楊群收,康晉輝
1.河南省鑄鍛工業(yè)協(xié)會 河南鄭州 463000
2.駐馬店技師學(xué)院 河南駐馬店 463000
有些企業(yè)為了防止鑄件出現(xiàn)冷隔,單純提高出爐溫度,而產(chǎn)生冷隔的原因不僅是澆注溫度問題,還與鐵液的化學(xué)成分、澆注技術(shù)也有著密不可分的關(guān)系。在保證鑄件物理性能的要求下,使材質(zhì)的碳當量CE盡可能地靠近共晶點,通常把澆注溫度控制在材質(zhì)熔化溫度以上60~100℃即可,在此溫度的基礎(chǔ)上,根據(jù)鑄件的大小、厚薄、幾何形狀的復(fù)雜程度,以及季節(jié)氣溫的不同,加上出爐、球化處理、轉(zhuǎn)運過程的降溫、澆注過程的降溫,再確定合理的出爐溫度。另外,澆注工人也要據(jù)此而控制澆注速度及調(diào)整澆包距離澆口杯的位置,澆注速度通常是“慢、快、慢”,開始的“慢”是為了使包嘴對準澆口杯,以防澆到鑄型外邊;中間的“快”是為了讓鐵液迅速充滿鑄型;后期的“慢”是為了使鑄型內(nèi)的金屬液,由動壓力逐步變成靜壓力,以減少鑄件產(chǎn)生縮松。建議在生產(chǎn)過程中,采取綜合措施,防止鑄件出現(xiàn)冷隔缺陷。
冷隔是在鑄件上構(gòu)成未能真正熔合為一體、大小不一及不規(guī)則的空洞、凹坑和縫隙,縫隙穿透或不穿透鑄件壁(見圖1),它們的交界處一般是光滑的圓角。冷隔常產(chǎn)生在鑄件的上表面或遠離內(nèi)澆口的薄壁處。
圖1 冷隔形態(tài)
冷隔缺陷的產(chǎn)生與鐵液的流動性有直接關(guān)系,鐵液從澆注到凝固之前,其流動性經(jīng)歷了三個階段:純液態(tài)流動性;結(jié)晶態(tài)流動性;鐵液前段結(jié)殼合攏。
對于產(chǎn)生冷隔機理的研究,其實就是對影響鐵液流動性諸因素的分析研究。盡管影響鐵液流動性的因素很多,但是歸納起來主要有以下幾方面。
(1)化學(xué)成分和澆注溫度的影響 鐵液的化學(xué)成分及澆注溫度均可影響到鐵液的流動性,圖2為 鐵-碳相圖,圖3為鐵液碳含量與流動性的關(guān)系。
圖2 鐵-碳相圖
澆注溫度越高,鐵液的含熱量越多,流動性就越好。為了比較不同化學(xué)成分鐵液的流動性,我們假設(shè)各種成分的鐵液都取相同的澆注溫度。
圖2表明,對碳含量(質(zhì)量分數(shù))大于、等于或小于4.3%的鑄鐵,都采用相同的澆注溫度(1400℃)下的狀態(tài)。從圖3可以看出,含碳量越接近共晶成分,純液態(tài)流動距離(時間)越長,液的流動性越好。這是因為碳當量(CE)越接近共晶成分,鐵液開始結(jié)晶凝固點越低,雖然澆注溫度相同,但是因為越接近共晶成分的鐵液過熱度越高,延長了鐵液流動時間,因此流動性就好,從而可以得出如下結(jié)論。
圖3 鐵液碳含量與流動性的關(guān)系
1)在相同的澆注溫度下,由于接近共晶成分鐵液的過熱度相對高,所以流動性好;反之,當鐵液成分遠離共晶成分時,流動性就變差。
2)提高鐵液過熱度是改善流動性的重要措施。
我們知道,鐵液流動性是純液態(tài)流動與結(jié)晶態(tài)流動之和,在相同過熱度時,各種成分鐵液的純液態(tài)流動性基本相同,而在結(jié)晶態(tài)下流動性卻有很大的差別,這是因為不同成分鑄鐵的結(jié)晶特點不同。共晶成分鐵液是在一定的凝固溫度下結(jié)晶,冷卻凝固過程是有表向里逐層凝固的,已凝固的硬殼表面光滑,還未凝固的鐵液在硬殼內(nèi)流動時阻力小,結(jié)晶態(tài)下流動距離長,因此共晶成分鐵液的流動性好。而其他成分鑄鐵的凝固,是在一個溫度范圍內(nèi)進行的(液相線與固相線的溫度距離),即存在開始凝固溫度與凝固終了溫度,有一個液態(tài)和固態(tài)并存的區(qū)域。這個凝固溫度區(qū)域越大,即這個液相+固相并存區(qū)域就越大,在這種狀態(tài)下,金屬液內(nèi)先生成的樹枝狀結(jié)晶粒,把鐵液隔成許多小熔池,鐵液流經(jīng)迂回曲折,流動阻力較大,因此鐵液在液相+固相并存區(qū)域內(nèi)結(jié)晶的流動性差。
從以上分析得出,共晶成分鐵液由于有一定凝固溫度,逐層凝固,也就是說鐵液在“凝固-流動-結(jié)晶-流動-凝固”的過程中道路暢通,所以在結(jié)晶態(tài)下的流動性能力強,流動性好;而具有凝固溫度范圍的鐵液,在結(jié)晶態(tài)下的流動性有阻力,所以流動性差。這就是化學(xué)成分與澆注溫度對鐵液流動性的綜合影響。
(2)砂型的特點和澆注條件對鐵液流動性的影響 砂型的特點對流動性的影響,主要表現(xiàn)在砂型的阻力和導(dǎo)熱能力方面。
1)砂型阻力:砂型幾何形狀的不同,對鐵液流動的暢通影響就不同,如斷面的大小、厚薄、幾何形狀的復(fù)雜程度等。
2)導(dǎo)熱性能:要求砂型發(fā)氣量少、透氣性好。加入導(dǎo)熱性能好的附加物(如煤粉、焦炭粉等物),來均勻內(nèi)外層的受熱作用,從而提高其熱體積穩(wěn)定性。
澆注條件對流動性的影響,主要表現(xiàn)在澆注溫度和外力方面。外力方面是指澆注速度的快慢、鐵液流的大小以及澆包距砂型的高低等。
(3)澆冒口系統(tǒng)的設(shè)計 在澆注過程中,鐵液與砂型接觸后,型砂因受熱而產(chǎn)生大量氣體,型腔內(nèi)的氣體受熱也隨之急劇膨脹,二者重合起來使型腔內(nèi)的氣體急劇增加,在此情況下型腔內(nèi)的氣體如果不能順利排出,就會阻礙鐵液的流動和順利充滿鑄型。為此,除要求型砂含水分低、發(fā)氣量少、透氣性能良好之外,還需要合理設(shè)置排氣冒口,多(方位)扎設(shè)排氣眼,并使(如上下箱在沒有開箱起模之前,從上箱扎排氣孔,直接與下箱型砂扎透)排氣管道暢通無阻,這些都是防止鑄件出現(xiàn)冷隔(氣孔)缺陷而在工藝上常采取的有效措施。
1)澆注溫度太低,澆注速度過慢,澆注時間過長。
2)化學(xué)成分不合格,碳當量(CE)太低或太高,即遠離了共晶點,降低了鐵液的流動性。
3)鑄件斷面厚薄差太大,或斷面薄且長。鐵液在充型途中,降低了鐵液的流速,鐵液散熱過量,使鐵液不能很好地充滿型腔。
4)澆注過程中意外發(fā)生中斷。
5)當鐵液溫度稍低時,澆包距砂型距離太小,或澆速緩慢,鐵液動壓力不足,使流動性本來就差的鐵液流的更加緩慢。
6)上砂箱太矮,直澆口太短,又沒有加設(shè)澆口杯,致使鐵液動靜壓力不足。
7)砂型太濕,吸熱量過大。型砂受熱后產(chǎn)生大量的水蒸汽,或砂型中煤粉以及其他產(chǎn)生氣體的物質(zhì)太多,導(dǎo)致生成大量的氣體,如果鑄型排氣性能不好,則增加了型腔內(nèi)的氣體阻力,阻礙了金屬液體的流動。
8)出爐溫度過高,金屬液過度氧化,或其中非金屬夾雜物質(zhì)多,降低了鐵液的流動性和熔接性。氧化的鐵液表面白亮,看似溫度很高,但流動性卻差(一線的老師傅稱之為“假高溫、不走路”)。
9)內(nèi)澆道開設(shè)的太薄且長,或內(nèi)澆道開設(shè)的位置不合理,鐵液流經(jīng)內(nèi)澆道時流速慢、散熱量大(薄壁鑄件的內(nèi)澆道厚度可占鑄件厚度的2/3),當鐵液匯集接頭時,各接頭的表面張力已很大而不能互熔,故造成鑄件冷隔。
10)球化處理、扒渣后,沒有加蓋保溫劑。
11)抬包澆注過程中,工人的澆注姿勢不正確,澆注的鐵液流“細、高、慢”,從而延長、增加了鐵液與空氣的接觸時間及面積,使鐵液更加降溫并氧化。
1)當金屬液具有適當?shù)臐沧囟燃白銐虻牧鲃有詶l件下,澆注工的操作技術(shù),對于防止鑄件出現(xiàn)冷隔有著至關(guān)重要的作用。澆注工應(yīng)根據(jù)鑄件的大小、壁厚、幾何形狀的不同,正確控制澆注溫度和澆注速度。一般情況下應(yīng)采用“先快后慢”的澆注方法,“先快”產(chǎn)生的動壓力使鐵液盡快充滿型腔;“后慢”旨在以靜壓力的方式,使型腔內(nèi)的鐵液平穩(wěn)充實。但是如果鑄件的大平面在上面,比如大型變速箱的下箱體,澆注后期不能慢,更不能停。當然澆注這種類型的鑄件,在工藝上還應(yīng)采取如增高上箱高度、加設(shè)足夠高的澆口杯等措施。
2)在不影響鑄件質(zhì)量要求下,調(diào)整、改變化學(xué)成分的含量,使其碳當量(CE)盡量接近共晶點,以提高流動性。
3)沖天爐爐工應(yīng)合理控制風(fēng)壓、風(fēng)量、風(fēng)口直徑、底焦高度,防止鐵液的氧化??刂茽t料質(zhì)量,盡可能減少鐵液中的夾雜物,清理干凈包內(nèi)的熔渣,覆蓋保溫集渣劑。
電爐爐工應(yīng)使用質(zhì)量合格的爐料,多次扒渣,并根據(jù)鑄件的大小、厚薄及幾何形狀的不同,控制出爐溫度。
4)為加快鐵液充填鑄型的速度,應(yīng)適當加大澆口的橫斷面積;合理選擇鐵液引入鑄型的位置,盡量縮短鐵液的流程;提高充型的動壓力及靜壓力。
5)選用質(zhì)量合格的煤粉、陶土等添加物,適當減少砂型中發(fā)氣物質(zhì)的用量,提高砂型的透氣性。
6)在鑄型適當?shù)奈恢迷O(shè)置排氣冒口。如果在鑄件的最高處不能直接放置排氣冒口,那就要在最高處的邊部開設(shè)邊排氣冒口。
例1:某廠生產(chǎn)差速器右殼,采用黏土砂造型,多觸頭微震造型機。球化處理溫度及澆注溫度的改變過程:球化溫度從1490~1510℃降至1410~1430℃,首澆溫度從1410~1390℃逐步降至1360~1380℃、1340~1360℃、1310~1330℃,尾澆溫度均≥1260℃,既解決了鑄件的縮孔缺陷,又避免鑄件產(chǎn)生冷隔缺陷[1]。
例2:某廠生產(chǎn)汽車上的4 11殼鑄件,造型采用樹脂砂套殼工藝,原來的球化處理溫度為1570~1580℃,優(yōu)化后的球化處理工藝見表1[2]。
表1 優(yōu)化后的球化處理工藝
采用優(yōu)化后的球化處理工藝,既解決了鑄件的縮孔缺陷,也沒有再產(chǎn)生冷隔缺陷。
1)避免鑄件產(chǎn)生冷隔缺陷,不能單純地提高出爐溫度。
2)要解決鑄件的冷隔缺陷,應(yīng)從工藝設(shè)計、熔煉溫度及元素控制、型砂配置、澆注技術(shù)等方面綜合考慮,這樣就可以有效地減少或杜絕冷隔缺陷的產(chǎn)生。