工程机械铸铁件工艺特性及质量控制

河北钢铁集团宣工公司 （张家口 075100） 常宏志

一、造型材料的选择

由于工程机械类铸件生产批量大，种类多，结构复杂，因此要求型芯砂有较高的强度。呋喃树脂自硬砂工艺成熟，其配套设备系列化、标准化，原辅材料市场广泛，其粘结剂树脂加入量1.0%以下，成本较低，旧砂再生性好，回收率可达90%，因此从工艺性、成本控制和环保性考虑，呋喃树脂自硬砂作为造型材料是最理想的选择。采用呋喃树脂砂生产的铸件，粘砂、砂眼、皮下气孔等缺陷明显降低，尤其复杂砂芯可以不用芯骨，可简化造型、制芯操作，生产效率大幅提高。

二、不同类别铸件的工艺特点

1.箱体类铸件

箱体类铸件壁厚一般在10mm左右，属于“皮薄馅大”类铸件，砂铁比高，容易产生气孔、冷隔缺陷。因此，在进行该类铸件工艺设计时，优先考虑“顶注”原则，采用开放式浇注系统，倾斜浇注，在浇口对面设置溢流冒口，起到排气、收集冷铁液的作用；上平面大口处尽量设计芯头，以便砂芯中的气体从上芯头排出；充分利用透孔作为砂芯的支撑点，尽量避免芯撑的使用，以减少冷隔缺陷。典型件如T165推土机的罩盖，铸造浇冒口系统设计如图1所示。

2.飞轮类铸件

飞轮类铸件直径在500mm左右，壁厚40mm左右，此类铸件属于厚实体铸件，容易出现缩孔、缩松缺陷，因此工艺重点是进行补缩。

补缩的方式一是用冒口补缩，采用热冒口或边冒口的方式，冒口体采用方形冒口，“扁、薄、宽”的冒口颈，但对于压边冒口来说，压边宽度不可太小，依笔者的经验取12～16mm比较适合，既可有效补缩，又可防止局部过热而产生缩孔；二是加冷铁的方式，充分利用石墨化膨胀进行自补缩，这两种措施相配合，厚实的轮类铸件质量即可得到控制。但要规定冷铁的使用次数，以免由于冷铁表面氧化而导致其激冷能力下降和产生呛火缺陷，一般来说冷铁表面氧化层和石墨氧化层达到0.2～0.4mm时就应停止使用，推荐使用次数为15次。

飞轮类典型铸件结构和工艺如图2、图3所示。

3.缸体类铸件

虽然缸体类铸件也属于环状铸件，但由于存在油道及环体上的切槽，铸件易产生气孔及缩松缺陷，工艺难度较大。在进行工艺设计时要充分考虑油道芯的排气，采取在油道芯中加设尼龙气道，以及加大芯头等方式进行排气；还要考虑冒口的补缩范围，根据铸件直径大小设置冒口数量。对于材质为HT250的铸件来说，不需要使用冷铁，但对于球墨铸铁来说，必须在油缸底面加冷铁才能防止缩松缺陷。难度较大的缸体零件铸造工艺如图4所示。

4.变速箱体类铸件

此类铸件的典型特点是高宽比大，壁厚较小，在工艺设计时依然是采取“顶注优先”的原则，便于铸型和砂芯中气体的顺利排出。对于灰铸铁箱体，铸件自补缩能力强，不用考虑补缩冒口，球墨铸铁箱体一般在上平面设置顶冒口，可对铸件下部有效补缩。在铸造工艺参数上，不同方向的收缩量要进行调整，一般长度、宽度方向为1%，高度方向为0.5%。为了克服铸件高而造成的起模困难，在制作模样时，起模斜度取正负值，芯盒斜度与模样外皮一致，保证壁厚均匀。由于铸件冷却速度快，砂芯阻碍收缩，易产生裂纹，因此在砂芯中要设置增加退让性的材料或制作中空芯筒，也可推迟打箱时间，防止铸件裂纹。典型铸件结构和工艺如图5、图6所示。

5.阀体类铸件

阀体类铸件一般来说重量在几十千克，质量要求严格，不但不能有表面缺陷，而且要求材质致密，不得有缩松、缩孔缺陷；内腔尺寸精度要求高，不得有粘砂或披缝缺陷。基于上述要求，进行阀体类铸件工艺设计时，内腔砂芯最好采用热芯盒制芯，以充分保证尺寸精度和表面质量，芯头砂型和砂芯部分要有合理的间隙，保证砂芯能自由收缩，造型时一定要采取措施保证砂芯产生的气体能排出铸型。在铸件致密度控制上，最好采用发热冒口进行充分补缩，并采用高Si/C比配方，充分利用石墨化膨胀提高致密度。在内腔清洁度控制上，可以采用电化学清砂的方式，个别阀体由于结构原因，电化学清砂易产生裂纹时，必须采用手动喷砂机进行内腔清理，确保内腔质量。

由表1可知，基本苗是处理6最高，为7.17万株/亩；依次是处理5为7.15万株/亩，处理3和处理4为7.04万株/亩；处理1最少，为6.90万株/亩。总茎蘖是处理6最高，为16.29万蘖/亩；处理1最低，为14.70万蘖/亩。有效穗是处理6最高，为10.79万蘖/亩；处理1最低，为9.25万/亩。

典型球墨铸铁阀体结构设计如图7所示。

从该件结构上看主要有两大难点：一是属于厚大件，可能存在内部缺陷；二是砂芯复杂，芯盒制作难度大。

第一个难点采用直径90mm、高150mm的发热冒口进行补缩解决。

第二个难点的解决方法如下：

此铸件形成油道的砂芯呈空间网状结构，整体出砂很难实现，组芯是唯一的方法。根据零件使用要求及砂芯的结构特点，我们将砂芯分为三个部分分别制作。分配方案体现以下原则：

（1）尽量将尺寸要求高、功能相同的部分置于同一个芯盒中，保证尺寸精度。

（2）尽量将形状复杂、出砂难度大的部分平均分配给各个芯盒，减小操作难度。

（3）尽量将定位基准统一到一个芯盒上，保证砂芯相互之间的定位精度。

图7 阀体结构

（4）尽量增加定位面面积，保证最终粘结强度；尽量将粘结面置于靠近阀孔处，防止在阀体内部形成无法清理的披缝。

按上述原则对砂芯进行分割，如图8所示。芯盒完成后，我们对组装好的砂芯及最终铸件进行了划线检查，结果显示，重要油槽尺寸精度达到±0.5mm，各层砂芯的组装精度达到±1.5mm，完全满足了铸件的使用要求。

6.行星架类铸件

由于要求对行星架作平衡试验，对高度尺寸和径向尺寸均有很高的要求，因此芯盒和模样均采用树脂模型。为了保证尺寸精度，芯头要采用整体圆柱形式，支承柱和圆盘均在芯盒中出，模样芯头和芯盒芯头部分采用同一母模进行配翻，以提高配合精度；各支承柱用同一木模翻树脂模型；为了保证各空档的高度，考虑铸件在高度方向收缩受阻，制作时芯盒高度减小1～2mm。SD7高驱动推土机二三排行星架结构和模样如图9、图10所示。

三、适合树脂砂生产的工艺措施

1.吊砂工艺

由于呋喃树脂砂填砂时流动性好，抗拉强度高， 因此可推广应用吊砂工艺，减少箱体、轮类、轴承座类铸件的砂芯数量，提高铸件尺寸精度和生产效率，减少清理工作量，降低成本。我公司的典型箱体有特卡系列高驱动推土机的变速箱体、变速箱盖、链轮毂，以及T140—1的齿轮壳体、主离合器壳体等复杂箱体件，利用树脂砂成功实施了吊砂工艺（见图11），提高了铸件等级。

2.叠箱造型工艺

由于树脂砂强度度高，对于活塞、隔板等简单铸件，可以采用叠箱工艺，以提高生产效率，降低砂铁比，节约浇注面积，降低铸件成本。具体方法是把模样置于一带底板的木框内，造型时，首先制作平底砂型，然后在木框内填砂刮平，砂型硬化后把砂型从木框中起出，放于平底砂型上，然后将第二个叠加到第一个上面，以此类推，一般可叠加6～8个铸型，具体数量根据铸件高度而定。

由于球墨铸铁件对铸型刚度要求高，此方法不适于球墨铸铁件。

3.熔炼工序质量控制

由于铸铁件存在石墨化膨胀，虽然可以进行自补缩，但也使铸件补缩量不确定，要保证铸件内在质量，需要对铁液成分和浇注温度等因素进行系统控制，尤其对于球墨铸铁件更为重要。我公司采用质量相对稳定的山西翼城生铁和本溪生铁为原料，同时使用优质的铸造焦炭，确保稳定的铁液成分和较高的出铁温度（1450℃）。在此基础上，可以把碳当量提高到4.8%，从而在保证铁液牌号的前提下，尽可能地提高铁液的自补缩能力，熔炼工艺采用冲入法出铁槽随流孕育。

四、结语

对于工程机械类铸件，灰铸铁件工艺和质量控制措施稳定、成熟，铸件废品率低；球墨铸铁件工艺难度较大，补缩困难，每种铸件都要经过充分的工艺验证，或使用凝固模拟软件进行调整，做到既保证铸件质量，又有最好的经济效果。

（20121020）