大型龙门加工中心工作台的铸造技术

何文东

（芜湖久弘重工股份有限公司，安徽芜湖 241206）

2015年国务院下发《中国制造2025》纲要，在“战略任务和重点”里，明确提出装备制造业十类重点领域突破发展，其中“高档数控机床和机器人”位列第二类重点领域。在此背景下，我国高档数控机床迎来井喷式发展，其中大型龙门五面加工中心由于加工零件的重量重尺寸大，对于重型装备零部件的加工不可替代，因此市场需求很大。

在大型龙门五面加工中心机床里，有一种工作台铸件，属于技术难度大，质量要求高的铸件。由于机床的大型化，铸件重量一般都在10 t到30 t之间，尺寸宽度2 m以上，长度在6 m以上。工作台台面裸露在机床外面，对外观和尺寸精度要求高，承压承重，台面表面不允许有任何铸造缺陷，不允许焊补，T型槽里也不允许有缩孔缩松缺陷。

图1 大型工作台铸件结构

1 大型工作台的技术要求和生产难点

大型工作台属于高强度灰铸铁铸件，H T300材质，布氏硬度要求大平面大于180HB，形状是平板框架长方体，内腔结构复杂，铸造结构如图1所示。大平面和T型槽里不允许有任何铸造缺陷，大平面不允许焊补。台面加工后的尺寸精度和平面度要求高，因此要求铸件残余应力要小。此类铸件由于重量大，一般超过10 t，大平面表面积大，一般在10 m2以上，壁厚厚大，大平面壁厚在50 mm～100 mm.铁液充型时间长，凝固时间长，容易出现砂眼、气孔、冷隔、渣孔、变形，T型槽缩松、孕育衰退等铸造缺陷，尤其是大平面皮下气孔和T型槽缩松缺陷比较普遍。大平面或者T型槽里只要出现任何的微小缺陷都视为废品。一般铸造厂家废品率高达20%～50%.因此采用什么方法生产大型工作台铸件，提高合格率，是很多铸造厂的研究课题。

2 铸造工艺

图2 大型工作台铸造工艺简图

2.1 分型面及砂芯设计

该类铸件采用呋喃树脂砂造型。图2为该类铸件铸造工艺简图，由于工作台台面的质量要求非常高，反面滑块凸台要求相对低一些，因此将台面大平面放在下型。采用吊芯工艺，铸型位于上箱，大平面位于下箱，所有泥芯用螺杆固定在上箱。这样做的优点是泥芯内气体通过上面的芯头排气顺畅，减少气孔缺陷；当铸型翻转后，型腔中的散砂容易清理干净，减少夹砂缺陷；吊芯不使用芯撑，确保大平面没有异物，外观好。该工艺的缺点是行车起重重量必须足够，一般铸型加上砂箱重量超过40 t以上，配好型的铸型要翻转过来，瞬间冲击力非常大，必须使用50 t以上的行车才能完成。

2.2 浇注系统设计

大型工作台最突出的难点之一是台面的皮下气孔缺陷，尤其是地处江南地区的铸造厂这个问题更为突出。为了解决此问题，保证大平面温度场分布均匀，采用底返雨淋式浇注系统，如图3所示。浇注系统设计环形横浇道，四道直浇道，三个浇包同时快速浇注，总浇注时间控制在120 s以内，浇注温度控制在1380℃～1410℃左右。设计多个底返雨淋式陶瓷内浇道，使气体和夹杂物在进流铁水冲击力作用下充分上浮，保证大平面质量。注意浇注时，出水速度一定要快，以最短的时间将大平面快速充满，切忌浇注初期的断流现象，防止产生冷隔气孔等缺陷产生。浇注系统各组元截面积比例为ΣF直：ΣF横∶ΣF内=1∶2∶2.2，为开放式无压浇注系统，其优点是充型平稳，大流量，低流速，不产生紊流。上箱放置若干个油瓶冒口，进行液态补缩。

图3 大型工作台浇注系统

2.3 隔砂冷铁设计

大型工作台台面壁厚在50 mm～100 mm，面积在10 m2以上，铁液凝固时间长，容易在T型槽部位产生缩松。由于浇注系统采用的是底返雨淋式，下箱设置了大量陶瓷内浇道，这样会造成大平面长时间过热，加剧了T型槽缩松缺陷的产生。鉴于此，在下箱设计了隔砂铸铁冷铁，如图4所示，用隔砂铸铁冷铁调节温度场，加快底部大平面的凝固速度，使铁水迅速结壳，提高石墨化膨胀带来的自补缩效果，降低内浇道长时间充型造成的过热。采用隔砂冷铁既解决了T型槽缩松，又避免了大量使用直冷冷铁而造成的大平面表面气孔缺陷。在铸铁冷铁表面设计了锯齿型，目的是增加冷铁与型砂接触表面积，增加型砂附着力，不至于浇注时产生冲砂。在下型型板上做出隔砂冷铁芯头，第一次造型后将砂箱翻转再将冷铁摆放好，注意间隙控制在20 mm以内，进行第二次造型，造好型到浇注时间大于24 h，使二次造型的隔砂层强度达到最高值，防止冲砂。隔砂层厚度设计为10 mm～20 mm.隔砂冷铁的使用次数要控制，一般使用30次就要更换。

图4 隔砂冷铁

2.4 反变形挠度

大型工作台铸件一般长度在6 m以上，会产生变形，导致大平面中间部位凹进，因此工艺上要设计反变形挠度来抵消变形量。具体做法是在下型型板和隔砂冷铁芯头上同时做出反变形挠度，制作专用刮板，二次造型后，用刮板刮出反变形挠度并刮平砂型表面。一般按照每米1 mm～1.5 mm预留挠度。

3 熔炼工艺

大型工作台是H T300材质，要求台面本体硬度大于180HB，珠光体含量大于95%，石墨形态A型，石墨长4～6级。由于台面面积大，壁厚厚大，很容易孕育衰退。既要保证机械性能，又要避免T型槽缩松缺陷，又不至于残余应力过大而造成尺寸变形，因此熔炼工艺很重要，采用高碳当量熔炼高强度灰铸铁的熔炼工艺。

3.1 炉料配比和化学成分

采用20 t中频感应电炉，大废钢量加优质石墨化增碳剂的合成铸铁熔炼工艺。废钢采用纯净无锈的优质碳素低锰压块汽车钣金料，增碳剂使用低硫低氮高温石墨化石油焦增碳剂。具体配料比例为废钢质量分数大于60%，生铁质量分数小于10%，其余为同材质的经过抛丸的回炉料。适当提高硅碳比，控制在0.55～0.6%，可以提高弹性模量，改善铸造性能、加工性能和铁水冶金质量。表1为上体台化学成分要求。

表1 高碳当量高强度灰铸铁的化学成分

3.2 合金化处理

提高碳当量必须加入合金元素做保证，以稳定和细化珠光体。常用的合金元素有铜、铬、锡、锑、钼、镍等。考虑经济因素，一般加入廉价的铬，加入质量分数在0.2%～0.3%左右，再配合微量锡，加入质量分数0.03～0.05%.

3.3 熔炼温度

大废钢量熔炼高强度灰铸铁，必须提高熔炼温度。炉料熔清后，在1 450℃左右取样做炉前成分分析，然后快速升温到1 500℃～1 520℃高温过热静置，静置时间在5 min～8 min.静置后炉内加生铁降温或者倒包降温，温度合适后出炉孕育。高温静置的作用是细化石墨和基体；产生自脱氧反应，使氧含量降低，氧化渣减少，铁液纯净度提高；孕育效果好。注意时间不能过长，以免造成石墨核心的烧损和氧含量过低，降低铁液冶金质量。

3.4 孕育处理

大型工作台由于台面厚大体积面积大，凝固时间长，容易造成孕育衰退，强度硬度不达标。孕育处理摈弃了过去的冲入法，而是在电炉上设置了一种可以转动的孕育装置，在出铁水的瞬间将孕育剂通过漏斗漏在炉嘴处的铁水流上，孕育时间占出铁时间的70%以上，从而使孕育剂充分熔化和吸收，提高孕育质量。孕育剂使用硅钙钡长效孕育剂，孕育剂加入质量分数0.4%.在浇包上使用挂包漏斗，使用粒度为0.2 mm～0.7 mm的硫氧孕育剂，质量分数0.1%，在浇注的两分钟里再次孕育，孕育时间占浇注时间的90%以上，从而确保孕育质量，减缓孕育衰退，保证铸件机械性能。

4 铸造缺陷的防止

4.1 台面皮下气孔

由于公司所处的芜湖地区位于长江下游南岸，气候湿润，降雨频繁，空气湿度超过80%，铸件气孔发生的频率比北方地区大很多。在生产此类产品初期，气孔缺陷非常普遍，给企业造成很大经济损失。

图5 台面气孔缺陷

台面气孔缺陷如图5所示，气孔直径φ3 mm～8 mm，深度1 mm～10 mm，距表面3 mm～5 mm左右，气孔内壁光滑，呈蜂窝状分布，多数呈圆形、椭圆形，有些是裂隙状，形似缩松，兼有反应性气孔和侵入性气孔的特点，分析应该为氢气孔、氮气孔、氮氢混合气孔，来源于空气、型砂、铁水中。

4.1.1 气孔形成机理

铁液浇入铸型后，砂型、涂料中有机或无机粘结剂、树脂砂及附加物等高温分解产生大量的气体，浇注的初始阶段，与铁液接触的砂型界面的发气速度远大于其逸出速度，气体压力急速升高。在金属液表面强度尚未建立之前，砂型界面中气体侵入金属液的条件为：

PA＞Po+PM+PZ

式中PA—型壁处气体压力；Po—型腔中气体压力；PM—金属液静压力；PZ—金属液表面阻力，与金属液表面能和粘度有关。

侵入气体在条件满足的情况下会在界面处形成气泡，继而进入金属液中。在金属液浮力和粘度不足以使气泡外逸的状况下，气体滞留在金属液中形成气孔。另外，铁液浇入铸型后瞬间产生大量气体，在型壁一定厚度中形成水分凝聚区，发生以下反应：

Fe+H2O — FeO+H2↑

2NH3一 N2+3H2↑

2Al+3H2O — Al203+3H2↑

NH3来自于呋喃树脂粘结剂的分解，其他化合氮来自于废钢和增碳剂中，Al来自于孕育剂中。反应产生的气体以灰铸铁凝固过程中共晶液相中析出的气泡核为依托扩散长大，在冷却过程中析出成为气孔缺陷。因此这种气孔可以认为是界面铁液中的氢析出气孔。金属液表面张力越小，气核生成和长大的阻力越小。因此灰铸铁中一些表面活性元素，如一定含量的Al、Mn、S，以及加剧水汽还原的元素如Ti，会增加产生皮下气孔的风险。氮气是非活性气体，在铁液中的溶解量低于0.015%，而氮的化合物受铁液高温分解，成为初生态原子氮[N]，并可大量熔入铁液之中。应该说明的是，无论对于哪种性质的气孔缺陷，浇注温度过低，金属液粘度过高，都会增大气孔产生的机率。

4.1.2 气孔预防措施

根据理论分析，确定了预防气孔的措施。

1）采用隔砂冷铁，防止直冷冷铁表面处理不当而产生气孔。

2）台面大平面砂型涂刷含有氧化铁的涂料两遍，抑制氮气孔产生。

3）涂料涂刷后，利用喷灯等工具烘烤大平面型砂表面，去除水分；合箱后，使用两台热风机同时烘烤铸型，时间大于6 h.

4）浇注温度控制在1 380℃～1 400℃.浇注三包同时浇注，提高浇注速度，浇注时间控制在120 s以内，包与包温差小于10℃.尤其注意浇注初期快速出水，不能断流，否则台面会产生冷隔。

5）浇包、孕育剂、增碳剂要充分烘烤干燥。增碳剂氮含量小于500 pp m，铁水中氮含量控制在70 pp m～100 pp m，厚大件氮含量小于80 pp m.

6）型砂质量指标很重要，烧灼减量必须小于3%.使用低氮树脂，含氮量小于3%，含水量小于8%，树脂加入量小于1.1%.

7）型芯多扎一些气眼，200 mm×200 mm扎一个，多放扁出气冒口，强化排气措施。

4.2 工作台T型槽缩松

图6 T型槽缩松缺陷

大型工作台由于底部厚大，在50 mm～100 mm，体积表面积大，凝固时间长。台面上部有很多筋板框架，使台面形成热节，最后凝固，得不到有效补缩，在壁厚中心部位，也就是T型槽槽底产生缩孔缩松缺陷，如图6所示。

解决措施：

1）工艺上在下箱大平面设计隔砂冷铁，增加型砂吸热能力，调节温度场分布，加快底部厚大部位的凝固速度，快速结壳，提高自补缩效果。由于内浇道是底返雨淋式，设计浇道随型冷铁，减小冷铁间隙。冷铁间隙控制20 mm以内，隔砂层厚度设计为10 mm～20 mm.

2）在上箱放置若干油瓶冒口，形成顺序凝固，由冒口进行液态补缩。

3）在保证机械性能的前提下，尽可能提高碳当量，C E值保持在3.75以上，以增加石墨化膨胀量，减少缩孔缩松。

5 结语

大型龙门加工中心工作台由于结构特殊，重量大，质量要求高，铸造生产存在风险大。只要铸造工艺方法得当，完全可以生产出满足质量要求的铸件。我厂已经为国内外客户批量生产了大量合格铸件，合格率达到98%以上，赢得客户好评，为企业良性发展提供了技术保障。