大型球墨鑄鐵件鑄造工藝的優化設計

1 大型球墨鑄鐵件常出現的鑄造缺陷

在大型球墨鑄鐵件的砂型鑄造生產中，通常易出現的鑄造缺陷有縮孔、縮松、夾渣、氣 孔、起皮、變形等。 這些常見鑄造缺陷通常受以下一些因素的影響。大型球墨鑄鐵件因其輪廓尺寸大、 壁厚尺寸大或其熱節厚大，如澆注系統設計不合理，使鐵液進入型腔后的溫度梯度達不到上高下低的良性狀態；如果未設置合理的配套補縮冒口對相應熱節的液態冷卻進行必要補縮；如果鑄型的剛性不夠，則易在鑄件的一些厚大熱節處出現縮孔、縮松鑄造缺陷。因其輪廓尺寸大， 如澆注系統設計不合理、又未對鐵液進行有效過濾，即澆注系統不能有效阻滯熔渣進入鑄件型腔，則容易在鑄件的一些厚大平面處出現夾渣鑄造缺陷。其輪廓尺寸大， 如澆注系統設計不合理，使鑄件的澆注時間過長，加之砂型的抗夾砂的能力弱，則易在鑄件的一些大平面處出現夾砂鑄造缺陷。因其輪廓尺寸大， 如澆注系統設計不合理，使鑄件的澆注時間過長以及鐵液進入型腔后的溫度梯度達不到上高下低的良性狀態，又加之冒口的排氣不暢及冒口的冷鐵液溢流不充分等，則容易在鑄件的上平面處出現氣孔鑄造缺陷。其輪廓尺寸大、質量大，如澆冒系統設計不合理，使鑄件的溫度分布極不均勻，溫差過大，則容易使鑄件產生變形及至裂紋鑄造缺陷。要有效克服和避免上述鑄造缺陷在大型球墨鑄鐵件中出現， 其相應鑄件的鑄造工藝設計在以下方面應當優化或優選。

2 澆注系統的優化設計

2.1 澆注系統結構型式的優化設計

在大型球墨鑄鐵件的砂型鑄造生產中, 除少數板類、 環類等鑄件多采用相對簡單的單層進液型式外， 其余鑄件的澆注系統的進液型式通常采用階梯式以及分層的結構型式。對于澆注位置高度較高的大型球墨鑄鐵件的砂型鑄造，我們認為其澆注系統合理的型式應是：在階梯式進液的基礎上再結合分層處理為Z好。這樣可使鑄件型腔建立上高下低的良性溫度場和理想的凝固條件，達到獲得致密鑄件的目的。

對于較小型、或其澆注位置高度較小的大型球鐵件，單組澆注系統的分層進液型式。  其冒口澆注的“高溫”鐵液既可對鑄件的液態冷卻收縮進行有效地補縮，又可簡化澆冒系統的設計，尤其是可減小冒口的設計，從而提高鑄件的工藝出品率；對于大型球墨鑄鐵件，兩組澆注系統的分層進液型式；對于特大型球墨鑄鐵件，三組澆注系統的分層進液型式。其冒口部分可獲得溫度較高的“高溫”鐵液以便對鑄件的液態冷卻收縮進行有效補縮；對于重大型球墨鑄鐵件，四組澆注系統的分層進液型式。其冒口部分的鐵液由冒口系統作為“澆注系統”澆注至冒口的Z高面，可獲得良好的“高溫”鐵液對鑄件的液態冷卻收縮進行有效補縮。

2.2 有效澆注時間的合理確定

絕大多數所介紹的鑄件澆注時間， 均指的是液態金屬從開始進入型腔到完全充滿型腔所經過的時間。 絕大多數工廠均仍沿用這種傳統的澆注時間理論指導鑄件澆注時間的確定。對于大型球墨鑄鐵件，我們認為采用鑄件的有效澆注時間新理論來指導其澆注系統的設計較為合理。 鑄件的有效澆注時間指的是金屬液開始進入型腔至充滿鑄件Z高輪廓為止的時間。

2.3 澆注系統Z小截面積的確定

絕大多數工廠采用的是水力學的理論公式，但生產實踐普遍反映該公式計算得出的澆注系統Z小截面積偏小， 有主張采用大流量原則。對于大型球墨鑄鐵件，我們認為采用公式其澆注系統Z小截面積的設計較為合理。 

2.4 澆注系統各組元截面比的優化設計

由于大型球墨鑄鐵件的鐵液澆注量大，易產生氧化夾渣物， 若鐵液充填鑄型時不平穩或斷流，就更易產生氧化夾渣及氣孔等缺陷。澆注系統必須除具有平穩及較快地充填功能外，還應具有良好的擋渣效果。其每組澆注系統應優先采用半封閉式澆注系統為宜。

3 過濾技術的適宜應用

由于大型球墨鑄鐵件的鐵液澆注量大，澆注時間長，鐵液中的熔渣和球化處理的氧化夾雜物進入型腔的幾率大；而鐵液帶入的氣體增加了鐵液的含氣量，熔渣使氣泡的外來核心增加，并可提高鐵水粘度而增加氣體外逸阻力，從而易使鑄件產生氣孔。要有效克服大型球墨鑄鐵件的夾渣及其相關的氣孔缺陷，應當合理地在其澆注系統中適宜地應用過濾技術和措施。

其措施主要是在澆注系統的適當位置設置鑄造纖維過濾網或泡沫陶瓷濾網；有的工廠還采用了鑄造纖維過濾網和泡沫陶瓷濾網疊加的過濾工藝措施。 

4 冷鐵的適宜應用

球墨鑄鐵的糊狀疑固特性及其獨特的收縮行為，使其與灰鑄鐵有很大的不同，更有別于其它鑄造合金。 因此，為獲得高致密度的球墨鑄鐵件，在造型工藝方面通常要很好地配合冷鐵工藝措施，尤其對于材質為高致密度要求的大型球墨鑄鐵件來說，應較大量地、較適宜地應用冷鐵工藝措施。 其冷鐵的厚度尺寸通常是所設置的鑄件位置處。

5 冒口系統的合理設計

由于大型球墨鑄鐵件的鐵液澆注量大， 鐵液的液態冷卻收縮量及其需要補縮的量也相應較大，故其冒口系統應當優先選用其自適應力強及其補縮力強的壓邊冒口或其壓邊冒口與縮頸冒口的結合型式為宜。

6 澆注工藝的合理確定

澆注溫度取 決于鑄件壁 之厚薄和結構復雜程度，要獲得致密組織鑄件，應盡可能縮短鐵水在鑄型中凝固時間，減輕內部枝晶間疏松，應當采用較低的澆注溫度， 但有資料指出球墨鑄鐵件的澆注溫度在1300℃以下時鑄件易產生夾渣缺陷。 要克服大型球墨鑄鐵件產生變形以及裂紋的鑄造缺陷，還應合理設計澆冒系統-使鑄件的“溫度場”分布均勻，溫差盡可能小，使鑄件達到較為均勻冷卻狀態，以及確定出鑄件的較長的冷卻時間。