高强度厚大断面球铁模具的铸造.pdf

《大型铸锻件》 HEAVY CA nNG AND FORGING No．4 July 2010 高强度厚大断面球铁模具的铸造 苏文生孙鑫志姜士平 (沈阳铸锻工业有限公司，辽宁110027) 摘要：介绍了高强度厚大断面球墨铸铁模具的生产工艺。采用无冒口铸造技术，合理选择并严格控制化学 成分和工艺参数，成功地生产出合格的铸件。铸件品质达到同类产品国际先进水平。 关键词：高强度球墨铸铁；模具；无冒口铸造 中图分类号：TG242 文献标识码：B The Casting Process of Thick Section Ductile Iron Mould with High Strength Su Wensheng，Sun Xinzhi，Jiang Shiping Abstract：This has introduced the casting process of thick section ductile iron mould with hi．gh strength．Through reasonable selecting and strict controlling the chemical composition and process parameters，the acceptable mould cast— ings has been successfully produced without riser．The casting quality achieves international advanced level of like products． Key words：ductile iron with hi【gh strength；mould；casting without riser 我公司为上海宝钢公司生产的UOE42球墨 铸铁模具铸件结构如图1，铸件浇注重量11 t，材 质为QTT00-2。模具工作环境恶劣，在工作过程 中承受高压、高温、热疲劳冲击，要求模具有较高 的强度、一定的冲击值和较好的耐磨性能，铸件内 外表面全加工。模具铸件的壁厚为270 mm，属于 厚大断面球铁铸件。如此厚大的断面尺寸，铁液 充型后凝固过程中易导致石墨尺寸变大，出现石 墨数量减少，产生石墨畸变，成分偏析严重等缺 陷。国内一些铸造厂家生产该模具的废品率高达 30％以上，产生废品的主要原因是石墨畸变、缩松 和力学性能达不到要求。为了确保模具运行的可 靠性，采取模具附铸试块来检验性能，不允许有影 响强度的缩孑L、缩松、裂纹、砂眼等缺陷。 1 UOE42模具生产难点分析 1．1 UOE42模具的金相组织和力学性能要求见 表1。 图1模具铸件简图 Figure l The sketch of mould castings 收稿日期：2O1O—05—25 作者简介：苏文生(1965一)，男，助理工程师，主要从事铸铁工艺 研究与设计工作。 表1模具的金相组织和力学性能要求 Table 1 The requirement of the microstructure and mechanical properties of mould 球化 珠光体量 渗碳体+ R A HBW 分级 (％) 磷共晶(％) ／MPa (％) l～4 ≥90 ≤3 ≥700 ≥2 ≥280 1．2 UOFA2模具的生产难点主要集中在以下几 方面： (1)如何确保如此厚大断面的铸件凝固中石 墨不发生畸变； (2)铸件要进行100％超声波探伤，必须消除 铸件的内部缩松、夹渣、气孔等缺陷； (3)如何保证在铸态下获得珠光体基体50％ 以上，使材料热处理后有足够的抗拉强度和延伸 率； (4)采取最优的合金化处理方案，使生产的 成本最低。 2厚大断面球铁模具的质量控制技术 2．1熔炼工艺的控制 2．1．1原材料的选择 (1)生铁：生产厚大断面球铁，选择高纯度的 原材料是非常必要的，因为很多微量元素对球化 衰退最为敏感，如钨、锑、钛、钒等。钛对球化影响 很大，应加以控制。优先选用QlO、Q12专用球铁 生铁，原材料中Mn、P、S含量要低，Mn13 mm。 35 No．4 July 2010 《大型铸锻件》 HEAVY CASTING AND F0RGINe (3)球化剂：钇基重稀土球化剂ZY．3B，块度 30 mm一50 mm。 (4)脱硫剂：工业纯碱Na CO，粉，加入量 0．3％一0．5％。原铁液含硫量决定球化剂的加入 量，冲天炉熔炼原铁液的含硫量控制在0．08％以 下。原铁液硫含量高时，球化处理前必须进行脱 硫处理。 (5)孕育剂：使用长效孕育剂，采取多级孕育 处理。 2．1．2合金化处理 为了确保UOE42球铁模具性能合格，一些公 司加Mo、Cu进行合金化处理，这样就增加了生产 成本。经过试验，我公司实现了以Cu代替昂贵 的金属Mo进行合金化处理，既保证了质量又降 低了生产成本。 2．2炉料配比 生铁加入量80％～90％，废钢加人量10％～ 20％，硅铁0．4％一0．5％，铜0．7％。 2．3化学成分 根据以上分析，最终确定化学成分(质量分 数，％)为：C 3．5～3．8；Si I．7～2．I；Mn<0．30；P <0．06；S<0．02；1Re 0．01—0．04；Mg 0．03～0． 06；Cu 0．4—0．7。 2．4铁液的熔炼与炉前检测 2．4。1采用熔炼炉类型 使用一台10 t／h两排大间距冲天炉熔炼，熔 化率10 t／h，硫增加100％。采用冲天炉铁液先脱 硫后进入电炉调整温度和成分是我厂的成熟工 艺，但是操作复杂。通过严格选择原材料和认真 操作，采取冲天炉铁液一次处理球铁，同样也达到 了非常满意的效果。 2．4．2炉前检测 炉前采用快速分析仪、三角试块等综合检测 成分及球化情况。要求模具原铁液三角试块白口 宽度为12 mm，球化处理后三角试块白口宽度为 36 7 mm～9 mmo 2．5球化处理与孕育处理 生产厚大断面球墨铸铁时，为了提高抗衰退 能力，选择钇基重稀土球化剂进行球化处理。钇 的球化能力仅次于镁，但其抗衰退能力比镁强得 多，且不回硫，钇可以过量加入。另外，钇与磷可 以形成高熔点的夹杂物，使磷共晶减少并弥散，从 而进一步提高球铁性能。 采用冲入法进行球化处理，稀土镁合金加人 量为出铁重量的1．5％～2．0％。球化剂在包底 分两层，中间用球铁屑隔开，防止球化剂反应过 快。捣实之后上部覆盖一层10 mm一30ram厚的 球铁屑，包底的另一侧放Na CO，0．3％一0．5％。 一次出铁，球化剂最好在出铁即将结束时反应结 束。球化剂反应要平稳，反应太快、太慢都将影响 合金的吸收。出铁时在出铁槽内加入0．3％一 0．5％FeSi75进行孕育处理，出铁后要及时扒渣。 孕育处理是球铁生产的关键，孕育效果决定 了石墨球的直径、石墨球数和石墨球的圆整度。 为了保证孕育效果，孕育处理采用多级孕育，孕育 剂总的加入量控制在0．6％～1．0％，随流孕育使 用高效复合孕育剂，粒度1 lnm一3 mm，加入量 0．1％～0．2％。 2．6浇注工艺控制 浇注温度取1 270～1 310oC，温度不合格采 取倒包降温，浇注应采用快速、平稳注入的原则。 为了防止熔渣进入型腔，采用特制的设有过滤网 的浇口箱，浇注时将高效复合孕育剂随铁液流均 匀加入水口箱中。 3 UOE42球铁模具铸造工艺的控制 3．1造型 UOE42模具的铸造工艺如图2。采用冷硬呋 喃树脂砂造型、制芯，砂箱吃砂量的设计要合理， 同时型、芯的紧实度要高。 图2铸造工艺简图 Figure 2 The sketch of casting process 《大型铸锻件》 HEAVY CASTING AND F0RGING NO．4 July 2010 3．2浇注系统 由于采用呋喃树脂砂，其发气量大，浇注系统 设计的原则是①铁液大流量快速平稳充满铸型； ②浇注系统有撇渣功能；③具有较高的压力头。 浇注系统由浇口箱、一个直浇口、三组横浇 口、三组内浇口组成。直、横、内浇口全部由陶瓷 管制作，根据该铸件的特点浇注系统采用阶梯浇 注系统，内浇口分别由上、中、下三层引入，实现多 股、快速充填。浇注系统各单元比取∑F直：XF横： ∑F内=1．5：2：1。 3．3 冒口、冷铁的设计 设计原则：强化对铸件液态收缩的补给能力， 5检测结果 5．1 2。 5．2 5．3 ＼ 时间／h 在厚大断面处放置外冷铁来调节温度场加速铁液 凝固，对凝固时间加以控制。充分利用石墨化膨 胀作用来实现自补缩。冷铁厚度取(0．5～0．6) ，6为铸件壁厚。 铸件顶面均布8个出气冒口。 4球铁UEo42模具的热处理工艺 模具热处理工艺见图3。模具精加工之前进 行热处理，因热处理不当而导致模具力学性能不 合格允许重新热处理，一般热处理次数不能超过 三次。 图3模具热处理曲线 Figure 3 The heat treatment process CHIve of mould 生产l6件模具的金相组织和力学性能见表 超声波探伤检测结果符合交货要求。 金相组织见图4。 表2 UOE42模具铸件的金相组织和力学性能 Table 2 The microstructure and mechanical properties of UoF42 mould casting 球化 珠光体量 渗碳体+ 编号 R ／MPa A(％) HBW 分级 (％) 磷共晶(％) 42—1 3 98 ≤l 850 3 298 42—2 2 98 ≤1 838 4．5 290 42—3 3 98 ≤l 836 3 289 42—4 2 98 ≤1 890 4 301 42—5 2 98 ≤1 900 3 31l 42—6 2 98 ≤l 832 3．5 307 6结论 铸件检验结果表明，整套工艺方案是合理的。 化学成分、力学性能和金相组织都达到了要求，经 超声波无损探伤检验，内部组织致密无缺陷。截 止目前，共生产1 6件，合格率达1 00％。铸件品 图4模具显微组织 Figure 4 The mierostructure of mould 质达到同类产品国际先进水平。此件的铸造成功 为公司生产球墨铸铁件积累了宝贵的实践经验。 参考文献 [1]王文清，李魁盛．铸造工艺学[M]．北京：机械工业出版社， 1998． [2]中国机械工程学会铸造分会．铸造手册[M]．2版．北京：机 械工业出版社，2007． [3]卡赛．球墨铸铁浇口和冒口[M]．白天申，译．北京：清华大 学出版社，1983． [4]陆文华．铸铁及其熔炼[M]．北京：机械工业出版社，1988． 编辑龙礼建 37