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沖床球墨鑄鐵圓盤(pán)鑄件的鑄造工藝設(shè)計(jì)及模擬驗(yàn)證

發(fā)布時(shí)間：2022-05-12

作者：鑄造工程

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編輯導(dǎo)語(yǔ)：介紹了高速?zèng)_床球墨鑄鐵圓盤(pán)鑄件的化學(xué)成分、造型工藝、澆注系統(tǒng)與冷鐵、球化與孕育處理、熔煉澆注等工藝方案。采用AnyCasting軟件對(duì)充型和凝固過(guò)程的進(jìn)行了模擬分析。通過(guò)生產(chǎn)驗(yàn)證獲得了金相組織和力學(xué)性能滿(mǎn)足要求的鑄件。分析認(rèn)為，對(duì)于沖床類(lèi)鑄件化學(xué)成分應(yīng)控制碳當(dāng)量4.0%~4.2%、硅2.1%~2.3%、錳≤0.5%，殘余鎂含量0.035%~0.055%，稀土0.01%~0.02%;采用多次孕育，選取釔基重稀土球化劑，縮短凝固時(shí)間;采用底注多內(nèi)澆道分散設(shè)置，保證鐵液充型平穩(wěn)，冷鐵加強(qiáng)關(guān)鍵部位冷卻，減少縮松缺陷，提高鑄件的組織致密度和力學(xué)性能。


圓盤(pán)鑄件是高速?zèng)_床至關(guān)重要的部件，高速?zèng)_床的主體由飛輪圓盤(pán)組成，其周面上設(shè)有若干方槽，主要起減重作用，圓盤(pán)底部設(shè)有6個(gè)工藝孔，與筋板連接處為圓弧段，為了確保沖床沖壓力度始終均勻，延長(zhǎng)其使用壽命，圓盤(pán)不能變形。









1 鑄件工藝分析









圓盤(pán)毛坯質(zhì)量38 000 kg，三維結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖1所示，鑄件總高度1 700 mm，圓盤(pán)外徑4 800 mm，最大尺寸5 820 mm，主要壁厚為220 mm，軸承座孔根部壁厚最大，屬于熱節(jié)區(qū)域。

圓盤(pán)材質(zhì)為QT500-7，單鑄試棒要求力學(xué)性能為抗拉強(qiáng)度大于420 MPa，屈服強(qiáng)度大于320 MPa，斷后伸長(zhǎng)率大于5%。

鑄件下表面有一圈螺紋孔，與蓋配合，要求孔內(nèi)無(wú)疏松缺陷。因鑄件空腔面積大，鑄造工藝?yán)щy。


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圖1 圓盤(pán)零件三維圖


球墨鑄鐵具有較大的氧化傾向，為保證鐵液充型平穩(wěn)防止湍流、減少夾渣和氣孔等缺陷，大型鑄件一般采用底注式、半封閉式澆注系統(tǒng)，另外圓盤(pán)鑄件模數(shù)較大，理論上通過(guò)保證樹(shù)脂砂砂型強(qiáng)度、加強(qiáng)鐵液隨流孕育等措施，可達(dá)到無(wú)冒口鑄造。








2 鑄造工藝方案









2.1 化學(xué)成分

根據(jù)碳當(dāng)量CE決定C和Si的含量，一般來(lái)說(shuō)選擇C含量為3.5%左右。

P是正偏析元素，又是促進(jìn)碳化物形成元素，含量應(yīng)盡可能低，要求P≤0.02%。

不同的S含量，所需的Mg殘量是不同的，只有低的S含量才能保證在較低的

Mg殘含量(0.035%~0.055%)下獲得2級(jí)以上的球化效果，一定要保證原鐵液的S<0.015%，最好控制在0.01%以下。


微量元素可分為3類(lèi)：


消耗Mg類(lèi)，如Ti、S、O、Te、Se等元素。消耗Mg或在石墨球長(zhǎng)大過(guò)程中直接干擾Mg的球化作用;

正偏析碳化物形成元素，如Mn、Cr、Mo、V、P等。

對(duì)于大斷面球墨鑄鐵來(lái)說(shuō)，加入微量干擾元素(如Sb、Bi等)，不但對(duì)球化沒(méi)有影響，還能增加石墨球數(shù)和球化率，消除碎塊狀石墨，一般加入量控制在0.005%~0.01%，因超過(guò)此含量，則其破壞球化的作用又表現(xiàn)出來(lái)。

具體工藝設(shè)計(jì)的化學(xué)成分如表1所示：


表1 化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)

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2.2 造型工藝


采用呋喃樹(shù)脂砂，三箱造型，分型方式如圖2所示。澆冒口系統(tǒng)工藝設(shè)計(jì)示意圖見(jiàn)圖3。


圖片

圖2 圓盤(pán)分型面設(shè)計(jì)


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圖3 圓盤(pán)鑄造工藝示意圖


2.2.1 澆注位置


為保證圓盤(pán)底面的材料致密性，同時(shí)使得鐵液充型平穩(wěn)，減少?zèng)_砂風(fēng)險(xiǎn)，將底面置于下箱，金屬液通過(guò)內(nèi)澆道從圓盤(pán)底面注入。為減少澆注系統(tǒng)與砂型的碰撞，使用隨型橫澆道。


2.2.2 冷鐵工藝


大模數(shù)球墨鑄鐵的凝固時(shí)間長(zhǎng)，常會(huì)降低石墨球化率，或?qū)е率?、石墨漂浮、石墨粗大等缺陷，故需采用冷鐵縮短其凝固時(shí)間。圓盤(pán)熱節(jié)主要集中在底部，如圖3所示，由于結(jié)構(gòu)限制，不適合放置冒口，于是在工藝設(shè)計(jì)時(shí)，以冷鐵為主，針對(duì)厚大斷面球墨鑄鐵件的鑄造，冷鐵的使用非常關(guān)鍵，不僅可以加強(qiáng)冷鐵附近區(qū)域鑄件的冷卻，改善金相組織，防止石墨衰退，另外在充型時(shí)，不斷降低相接觸鐵液的溫度，讓鐵液的液態(tài)收縮提前，從而得到澆注系統(tǒng)的及時(shí)補(bǔ)縮，盡量減小鑄件在澆注系統(tǒng)凝固后的收縮量。


2.2.3 澆注系統(tǒng)


采用球墨鑄鐵大件工藝設(shè)計(jì)原則，澆注鐵液的質(zhì)量約為40 000 kg，最終選取的澆注系統(tǒng)各單元截面比例約為A直：A橫：A內(nèi)=1：1.2：0.8，用以保證鐵液大流量、平穩(wěn)。


2.3 熔煉工藝


2.3.1 球化處理


厚大斷面球墨鑄鐵件，因其球化衰退導(dǎo)致產(chǎn)生石墨畸變及碎塊狀石墨，數(shù)據(jù)表明Mg殘含量提高至0.05%~0.07%，結(jié)果并不理想，Mg殘含量的增加反而使球墨鑄鐵的縮松與夾渣廢品顯著上升。因此，厚大斷面球墨鑄鐵最后凝固的球化衰退不能用Mg的逃逸衰退來(lái)解釋?zhuān)渲饕蚴桥c球墨鑄鐵中的S含量有關(guān)，S含量越高球化衰退越快，反之越慢，因此將S含量控制在較低水平是抗球化衰退的重要措施，在保持一定的Mg殘含量的情況下，將球化后S含量控制在0.006%~0.01%。

對(duì)于圓盤(pán)鑄件，采用沖入法球化。球化劑選用釔基重稀土球化劑，主要元素及加入量見(jiàn)表2所示。


表2 球化劑的化學(xué)元素含量及加入量

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2.3.2 孕育處理


厚大斷面球墨鑄鐵件的多次孕育與中小球墨鑄鐵件孕育有3點(diǎn)不同：一是出鐵孕育時(shí)孕育量大;二是澆包是20~60 t的大包，孕育后難以攪拌;三是澆注時(shí)由于鐵液量多達(dá)幾十噸，隨流孕育難度大。

孕育是防止厚大斷面球墨鑄鐵石墨畸變、出現(xiàn)碎塊狀石墨的有效措施。孕育時(shí)需要注意兩個(gè)問(wèn)題：一是原鐵液中S的含量不能過(guò)低，應(yīng)大于0.006%，鐵液中O的含量不能過(guò)低，應(yīng)大于0.001%，否則影響孕育效果;二是控制Si總的含量不可過(guò)高，因?yàn)榍蚧瘎┲械腟i含量一般為45%左右，孕育劑中的Si含量大于70%。

采用多次孕育處理，選用含Ba高效投擲孕育劑和長(zhǎng)效隨流孕育劑，主要元素及加入量見(jiàn)表3所示。


表3 孕育劑的化學(xué)元素含量及加入量

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2.3.3 熔煉澆注


低溫澆注能縮短厚大球墨鑄鐵件凝固時(shí)間，改善其石墨形態(tài)，在實(shí)際生產(chǎn)中，為了獲得低的澆注溫度而又不至于加長(zhǎng)鐵液保持時(shí)間引起孕育衰退，采用倒包等措施使鐵液快速降溫。

圓盤(pán)的熔煉溫度控制在1 500~1 550 ℃，過(guò)熱靜置5~8 min，凈化鐵液，出爐溫度控制在1 430~1 460 ℃，為縮短凝固時(shí)間，同時(shí)減小液態(tài)收縮，可適當(dāng)降低澆注溫度，但過(guò)低的澆注溫度不利于鐵液中的夾渣和氣體等上浮，甚至形成冷隔，因此綜合考慮將澆注溫度定為1 300~1 330 ℃。










3 鑄造工藝模擬









采用AnyCasting軟件對(duì)鑄造工藝進(jìn)行充型和凝固過(guò)程的模擬，模擬結(jié)果顯示鐵液進(jìn)入型腔后，充型無(wú)較明顯飛濺，較為平穩(wěn);充型40%時(shí)，鑄件內(nèi)鐵液平均速度為51 cm/s，趨于平穩(wěn)，無(wú)沖砂風(fēng)險(xiǎn);充型結(jié)束時(shí)，氧化夾雜風(fēng)險(xiǎn)降低;鐵液溫度下降50 ℃，溫差較小，無(wú)冷隔風(fēng)險(xiǎn)。


3.1 充型順序模擬


圖4為充型順序的仿真結(jié)果，從圖中可以看出，金屬液充填12 s時(shí)，內(nèi)澆道進(jìn)水口處存在孤立液相島，有噴濺傾向，此處與內(nèi)澆道末端時(shí)間相差24 s，較為安全。充型43 s時(shí)，鐵液到達(dá)型腔各位置時(shí)間較為均勻，充型平穩(wěn)。

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(a)金屬液充填12s時(shí)的模擬結(jié)果      (b)金屬液填充43s時(shí)的模擬結(jié)果

圖4 充型順序模擬結(jié)果


3.2 充型速度場(chǎng)


圖5為充型速度場(chǎng)的仿真結(jié)果，從圖中可以看出，充型14%時(shí)，內(nèi)澆道進(jìn)水口處速度160 cm/s，速度適中，充型40%時(shí)，鑄件內(nèi)平均速度為51 cm/s，速度趨于平穩(wěn)，無(wú)沖砂風(fēng)險(xiǎn)。


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(a)充型14%時(shí)的速度場(chǎng)        (b)充型40%時(shí)的速度場(chǎng)

圖5 充型速度場(chǎng)模擬結(jié)果


3.3 充型過(guò)程—氧化物模擬


圖6為充型過(guò)程中氧化物的仿真結(jié)果，從圖中可以看出，充型17%時(shí)，軸承座孔工藝臺(tái)氧化物含量4.2 g/cm3，存在氧化夾雜風(fēng)險(xiǎn)，充型結(jié)束時(shí)，鑄件上表面氧化物含量3.58 g/cm3，氧化夾雜風(fēng)險(xiǎn)降低。


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(a)充型17%時(shí)的氧化物               (b)充型100%時(shí)的氧化物

圖6 充型過(guò)程中氧化物的模擬結(jié)果


3.4 充型溫度場(chǎng)


圖7為充型溫度場(chǎng)的仿真結(jié)果，從圖中可以看出，充型至26%時(shí)鐵液溫度下降30 ℃，充型結(jié)束時(shí)鐵液溫度下降50 ℃，溫差較小，無(wú)冷隔風(fēng)險(xiǎn)。


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(a)充型26%時(shí)的溫度場(chǎng)                 (b)充型100%時(shí)的溫度場(chǎng)

圖7 充型溫度場(chǎng)的模擬結(jié)果









4 生產(chǎn)驗(yàn)證









按照上述工藝過(guò)程進(jìn)行試制，獲得鑄件的化學(xué)成分、力學(xué)性能和組織的檢測(cè)結(jié)果見(jiàn)表4、表5和圖8。


表3 鑄件的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)

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表4 圓盤(pán)附鑄試樣的組織和力學(xué)性能

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(a)腐蝕前金相


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(b)腐蝕后金相

圖8 圓盤(pán)附鑄試樣的金相組織(100×)


試驗(yàn)結(jié)果顯示，附鑄試塊性能達(dá)到技術(shù)要求，首件經(jīng)機(jī)加工驗(yàn)證無(wú)缺陷，鑄件成品如圖9所示，并通過(guò)工藝過(guò)程評(píng)定后，最終對(duì)其鑄造工藝進(jìn)行固化。


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(a)鑄件側(cè)面照片(維修窗方向)


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(b)鑄件底面照片

圖9 鑄件成品照片









5 結(jié)語(yǔ)









(1)對(duì)于沖床球墨鑄鐵圓盤(pán)鑄件，合適的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù))為碳當(dāng)量4.0%~4.2%、硅2.1%~2.3%、錳≤0.5%，殘余鎂含量控制在0.035%~0.055%，稀土元素控制在0.01%~0.02%。

(2)采用多次孕育，選取釔基重稀土球化劑，出爐溫度控制在1 430~1 460 ℃，縮短凝固時(shí)間，可以改善石墨球分布及形態(tài)。

(3)針對(duì)大型球墨鑄鐵件，盡量采用底注多內(nèi)澆道分散設(shè)置，保證鐵液充型平穩(wěn)，冷鐵加強(qiáng)關(guān)鍵部位冷卻，消除或減輕縮松缺陷，提高鑄件的組織致密度和力學(xué)性能。


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