转臂的铸造工艺与生产控制

郭洪涛，郭 林，刘 波

（济钢集团重工机械有限公司，山东 济南 250101）

转臂是水泥机械设备中的关键部件，它在工作中承受很大的冲击载荷，铸件要求超声波探伤和磁粉探伤，质量要求严格。铸件最大轮廓尺寸为3500×1450×1770（mm），铸件壁厚变化较大，最大处壁厚为260mm，最小处壁厚为130mm，铸件重量12000kg，形状结构如图1所示，铸件材质为ZG20SiMn，调质处理HB130～170，屈服强度 σs≥295MPa，抗拉强度σb≥490MPa，铸件制造难度较高。

图1 铸件结构形状图

1 原铸造工艺及质量问题

1.1 原工艺简介

原工艺采用两开箱从中间分型，考虑到铸件外型轮廓尺寸较大，铸件质量要求较高，为保证钢液快速充满型腔，减少钢液对上箱的烘烤时间，我们设计浇注系统为开放式浇注系统，直浇口采用100mm一个，横浇口采用阶梯式，从中间往两边分开，底层内浇口采用80mm 6道，上层内浇口80mm设置三道，钢水包底注孔尺寸采用80mm，浇注位置及模型结构如图2所示。

图2 浇注位置及模型工艺结构图

1.2 原工艺出现的质量问题

原工艺出现的主要缺陷为，底部夹砂较严重，两伸出臂缩不进来，下芯子后底部散沙不好清理；造型翻上盖箱时易塌箱，下芯子后合上盖箱过程中，支臂处大芯子对上砂型阻挡较严重，造型合箱操作较困难。

2 改进后的工艺

2.1 浇注位置及分型面确定

经认真分析，考虑铸件的使用和技术要求，遵循顺序凝固的原则，并结合生产经验，确定采用立浇方案，两开箱造型，整个铸件设置在下箱，采用组芯方式，既能保证质量，又方便操作。分型面选择在中间圆柱的上平面，分型面以上为上箱部分，下部为下箱部分，模型结构及浇注位置如图3所示。

图3 模型结构及浇注位置图

2.2 工艺参数的确定

1）缩尺。考虑该铸件在凝固收缩过程中，受铸型的机械阻碍影响较大，铸件壁较厚，因此选择铸造缩尺为2.0%。

2）加工余量。由于铸件轮廓尺寸较大，为保证加工面精度，选择上表面加工余量为20mm，下面和侧面的加工余量为15mm，内孔加工余量为15mm。

3）分型负数。因用整模造型，分型负数选择3mm。

2.3 浇注系统

考虑到铸件外型轮廓尺寸较大，铸件质量要求较高，为保证钢液快速充满型腔，减少钢液对上箱的烘烤时间，避免出现夹砂缺陷，我们设计浇注系统为开放式底反浇注系统，直浇口采用100mm 1个，横浇口采用80mm两道从中间往两边分开，内浇口采用80mm 4道，保证充型平稳，减少夹砂缺陷，如图4所示。

2.4 冒口和冷铁设置

因铸件局部热节较多，为保证铸件形成由铸件向冒口的顺序凝固方式，保证铸件内部组织致密，探伤合格，我们依据实践经验，提高表面质量，并结合CAE铸造仿真凝固模拟，确定冒口及冷铁设置方案如图5所示。采用圆形400mm×600mm暗冒口3个450mm明冒口冒口2个，高650mm。为防止铸件变形，在R445原弧内侧设计80mm拉筋2条。为保证顺序凝固，避免缩松，设置外冷铁5处。

图4 浇注系统设置图

图5 冒口冷铁设置图

2.5 凝固模拟验证

按照以上工艺设置，又用模拟软件进行最终凝固模拟验证，结果可以看出，缩孔缩松都集中在冒口内，铸件上没有缩孔缩松等铸造缺陷出现，说明设计的工艺方案是正确的。模拟结果如图6所示。

图6 凝固模拟结果图

3 生产质量控制

3.1 模型制作

由于铸件质量要求较高，模型采用实样木模制作，要保证整体强度和刚度，在吊运、起模过程中不得有任何变形，模型要做出起模吊鼻，保证吊运起模安全。模型要求表面光洁度达到1级，要求棱角分明。铸造圆角要从外模及芯盒中做出来。模型分型负数设计为3mm，对称分布。中间轴孔芯子采用定位芯头，防止芯子错位。

3.2 造型、制芯

制芯时，紧实度要均匀，表面要光洁，保证排气通畅，在圆角及拐角热节部位全部用铬铁矿砂厚度15mm以上；要注意保证芯骨强度，芯骨位置不能阻碍铸件收缩，在中间轴孔芯子的外表面覆10mm～15mm后铬铁矿砂，防止出现粘砂缺陷。芯子制作完毕后，表面涂刷醇基锆英粉涂料两遍。造型时要注意上下箱多扎出气眼，保证出气畅通，浇注系统采用专用陶瓷耐火砖管，摆放浇口时要仔细，防止散砂进入浇注系统内，两专管的连接要紧密，防止连接错位。芯头下部要多扎出气孔，防止浇注时出气不畅通导致铸件产生气孔缺陷。起模后修型光洁，型腔内不得留有散砂。冒口出气眼周围要用面砂修光吹干，防止合箱时从出气眼处掉进散砂。注意造型和起模时，要采取措施防止模型起模型后塌箱。为更好的保证铸件顺序凝固，形成致密铸件，在底部及两侧支臂的外端设置外冷铁。

3.3 下芯

下芯前要先将砂型清理干净，然后涂刷两遍醇基锆英粉涂料，充分烘干后，开始下芯子，注意检查芯子和芯头部位各出气孔是否畅通，下好芯子后，按图纸检查砂型型腔是否符合图纸尺寸要求，然后再将芯子上的吊鼻用水玻璃石英砂修补好，用CO2气体吹干后，刷两遍醇基锆英粉涂料，烘干后再将型腔内散砂重新清理一遍。

3.4 合箱

合箱前要注意检查芯头、芯座出气孔是否畅通、尺寸形状是否符合图纸、浇冒口系统内和型腔内是否干净、芯头、芯座间隙是否填严，防止钢液钻入或跑火。放箱的地面要平整并做好出气通道。合箱时要将下好芯子的砂型再次检查一遍，确认砂型无误后在开始合箱操作，在下箱型腔周围应放一圈泥浆，压上软纸后先进行验箱检查尺寸。砂型全部确认合格后在进行合箱。最后打好箱卡子，将箱缝用型砂塞紧，防止浇注时炮火，然后放好外浇口准备浇注。

3.5 熔炼浇注

熔炼时化学成分严格按表1控制，保证冶炼钢水合格后才可出钢，特别注意控制S、P含量尽可能低，出钢温度控制在1580℃～1590℃，钢包采用80mm注孔。钢水出炉以后进行底吹氩，净化钢水，镇静后在1535℃～1550℃温度区间内浇注，即浇注时钢水进入浇口的温度控制在1540℃±5℃，每炉次浇注6块机械性能用试块。

表1 ZG20SiMn的化学成分（质量分数，%）

3.6 铸件开箱、清理及热处理

铸件属于中大型合金钢铸件，且壁厚较大，生产时由于砂芯的阻碍而存在较大的应力，极易产生变形和开裂。在浇注8 h后松开砂箱的紧固装置，让铸件自由收缩，110h后打箱清理，为提高生产效率，节约成本，采用清砂后余热200℃以上热割除冒口。然后进窑进行热处理，热处理采用正火+回火热处理工艺，曲线如图7所示。热处理时升温速度100℃/h～200℃/h，冷却速度为100℃/h左右，装炉时注意间距，间隙处做好支撑，防止变形。工件不要装在台车边部，上面不准放重物。正火后分散空冷。

图7 热处理曲线图

4 生产结果

通过实际生产验证，改进铸造工艺后，造型合箱操作方便，生产效率高，生产的铸件表面质量良好，铸件组织致密，尺寸形状完整准确，铸件加工后磁粉和超声波探伤及力学性能检查都完全达到了相关标准，满足了客户的要求。