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沖床球墨鑄鐵圓盤鑄件的鑄造工藝設(shè)計及模擬驗證

發(fā)布時間：2022-05-12

作者：鑄造工程

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編輯導(dǎo)語：介紹了高速沖床球墨鑄鐵圓盤鑄件的化學(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軟件對充型和凝固過程的進行了模擬分析。通過生產(chǎn)驗證獲得了金相組織和力學(xué)性能滿足要求的鑄件。分析認(rèn)為，對于沖床類鑄件化學(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。


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









1 鑄件工藝分析









圓盤毛坯質(zhì)量38 000 kg，三維結(jié)構(gòu)見圖1所示，鑄件總高度1 700 mm，圓盤外徑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。

圓盤材質(zhì)為QT500-7，單鑄試棒要求力學(xué)性能為抗拉強度大于420 MPa，屈服強度大于320 MPa，斷后伸長率大于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)，另外圓盤鑄件模數(shù)較大，理論上通過保證樹脂砂砂型強度、加強鐵液隨流孕育等措施，可達到無冒口鑄造。








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，一般來說選擇C含量為3.5%左右。

P是正偏析元素，又是促進碳化物形成元素，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：


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

正偏析碳化物形成元素，如Mn、Cr、Mo、V、P等。

對于大斷面球墨鑄鐵來說，加入微量干擾元素(如Sb、Bi等)，不但對球化沒有影響，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%，因超過此含量，則其破壞球化的作用又表現(xiàn)出來。

具體工藝設(shè)計的化學(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)計示意圖見圖3。


圖片

圖2 圓盤分型面設(shè)計


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圖3 圓盤鑄造工藝示意圖


2.2.1 澆注位置


為保證圓盤底面的材料致密性，同時使得鐵液充型平穩(wěn)，減少沖砂風(fēng)險，將底面置于下箱，金屬液通過內(nèi)澆道從圓盤底面注入。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)球墨鑄鐵的凝固時間長，常會降低石墨球化率，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間。圓盤熱節(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)計時，以冷鐵為主，針對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，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)的及時補縮，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的逃逸衰退來解釋，其主要原因是與球墨鑄鐵中的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%。

對于圓盤鑄件，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點不同：一是出鐵孕育時孕育量大;二是澆包是20~60 t的大包，孕育后難以攪拌;三是澆注時由于鐵液量多達幾十噸，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。孕育時需要注意兩個問題：一是原鐵液中S的含量不能過低，應(yīng)大于0.006%，鐵液中O的含量不能過低，應(yīng)大于0.001%，否則影響孕育效果;二是控制Si總的含量不可過高，因為球化劑中的Si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效隨流孕育劑，主要元素及加入量見表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間，改善其石墨形態(tài)，在實際生產(chǎn)中，為了獲得低的澆注溫度而又不至于加長鐵液保持時間引起孕育衰退，采用倒包等措施使鐵液快速降溫。

圓盤的熔煉溫度控制在1 500~1 550 ℃，過熱靜置5~8 min，凈化鐵液，出爐溫度控制在1 430~1 460 ℃，為縮短凝固時間，同時減小液態(tài)收縮，可適當(dāng)降低澆注溫度，但過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軟件對鑄造工藝進行充型和凝固過程的模擬，模擬結(jié)果顯示鐵液進入型腔后，充型無較明顯飛濺，較為平穩(wěn);充型40%時，鑄件內(nèi)鐵液平均速度為51 cm/s，趨于平穩(wěn)，無沖砂風(fēng)險;充型結(jié)束時，氧化夾雜風(fēng)險降低;鐵液溫度下降50 ℃，溫差較小，無冷隔風(fēng)險。


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，內(nèi)澆道進水口處存在孤立液相島，有噴濺傾向，此處與內(nèi)澆道末端時間相差24 s，較為安全。充型43 s時，鐵液到達型腔各位置時間較為均勻，充型平穩(wěn)。

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

圖4 充型順序模擬結(jié)果


3.2 充型速度場


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


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(a)充型14%時的速度場        (b)充型40%時的速度場

圖5 充型速度場模擬結(jié)果


3.3 充型過程—氧化物模擬


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


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(a)充型17%時的氧化物               (b)充型100%時的氧化物

圖6 充型過程中氧化物的模擬結(jié)果


3.4 充型溫度場


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


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(a)充型26%時的溫度場                 (b)充型100%時的溫度場

圖7 充型溫度場的模擬結(jié)果









4 生產(chǎn)驗證









按照上述工藝過程進行試制，獲得鑄件的化學(xué)成分、力學(xué)性能和組織的檢測結(jié)果見表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 圓盤附鑄試樣的金相組織(100×)


試驗結(jié)果顯示，附鑄試塊性能達到技術(shù)要求，首件經(jīng)機加工驗證無缺陷，鑄件成品如圖9所示，并通過工藝過程評定后，最終對其鑄造工藝進行固化。


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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









(1)對于沖床球墨鑄鐵圓盤鑄件，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 ℃，縮短凝固時間，可以改善石墨球分布及形態(tài)。

(3)針對大型球墨鑄鐵件，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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