回转体型铸件转角缺陷产生原因分析与消除措施

暴赵鸿，刘建民

（山西淮海机电有限公司，山西 长治 046012）

某铸件内外形结构均为回转体，如图1所示，平均壁厚约16 mm，重量8 kg，材质为球墨铸铁。验收条件为：

1）每批毛坯100%在铸件指定部位磨出小平面，做布氏硬度试验，球痕直径按0.1mm的差值进行分级统计，取球痕最大值毛坯3件，分别在本体上均分120°车制机械性能试杆3根，每组2根做抗拉强度试验，另外一根备用，抗拉强度不小于400MPa。3组有其中一组机械性能不合格时，允许以同级球痕值双倍数量毛坯重车制新试杆复试，复试仍不合格，则该级球痕毛坯报废，另取球痕直径小于0.1mm的毛坯试验，依此类推，直至合格为止。

2）从每批毛坯中随机抽取3件，击碎成数块，检验断口颜色和内部组织不得有缩松、气孔、渣孔等铸造缺陷。不合格时，允许以同样数量击碎复试，复试仍不合格，则该批毛坯不合格。

3）合格毛坯经机械加工后100%进行液压试验，不得出现有渗漏水现象。

图1 铸件结构

1 原铸造工艺方案

1.1 原铸造工艺方案的确定

此铸件与铸造生产过的两种同类型铸件结构相同，只不过体积比此铸件小、重量轻，重量分别为4 kg和2.8 kg。铸造生产过的这两种铸件均采用的是热冒口压边浇注工艺方法，机加工后综合良品率（铸造废品+机加料废）都在95%左右，并且生产质量稳定，具有很好的生产经验，所以在此铸件设计铸造工艺方案时，同样采用了热冒口压边浇注工艺方法，整个生产工艺过程和所用原材料完全一致，工艺方案如图2所示，两个铸件共用一个压边冒口。

砂型采用尿烷酚醛树脂自硬砂，砂芯采用热芯盒覆膜砂。浇注过程中，铁水流经路线为：直浇道→横浇道→冒口→通过压边缝隙进入铸件型腔。

1.2 铸件缺陷状态

经批量铸造生产，每批抗拉强度均为一次验收合格，击碎验收断口颜色合格，内部组织没有发现有缩松现象，经机加工后水压试验也没有发现有渗漏水现象等，各项技术指标均满足产品要求。在铸件击碎验收和机加后，唯一的铸造缺陷主要集中在铸件内壁R15转角的环形截面处，其他部位也有，但较少。铸造缺陷表现有两种形态，一是气孔类，根据出现的部位称为“转角气孔[1]”，形状为蠕虫状、长针形、钉子形、晶间裂隙状等，目视特征亦是千姿百态，难以具体描绘奇特形态，有的出现在铸件表面，有的延伸至铸件内部深3mm～7 mm；二是黑斑块类，出现在铸件内表面，外轮廓直径约有3mm～5mm，不规则，但界限分明，数量比转角气孔少。因上述两种缺陷主要出现在同一部位，统称为“转角缺陷”，如图3。铸件的转角缺陷在毛坯外观验收时，废品能占到20%左右，合格毛坯在机加过程中因转角缺陷完全暴露而产生的料废占60%～70%。

图3 铸件转角缺陷

1.3 产生转角缺陷的原因分析

产生如此大比例的铸造缺陷，并且部位集中，可以肯定在系统工艺中，有一重要因素在影响着。经分析和查阅相关资料有如下原因。

转角气孔位于铸件的内转角处，延伸到热节点，产生这种气孔的原因是由于内角处型砂受热作用强烈，型（芯）砂大量发气，又不易排出，集聚到压力足够大时，就从最后凝固部位处（热节点）的表面突破，进入到铸件内部而造成气孔，球铁凝固时由于石墨化造成的凝固薄膜膨胀，也会加重这种缺陷[1]。

黑斑块为二次氧化物组成，称黑渣，由于球化处理后的铁液在输送、浇注、充型过程中有翻滚，飞溅而破坏了液面上的镁蒸气的保护作用，立刻就会产生固态渣而仍然会形成黑渣。主要出现在铸件的上表面，砂芯的下表面或铸件的死角处[2]。

1.4 消除转角缺陷所采取的措施

原因分析后，根据实际生产工艺过程和相关资料介绍的措施，在生产中制定了如下验证措施：

1）保证芯子上涂料均匀，涂料层不得有破损，芯子使用前烘干；

2）调整芯子强度，减少砂芯发气量；

3）调整芯子排气通道，使芯子排气畅通；

4）调整炉料配比、浇注温度和浇注速度；

5）更换球化剂，由稀土镁硅铁合金更换为稀土硅铁合金；

6）减小内腔R15相对应的外形加工余量等。

前5项措施经逐一验证，都没有明显效果。在此情况下，采取了第6项措施，因在铸件内腔R15环形截面处出现缺陷最多，对相对应的外形，在加工余量允许的条件下，减小了加工余量，经计算减少重量为250g，经小批验证，对于转角缺陷有了明显改善。实践验证，由于芯子内角处受热作用强烈，芯砂大量发气，又不易排出，集聚到压力足够大时，就从最后凝固部位处（热节点）的表面突破，进入到铸件内部而造成气孔原因分析是正确的。而对于黑斑块二次氧化物是因为铸件较大，浇注过程中，铸件型腔较深，铁水产生紊流发生二次氧化造成的。所以同类型铸件，采用同一工艺方案，因大小区别带来了大不相同的效果。针对该铸件，唯一的解决办法只能改变铸造工艺方案。

2 改进后的铸造工艺方案

改进后的铸造工艺方案采用底注式，以直浇道为中心，均匀布置6个铸件，6个铸件共用同一个直浇道，如图4。

图4 工艺方案

利用浇注系统的后补缩作用，浇注结束后浇注系统短期畅通的补缩作用和凝固过程中石墨化膨胀来补偿铁液的冷却、凝固收缩，实现不专设补缩冒口的工艺（称为“无冒口铸造工艺”）[3]。应用浇注系统（直浇道、横浇道、内浇道）长时间浇注过热自然形成的铁水通道，依靠直浇道的高压头铁水向铸件补缩，来保证铸件各部位没有缩松（孔），省去了专用冒口补缩。

此工艺技术方案，要保证控制、解决好如下四个方面的工艺技术问题：

1）保证控制铸件从上端口部到下端口部位，对浇满铸件型腔的铁水要形成从上到下的“顺序凝固”，下端口部位最终凝固；

2）保证控制铸件在整个凝固全过程中，浇注系统内的铁水始终处于液态并与大气相通，能源源不断地及时供给铸件在整个凝固全过程中产生收缩的补给量；

3）解决好在整个浇注全过程中，铁水的备渣（砂）问题；

4）解决好在整个浇注全过程中，铸件型（芯）腔内的及时排气问题。

工艺装备设计主要是针对解决“底注无冒口浇注”工艺方案中最关键的前两个技术问题。

2.1 形成“顺序凝固”梯度

1）铁水流经路线降温形成温度梯度

在浇注过程中，铁水流经的路线是：

浇口杯→直浇道→横浇道→内浇道→铸件（由下到上）

铁水与砂型接触吸热降温后，自然形成了沿流经路线相一致的由低到高的温度梯度，与工艺设计的“顺序凝固”相一致。

2）调整加工余量形成温度梯度

铸件产品自身壁厚结构有一定差值，通过增加不等的加工余量，人为造成与型腔中铁水要求顺序凝固相一致的壁厚变化，也就是由铸件小口部位到大口部逐渐变薄的趋势过渡。

通过以上两者叠加，充分保证了铁水在铸件型腔中的顺序凝固。

2.2 收缩补给量

要确保浇注系统内铁水能源源不断地及时供给铸件在整个凝固全过程中产生收缩的铁水补给量，必要条件是浇注系统内铁水必须完全晚于铸型内铁水的凝固速度，并且还必须使浇注系统内铁水流动通道完全畅通。需重点考虑以下三个方面的设计：

1）（浇注系统中的）直浇道、横浇道、内浇道截面积对铁水流动的分配比例关系；

2）直浇道、横浇道、内浇道截面积凝固模数与铸件补缩模数的比例关系；

3）在浇注初期，浇注系统为完全开放式，待铁水完全充满内浇道、横浇道后转化为封闭式。

当直浇道、横浇道足够大时，内浇道的截面积大小和长短参数控制是保证铸件最后凝固的部位是否有缩松或缩孔的关键。

2.3 型腔铁水备渣（砂）

在直浇道上首先设计了安放纤维过滤网以过滤铁水渣质。横浇道为水平设计，又在每个横浇道上平面的适当位置设计“锯齿”挡渣（砂）板1个，当铁水很快充满横浇道后，应用渣、砂比重小漂浮在铁水上面的条件，通过“锯齿”挡渣板将渣（砂）挡在内浇道外，避免渣（砂）进入铸件型腔。

2.4 型（芯）腔排气

浇注过程中，铁水对砂芯过烧产生的气体，部分已通过芯子中间通道向上排向大气中，部分还滞留在型腔中。滞留在型腔中的气体还有两种，一是本身型腔中的气体，二是铁水对砂型、砂芯过烧产生的气体。对于型腔能否充满铁水和铸件是否产生气孔，型腔排气也是一重要环节，所以在芯子大端定位芯头上开设有专用排气孔。

3 改进效果

由原热冒口压边浇注工艺改为底注式无冒口铸造工艺后，彻底消除了铸件转角缺陷，通过设计调整浇注系统比例关系，特别是内浇道的截面积大小和长短参数控制，达到了由浇注系统对铸件的补缩，实现了底注式无冒口铸造工艺，获得了良好的品质铸件。

［1］陈国桢.造型工手册［M］.北京：农业机械出版社出版，1985.

［2］陈国桢，肖柯则，姜不居.铸件缺陷和对策手册［M］.北京：机械工业出版社，1996.

［3］魏 兵，袁 森，张卫华.铸件均衡凝固技术及其应用［M］.北京：机械工业出版社，1998.

［4］暴赵鸿.某铸件铸造工艺改进及其应用［J］.铸造设备与工艺，2009（6）：30-33.