是凝固方式和浇注位置的选择, 二是要考虑到填砂造型工序铸型布局, 三是对厚实部位如何采用机夹装随形冷铁。为了保证在共晶凝固阶段, 铸件的热节部位有足够的液态铁液补给, 以满足该处液态收缩和共晶收缩的需要, 应让铁液通过直浇道首先进入冒口, 然后经过内浇口流进铸型, 该处设置的冒口即是通常说的“热冒口”, 这样冒口共晶凝固温度就不会低于铸件最后凝固部位的共晶凝固温度, 可获得液态补缩所需要的铁液, 消除经常发生在内浇口根部的缩松缺陷, 保证铸件的组织致密。
结语
(1) 球墨铸铁设计的浇注系统要能够补足铸件液态收缩和共晶收缩的需要, 采取铁液通过直浇道首先进入冒口然后再经过内浇道流进铸型。设置这样的热冒口是科学的, 实践证明是行之有效的。
(2) 为了解决薄壁球铁缩孔缩松缺陷, 采取高碳当量 (CE=4.5%~4.9%、wSi=2.6%~2.9%、wC=3.7%~3.9%) 是正确的;适当提高硅含量, 特别通过多次孕育增加硅含量, 提高碳含量对减少球铁铸件缩孔缩松缺陷是很有效果的途径。
(3) 高效的孕育处理有利于提高铸件致密度。孕育 (如瞬时随流孕育) 不均匀或不充分情况是形成薄壁球铁件缩孔缩松缺陷的重要原因。
(4) 生产薄壁球铁小件采用消失模铸造时, 采取较高的浇注温度 (1390~1420℃) 有利于发挥孕育作用, 有利于铸件补缩通道的畅通, 对消除球铁件缩孔缩松缺陷是非常有效的。
消失模铸造 篇5
球墨铸铁因其力学性能好、成本低等优点而被用作结构材料,主要用于制造内燃机、汽车零部件及农机具等。消失模铸造技术是一种近无余量、精确成形的新技术,适合生产复杂零件,被称为是“代表21世纪的铸造新技术”和“铸造中的绿色工程”[1,2,3]。但是,由于消失模铸造的浇注温度比普通铸造技术高30～50℃,并且采用干砂造型,传热速度慢,使得铸件的组织粗大,力学性能较差。因此,细化消失模铸造球墨铸铁件的组织,提高其力学性能是发展球墨铸铁消失模铸造技术的关键。细化晶粒的方法通常包括增大过冷度、施加振动、孕育处理[4,5,6,7,8]等。在消失模铸造过程中施加振动是一种既不需要较大增加生产成本,又能细化晶体组织、提高其性能的有效措施。将振动应用于铝合金、镁合金消失模铸造的研究[9,10,11]表明,振动可以细化铸造合金的组织,提高其性能。然而,关于振动对消失模铸造球墨铸铁组织及性能影响的研究未见报道,振动对其作用效果尚未可知,因此,本文根据消失模铸造的铸件具有尺寸不等的特点,设计了6个壁厚的阶梯试样,以铸造生铁、废钢及硅铁为炉料,稀土镁合金为球化剂,75SiFe为孕育剂,采用振动消失模铸造的方法制备球墨铸铁,借助金相显微组织观察及图像分析软件,研究试样壁厚对振动消失模铸造球墨铸铁石墨形态及基体组织的影响,为振动凝固技术在消失模铸造球墨铸铁件生产中的应用奠定理论基础。
1 试验材料及方法
首先用密度为20mg/cm3的可发性聚苯乙烯(EPS)制作阶梯形模样,模样的宽度为50mm,各台阶壁厚分别为10mm、20mm、30mm、40mm、50mm和60mm,每个台阶的长度为40mm,然后将制好的模样涂挂水基耐火涂料,最后将其埋入干砂进行造型,模样结构如图1所示。
熔炼在容许质量为15kg的中频感应炉中进行,采用铸造生铁、废钢以及硅铁为炉料,加入量为6.5kg。球化剂为FeSiMg8Re3合金,75SiFe为孕育剂,球化剂和孕育剂加入量占炉料质量分数的1.4%和0.4%。浇注前,将球化剂和孕育剂置入浇包底部,采用包内冲入法进行球化及孕育处理,浇注温度为1460℃。浇注过程借助型号为BF-LD-TF振动台进行球墨铸铁的振动消失模铸造,装置示意图如图2所示。填入干燥石英砂紧实、覆盖塑料薄膜、开真空阀抽真空(真空压力为0.03MPa),在振动作用下进行浇注成形(振动频率为35Hz,振幅为0.5mm)。浇注后获得的球墨铸铁的具体化学成分如表1所示,其中,w(RE)和w(Mg)分别为球墨铸铁残留稀土量和残留镁含量。
1.薄膜 2.EPS试样 3.干砂 4.加强肋板 5.振动台面 6.弹簧 7.电磁振动台 8.抽真空管道 9.砂箱
浇注后,采用线切割的方法从阶梯形试样不同壁厚的中心部位切取长方体金相试样,与振动方向平行的侧面经研磨抛光后,在光学显微镜上观察石墨形态,然后采用体积分数为4%的硝酸酒精溶液进行腐蚀,在光学显微镜上进行组织观察;从每个壁厚试样的石墨形态照片中随机抽取10幅,利用JX-2000图像分析软件对铸铁中石墨球数进行统计分析,取其平均值;通过比较分析的方法研究试样壁厚对振动消失模铸造球墨铸铁组织的影响。
2 试验结果与分析
2.1 试样壁厚对铸铁石墨形态的影响
图3所示为振动消失模铸造球墨铸铁的石墨形态图,其中,图3a～图3f分别是壁厚为10mm、20mm、30mm、40mm、50mm和60mm处的石墨形态。由图3可以看出,在不同壁厚的试样中存在较多的畸形石墨,较圆整的石墨球数量较少。
(e)δ=50mm (f)δ=60mm
图4所示为图3中石墨球个数的统计分析结果。由图4可以看出,随着试样壁厚的增大,每平方毫米内石墨球的个数Q先由10mm厚试样中的190个降低到30mm厚试样中的152个,然后又逐渐增大到60mm厚试样中的257个。在壁厚为60mm的试样中,单位面积内石墨球的个数最多,30mm厚的试样中最少,并且60mm厚的试样中单位面积内石墨球的个数相对于30mm厚试样增多了69.5%。
在合适尺寸的试样中,振动可显著增加石墨球的数量(图2)。振动可以促进球墨铸铁中的空位等缺陷快速消失,引起空穴效应,空穴效应的存在会在熔体中引起空穴形核[12]。当空穴崩溃时,临近空穴的熔体进入空穴的同时,会引起局部压力的增大。根据克拉-柏龙公式可以推测[13]:
ΔTf/Δp=Tf(Vl-Vs)/ΔHf (1)
式中,Tf为平衡凝固温度,随凝固压力的增大而增大;Vl、Vs为液体、固态的比体积;ΔHf为熔化潜热常数;ΔTf为Tf条件下的凝固过冷度。
用适当参数取代热力学公式中的体积,压力对凝固点的影响可近似地表示为
p=p0exp(-ΔHf/RTf) (2)
式中,p0、R为常数。
根据式(1)、式(2)可知,随着更高的外部压力施加于熔体,相图会发生改变,熔体过冷度比低压时的高。因此,在振动凝固试样中空穴的被破坏程度比未振动凝固试样大,在振动试样的熔体中引入的压力较未振动凝固试样的高。振动促进空穴的逃逸使得熔体过冷度以及在临近空穴位置的形核能力提高。
此外,振动促进了碳原子的运动,降低了碳原子在石墨晶核上的堆积,由于这些原因,石墨球的长大速度受到了抑制。因此,尽管在振动凝固试样中石墨球数量被增加了,但是石墨球的尺寸却较小。
随着试样壁厚的增大,石墨球的个数先减少后增多,这是因为随着壁厚的增大,铸件的体积增大,试样的凝固时间被延长,使得铸件内部的蓄热量增大,冷却速度减缓,致使石墨核心失效严重,从而降低了球化效果[10]。当试样壁厚小于等于30mm时,随着试样壁厚的增大,石墨球化失效严重,并且没有新的石墨核心来补充,导致石墨球的个数减少。当试样壁厚大于30mm时,石墨球的个数反而增加。一方面,铸件内部的蓄热会引起球化失效,减少试样中的石墨球个数;另一方面,试样壁厚的增大降低了金属的凝固速度,延长了金属结晶的时间。金属液的温度由浇注温度降低到共晶转变温度所需要的时间被延长,增加了振动对液态金属和固液混合区的金属的作用时间,抑制了液态金属中的碳原子在石墨晶核表面的堆积,增加了液态金属中石墨的数量,从而增加了石墨球的个数。因此,随着试样壁厚的增大,石墨球的个数增多。
2.2 试样壁厚对球墨铸铁基体组织的影响
图5所示为振动消失模铸造球墨铸铁的基体组织图。由图5可以看出,振动消失模铸造球墨铸铁的基体组织中分布着大量的“牛眼状”组织。文献[12,14-15]的学者研究认为,“牛眼状”组织的内部为石墨,奥氏体外壳包围在石墨周围,且奥氏体外壳是由若干个奥氏体组成。根据文献[15]的观点,在一定温度下,初生球状石墨从铁水中析出,并独立生长,在其周围会形成一定范围的碳的逸减区。球状石墨长大到一定尺寸时,逸减区中紧靠石墨的环状区域极度贫碳,结晶成奥氏体外壳,结晶的奥氏体外壳因不断地向外生长使奥氏体壳厚度增加。外加振动加速了试样各部分的传热与对流,使铸件内部温度场趋于平缓,抑制了金属形核,减缓了共晶转变前部分奥氏体晕圈的形成速度。此外,“牛眼状”组织的数量及尺寸的变化反映了共晶晶粒的变化,即“牛眼状”组织越多,由石墨球引发的共晶晶粒数量势必也随之增多。当壁厚较小时,试样冷却速度较快,凝固时间比壁厚较大试样要短,因而试样在振动力未对基体组织产生明显影响之前就已凝固完毕,振动在金属熔液内部引起“黏性剪切”,晶粒游离、增殖的程度远不及试样壁厚较大处,因而熔液中有效的异质形核核心数量较少,导致在这种条件下所形成的共晶晶粒数量减少。对于壁厚较大的试样,尤其是壁厚为60mm的试样,在其完全凝固之前,振动力对其作用比较充分,“黏性剪切”现象会遍及试样中的大多数共晶晶粒,所形成的游离细小晶粒显著增多,在熔液中存在大量的异质形核衬底,最终使得共晶晶粒的尺寸变小。
3 结论
(1)随着试样壁厚的增大,振动消失模铸造球墨铸铁中每平方毫米内的石墨球个数先减少后增多,60mm的试样中石墨球个数最多,为257个;30mm的试样中最少,为152个。同壁厚为30mm的试样相比,60mm的试样中每平方毫米内的石墨球个数增加了69.5%。
(2)随着试样壁厚的增大,振动消失模铸造球墨铸铁的基体组织先变得粗大,后变得细小。这是因为试样壁厚的增大,降低了试样的冷却速度,延长了振动对凝固组织的作用时间,增强了振动力对结晶组织的“黏性剪切”作用,使铸铁组织得以细化。
(3)借助振动凝固技术可实现对消失模铸造球墨铸铁的石墨形态及基体组织的控制,应用该技术可生产结构复杂的球墨铸铁件。
摘要：采用振动消失模铸造的方法制得阶梯形球墨铸铁,利用光学显微镜对球墨铸铁中的石墨形态及基体组织进行观察,借助图像分析软件对石墨球的数量进行定量分析。通过比较分析的方法,研究了试样壁厚对球墨铸铁的石墨形态及基体组织的影响。结果表明,随着试样壁厚的增大,石墨球的个数先减少后增多,基体组织则先变得粗大,尔后变得细小,并且在壁厚为60mm的试样中石墨球数较30mm厚的试样增加了69.5%。石墨形态及基体组织的变化主要应归因于试样壁厚的增大降低了试样的冷却速度,延长了振动对凝固组织的作用时间,增强了振动力对结晶组织的“黏性剪切”作用。