厚大复杂球墨铸铁件的铁模覆砂工艺探讨

赵晓林，余让刚，陈传涛

（1.重庆卡森科技有限公司，重庆 404100；2.重庆方汀机械制造有限公司，重庆 404100）

球墨铸铁具有较大的缩孔缩松倾向，如何防止和消除缩孔缩松一直是铸造工作者关注的问题。由于球墨铸铁缩孔、缩松形成的复杂性，在缩孔、缩松的形成机理和防止措施方面，存在许多不一致甚至相互矛盾的看法。本文通过综合评价有关球墨铸铁件缩孔、缩松的形成及预防机理，针对厚大复杂球墨铸铁的铁模覆砂工艺，提出解决铸件缩孔、缩松的方案。

1 球墨铸铁生产特性

1.1 球墨铸铁的凝固特性

球墨铸铁有着和其他合金不同的凝固特点，国内外铸造工作者对此进行了几十年的研究，比较一致的看法是：1）共晶凝固温度范围宽，呈糊状凝固；2）与灰铸铁相比，共晶团数量多，共晶膨胀较大。

球墨铸铁共晶结晶时，由于加镁处理的结果，石墨核心在液相中长到一定尺寸时即被奥氏体包围，由于奥氏体外壳阻碍碳原子自熔融液体向石墨球扩散而使得石墨球生长速度减慢，共晶反应的完成除了靠已有共晶团长大外，还要靠新的晶核析出完成，因而共晶转变在一个较宽的温度范围内进行，导致铸件在很宽断面上固液两相共存，呈糊状凝固。

1.2 球铁液态冷却和凝固过程的体积变化

球铁凝固过程中的体积变化，从对缩孔、缩松形成的影响考虑包括合金本身因比容变化而造成的体积变化和型腔体积变化两部分。对合金本身凝固时的体积变化研究，有实验研究和理论计算的方法。C E Bates和B.Patterson[1]用φ12.7 mm×7.01 mm的圆片状试样进行测试，体积变化过程为：（先共晶）膨胀→收缩→（共晶）膨胀→收缩。最后结果是净膨胀0.8%～1%；B P Winter等人用φ91 mm×229 mm试样用黏土砂干型试验[2]，结果发现球铁试样在浇注后体积一直在收缩，其中液态收缩量为2.0%，凝固收缩量为2.7%.R.W.Heine采用理论计算的方法建立了更切合铸铁件实际凝固情况的铸铁凝固相图，并用该相图对铸铁凝固过程的体积变化重新进行计算[3]，结果认为灰铁和球铁凝固都可能膨胀或收缩，其膨胀或收缩取决于工艺条件和冶金条件。有的研究者采用专门设计的试验装置和方法，去除型壁移动因素，球铁凝固时的体积变化不固定，所获结果仍不一致，甚至相互矛盾。

综合已有研究结果可以认为，球墨铸铁凝固的体积变化还与冶金因素有关。有研究者分别探讨了碳当量、镁含量、稀土、孕育等冶金因素，以及铸件模数、铸型条件、浇注温度等工艺因素对共晶膨胀和型壁移动的影响[4]，主要结论表明：碳当量在共晶点时的膨胀力最大，这已被大量的研究试验所证实。加入稀土减少膨胀；增加孕育量使膨胀增加；铸件模数增加，铸型膨胀力增大；铸型刚度提高使膨胀量减小，铸型的热膨胀系数也有影响；浇注温度高，膨胀量减小。此外还探讨了石墨形状、数量、尺寸、分布对共晶膨胀的影响，结果表明：石墨球化率越高、石墨相对含量越多，共晶膨胀越大；中等偏小的球墨共晶膨胀量最大；大小不均的球墨共晶膨胀力低。虽然国内外的铸造工作者在球铁的凝固特性和收缩特性的研究上取得了许多成果，但大多数局限于单因素或双因素的影响，对多因素的影响及各因素之间的交互作用的研究不十分全面，因而得出相反的结果也就不足为奇[4]。

1.3 型腔尺寸在铸件浇注和冷却过程中的变化

型腔尺寸在铸件浇注和冷却过程中的变化是影响缩松形成的另一个重要因素。徐承祖[5]对铸铁金属型和湿砂型的型腔尺寸变化进行了测量，并同步测绘了铸件的冷却曲线，结果表明：金属型在浇注过程中，型腔迅速扩大，但此时铁液可以补充进入型腔，故这部分型腔扩大对缩松形成不会有影响。浇注结束时，型腔扩大即停止并转为持续向内缩小，显然对减少缩松有利。湿砂型在浇注开始之后，型腔迅速扩大，而后仍以减速度继续不断地扩大，直至共晶凝固结束为止，显然会增大铸件缩松倾向。有资料对干砂型的尺寸变化的测量结果表明[2]：从浇注结束到共晶凝固初期，型腔迅速扩大，而后一直保持不变，直至凝固结束时，型腔略微缩小，这种变化对防止缩松也是比较有利的。周亘等人用干型砂工艺试制6300ZC大马力柴油机曲轴成功后，将全套工艺移植到呋喃树脂自硬砂型[6]，投产结果却产生严重的缩松、缩孔，导致多起断轴事故。呋喃砂铸件的凝固时间约为黏土砂干型铸件的1.5倍，即使大幅度增加冷铁用量，由于冷铁外围的型砂散热缓慢，铸型冷速仍然偏慢，铸件不能在内浇道凝固前及时凝固收缩，造成液态补缩量不足，成为缩孔、缩松的原因。

由于各种铸型的型腔尺寸在浇注过程中就已发生变化，因而用浇注前的型腔尺寸或模样尺寸与铸件尺寸比较来判断铸件外形胀大与否是不准确的。所谓“高刚度铸型”，应当是指型腔的铁液进出口凝固封闭后，型腔尺寸保持不变或缩小的铸型。

2 厚大复杂球铁件铸造工艺的选择

2.1 树脂砂（冷硬树脂砂）造型

在紧实度保证的情况下砂型（芯）强度较高，热稳定性好，可以有效抵御浇注时的型壁退让、迁移现象[7]。采用冒口或小冒口自补缩工艺，并在厚大断面处放置冷铁，砂型（芯）在浇入铁液后，作为有机物的树脂和固化剂及其反应物，会产生热量。因此在树脂砂砂型中铸件冷却速度较慢，配合在厚大断面处放置冷铁，能有效解决缩孔缩松问题。但是树脂砂工艺存在一些缺点，选择时还需要综合考虑：

1）受各项因素的影响树脂的价格越来越贵，通常树脂砂铸造砂铁比大于3，树脂用量大，生产成本也随之逐步上升；

2）对原砂的质量要求高；

3）呋喃树脂砂铸造生产时，铸件热裂的倾向比较大；

4）在铸件浇注过程中型腔中会有大量的气体产生，排气设计和涂料使用不当时产生气孔的风险非常大；

5）造型和浇注现场，在生产过程中有刺激性气味，劳动作业环境相对较恶劣，需要良好的通风条件；

6）对球墨铸铁件来讲，表面因渗硫可能会造成球化不良，这就对所使用的涂料提出更高的要求，铸造成本随之增加；

7）树脂砂造型的最大缺点是无法大规模的上线生产，只能手工造型，生产效率低，适合大型单件小批量的产品。

2.2 黏土砂造型

1）黏土干砂型

黏土干砂型虽然砂型强度高，但是能耗高，尺寸精度差，劳动强度大，现已逐渐被树脂砂替代，本文不做分析。

2）黏土湿砂型

黏土湿砂型铸造是传统的铸造工艺，其最大的优点是：黏土的资源丰富、价格便宜、制造铸型的周期短、工效高。其最大的缺点是：铸型的刚度不高，铸件的尺寸精度较差，铸件易于产生缩松、缩孔、冲砂、夹砂、气孔等缺陷。即使采用高压、气冲或静压造型设备，虽然提高了砂型的表面强度，减少了冲砂等缺陷，但是在浇注过程中型腔的扩大无法避免。除石墨化膨胀外，浇注后型砂受热膨胀隆起也会使型腔扩大[7]。为了减少和避免铸件内部出现缩孔、缩松缺陷，就需要强有力的外部补缩，通常需要增加体积较大的砂冒口或者强有效的发热冒口。除了强有力的外部补缩外，有时还需要配合使用冷铁，增加冷却条件。但是在造型线上生产时放置冷铁，除了会影响到造型线的生产效率，增加了运行成本，还要承受在湿型中放置冷铁带来的负面影响。尤为显著的是用湿型生产高牌号的球墨铸铁件时，为满足强度和硬度要求，不得不增加合金的使用量，添加合金后又会增加铁液的液态收缩倾向，就更需要外部铁液对铸件进行补缩，工艺出品率低，生产成本高。

2.3 铁模覆砂造型

铁模覆砂铸造是造型时在铁质砂箱表面上覆有一层固态树脂膜的型砂形成铸件的外形，由铁型和薄的砂胎组成的铸型锁紧后刚度高、变形小、冷却快，得到的铸件尺寸精度高、加工余量小、组织致密，特别适合球墨铸铁的生产。在生产球墨铸铁时能利用球墨铸铁的石墨化膨胀对铸件进行自补缩，实现球墨铸铁的少、无冒口铸造，得到优质铸件，尤其对生产高牌号的珠光体基体的盘类、杆类、轴类等厚大铸件十分有利。此外铁模覆砂造型工艺还有其他优点：

1）污染小，工作现场环境明显改善。虽然燃烧也对环境有一定的影响，但毕竟用砂量少；

2）覆砂层薄，砂子用量少，生产成本低，浪费小；

3）铁膜覆砂铸造具有覆膜砂壳型铸造的特点，造型方便、快捷，不论什么铸件砂型，2 min～3 min之内便可造型完毕，并且不需要涂刷任何涂料。既得到了光洁的铸件，又提高了铸件的形状和尺寸精度；

4）造型采用自动化生产线作业，利用铸件浇注后铁型的余热进行再循环生产的覆膜砂固化，不仅减少了用电，而且铸造过程呈现封闭式循环生产状态，投资少、见效快；

5）由于砂胎的存在避免了金属型铸造易产生白口的缺点。对铸铁件而言，可铸态生产各种材质，无需热处理。

3 模拟分析技术的应用

模拟分析技术现今已经是一门非常成熟的技术，通过模拟分析技术可以使得传统不可见的铸造浇注、凝固、冷却过程变得可视化，通过模拟分析技术，可以实现的目标有：

1）预知凝固时间、开箱时间、确定生产率；

2）预测缩孔和缩松形成的位置和大小，制定相对应的解决措施；

3）预知铸型的表面及内部的温度分布，方便铸型（特别是金属型）的设计；

4）控制凝固条件，为预测铸件应力、微观及宏观偏析、铸件性能等提供必要的依据和分析计算的数据；

5）模拟液态金属在铸型中的流动状态，并根据模拟得到液态金属的流动速度、压力等变化规律优化浇冒口系统设计，防止浇道中吸气，消除流股分离现象以避免氧化，减轻液态金属对铸型的冲蚀；

6）模拟出液态金属的温度分布，从而预测浇不足、冷隔等缺陷；

7）降低浇注重量和废品率，提高工艺出品率，节约能源和成本。

凝固过程数值模拟不仅可以形象地显示液态金属充填型腔和在型腔中冷却凝固的进程，还可预测可能产生的缺陷，所以可在制造计划现场实施前，综合评价各种工艺方案和参数，优化工艺方案，取代或减少现场试制，这对大型复杂形状或贵重材料凝固成形铸件的生产，其优越性和经济效益尤为突出。

综上所述，铁模覆砂工艺在铁水浇注到铁模覆砂铸型中，铁水充型、凝固和冷却过程在一个比较理想的条件下完成，最大限度地消除了铸造缺陷产生的一些因素，从而提高铸件的质量。同时，金属型没有退让性、刚性强，促使铸件凝固时石墨化膨胀不会造成覆砂层退让而泄压，在外层金属型条件下快速凝固冷却，从而获得没有收缩缺陷的铸件，尤其在改善和预防中小型厚大断面球墨铸铁件缩孔缩松问题上具有其他造型方式不具备的优越性。本文以一大型厚大轮型回转体铸件的铁模覆砂铸造工艺设计及生产验证过程为例，阐述如何利用模拟分析技术，使用铁模覆砂工艺生产出高质量合格铸件。

4 典型工艺实例

4.1 铸件的技术要求

铸件为厚大轮型回转体，单重134 kg，材料牌号QT600-3，要求在满足延伸率的前提下，强度必须达到750 MPa以上。由于此铸件要承受动静载荷，因此要求其具有强度大、韧性好、耐磨损、耐冲击的性能，铸件要求100%通过超声波探伤检测。为了减少工作面磨损，对绳槽的工作表面的硬度等提出严格的要求，硬度要求为240 HB～270 HB，同一圆周面四点硬度差在15 HB以内。为保证铸件硬度的均一性，还需要对铸件进行热处理。铸件结构如图示1.

图1 铸件结构

4.2 铸造工艺方案

为提高铸件的质量，选用铁模覆砂工艺代替普通砂型，考虑到铁型对铁液的强制激冷作用，在工艺设计上遵循薄壁处先凝固、厚大热节处利用铁型冷却较快的优点，使铁液在充型过程中及充型结束后的初期冷却中提早完成部分液态和凝固收缩，及时从未凝固的浇注系统和发热冒口中获取补缩液量，与此同时又可借助铁型刚度较高的有利条件，在铸件凝固后期充分利用石墨化膨胀进行自补缩。

对铸件结构进行分析，发现铸件壁厚差异比较大，薄壁处15 mm，厚壁处85mm.从缩松缩孔形成的原理分析，消除铸件的缩松、缩孔的关键是克服小模数薄壁分体的阻隔作用，保持补缩通道的畅通，为此依据铸造生产的实际经验设计了2种工艺方案，并对其进行计算机模拟分析和试验验证。

4.2.1 铸造工艺方案一

浇注系统采用从铸件法兰圆周切向进水的方式，配合使用冷铁和热冒口对铸件进行补缩处理。工艺方案如图2所示

利用均衡凝固原理，通过在热节处放置冷铁，降低热节模数提高冷却速度，尽可能使铸件壁厚趋于一致，利用凝固过程中的石墨膨胀实现自补缩。

利用铁模覆砂工艺可实现无冒口铸造的特点，在铸件本体上不放置补缩冒口，只是在浇注系统上设置一定体积的普通热冒口，既能提高浇注系统的挡渣能力，又能在铸件凝固过程中提供一定量的液态金属对铸件进行补缩。

方案一的铸造工艺出品率为83.5%.

4.2.2 铸造工艺方案二

浇注系统采用发热冒口在铸件顶部直浇的方式，并在铸件上放置三个发热冒口，对铸件热节部位进行补缩，工艺方案如图3所示。

铁液从铸件顶部通过放置泡沫陶瓷过滤网的直浇冒口均匀、平稳地进入型腔，不仅能够保证进入型腔的铁水的洁净度，浇注系统还能起到补缩冒口的作用，此外在靠近热节的位置放置了三个发热冒口，对其余部位进行补缩。

依据铸件预防产生缩孔缩松的理论研究结果，结合长期一线生产的铸造工作经验，设计合理的铸造工艺模型，再利用模拟软件反复分析论证，选择合适的冒口体积、冒口颈尺寸、冒口摆放位置，利用顺序凝固的原理，将最后凝固的部位移至冒口，并保持冒口与热节处的通道，从而使冒口对热节处直接进行补缩。

发热冒口的设计原理是通过发热材料的化学反应产生热量，保温材料减缓热量损失的双效结合，以提高冒口内金属液温度，延长冒口内金属液的凝固时间，使冒口对铸件的补缩能力大大提高。通常情况下发热保温冒口的补缩效率可达到30%～35%.

方案二的铸造工艺出品率为93.8%.

图2 工艺方案一

图3 工艺方案二

4.3 工艺方案模拟分析

基于砂箱、覆砂层厚度等冷却边界条件、铸件材质一致的情况下，对设计的两种工艺方案做模拟分析。

方案一模拟结果如图4所示。从模拟结果看铸件中有少量的凝固液相孤立区域，凝固收缩时将有可能依靠石墨化膨胀来补缩，可能消除缩孔、缩松缺陷。

图4 方案一模拟结果

方案二模拟结果如图5所示。从模拟结果看，热节与冒口之间的通道一直保持畅通，没有形成孤立的凝固区域，使用发热冒口在凝固收缩阶段，热节处的凝固收缩可以从冒口中得到补缩，从而可以消除缩松缩孔。

4.4 铸件生产

原材料使用冷轧薄板废钢，质量分数占60%～70%，回炉料使用工厂内部回料，质量分数占30%～40%，铁液采用中频感应电炉熔炼，选用卡森科技石墨化增碳剂，预处理剂，KM-071球化剂，KY-C孕育剂，采用冲入法球化工艺，铸型采用铁模覆砂制作。

4.4.1 铸件化学成分

根据化学元素对球铁力学性能及铸造性能的影响，结合公司内部生产控制工艺，化学成分控制范围如表1所示。

表1 化学成分各元素含量（质量分数，%）

图5 方案二模拟结果

4.4.2 球化及孕育处理

球化剂的选用与铁液有关，铸造工艺要求浇注温度不同选用含镁量不同的球化剂；原铁液中含硫量不同，选用含稀土量不同的球化剂。采用感应电炉熔炼，铁液含硫量较低，比较纯净，故选用卡森科技KM-071厚大件专用球化剂。

球化剂的颗粒度选择主要与一次处理铁液量有关，粒度过小，容易粘包，粒度过大，空隙率大，上浮过快，氧化烧损增加，特别是铁液温度高时，氧化烧损加剧，吸收率降低。实际生产浇包为500 kg包，选择5 mm～20 mm粒度的球化剂。

球化处理采用冲入法，球化剂加入质量分数为1.0%～1.6%，球化反应时间为 70 s～100 s，出铁温度控制在1 520℃～1 580℃，浇注温度控制在1 340℃～1 420℃，从球化处理完成到浇注结束时间控制在8 min内。

孕育对缩松、缩孔的影响不是单向变化的，提高孕育量也不见得能减少缩松，可以说孕育有一个最佳量，孕育剂加入量过少时，会导致孕育不足并出现白口和硬度过高的现象，但孕育剂加入量过多未必都能熔化，因此可能造成夹渣，增大铸铁的收缩量，产生缩孔缩松等缺陷。为提高球铁的综合性能，采用炉前对铁水进行预处理，之后采用大剂量孕育和多级孕育处理工艺，在包内放入粒度3 mm～8 mm的KY-C，加入质量分数为0.5%～0.9%，浇注时使用卡森科技粒度为0.2 mm～0.7 mm的KY-D随流孕育剂，粒度集中度均大于80%.

4.4.3 覆砂层厚度及排气

覆砂层是采用覆膜砂工艺，覆砂层的厚度按照模拟分析的结果为：浇道部分覆砂层厚度12 mm～15 mm，筋板与轮缘接触处的覆砂层6 mm～8 mm，其余部位的覆砂层在8 mm～10 mm，整体砂铁比达到0.2.

型砂在高温金属液的作用下，由于水分蒸发及有机物的挥发、分解和燃烧，在浇注过程中会产生大量的气体，当砂芯排气不畅时，这些气体会侵入到金属液中，使铸件产生气孔缺陷。此外，排气严重不畅时，还会出现浇不足、抬箱等问题。因此在上下箱都要预留出一定的排气孔，增加型腔的排气。

4.4.4 冒口的选择

采用模数计算法，粗略估计冒口的大小规格尺寸，再利用模拟软件分析测试，选择最适合铸件的冒口体积和摆放位置，在避免铸件出现缩松、缩孔缺陷，确保铸件质量的同时，还要提高铸件出品率，实现冒口最大补缩率，以降低铸造生产成本。

冒口设在铸件热节上、冒口颈适当厚大有利于延长补缩时间，增加进铁量，增大铸件材料含量和膨胀量，并有利于最后凝固区移入冒口，有利于防止缩孔、缩松[8]。

用于做顶注浇注系统的冒口在保证有一定的高温强度的情况下，还需要有一定的保温效果，保证顶注冒口中的铁水在内浇口凝固前始终保持液态，形成向冒口方向扩展的补缩通道。

为得到最佳的补缩效率，保证冒口有一定的补缩压力，首先考虑暗冒口。

4.5 生产验证

4.5.1 方案一生产结果

按照方案一生产铸件，解剖后发现铸件中有不能消除的缩松问题，分析主要的原因为：铸件型腔总是有铁液进口和出口（浇道、冒口、气眼等），在液态冷却期间，型腔尚未封闭，但是已有部分的石墨在液相中成核并不断长大，这种先共晶石墨析出引起的过早的膨胀不但起不到补缩作用，反而会将铁液挤出型腔，妨碍补缩铁液进入铸件而引起缩松。此外如果在后期凝固时产生的石墨化膨胀小于凝固收缩，那么在热解最后凝固处将得不到补缩，从而产生缩孔、缩松缺陷。解剖结果如图6所示。

图6 方案1解剖厚大处缩松缺陷

4.5.2 方案二生产结果

按照方案二生产铸件，根据顾客要求在铸件本体上取样检测抗拉强度和延伸率，在本体法兰面不同部位检测四点硬度，机械性能检测结果如表2所示。

表2 铸件本体机械性能

按照公司质检部门制定的品质评价方案，对实际生产的铸件在100%做完超声检测后，进一步做解剖着色检测，检测结果见图7，7a）为顶部单独放置发热冒口的筋板解剖结果，7b）为用直浇口杯做冒口的筋板解剖结果，从结果看铸件内部组织致密，没有缺陷，完全满足顾客需求。

图7 方案二解剖着色检测结果

取铸件本体热节部位（筋板和圆周连接部位）做金相检测，结果见图8，球化率＞90%，球化等级2级，石墨大小6～7级，珠光体组织＞85%，满足顾客要求。

图8 厚大部位本体金相检测结果

5 结 论

1）对于壁厚均匀的中小型铸件，铁模覆砂工艺可实现无冒口铸造，但是在厚大断面尤其是壁厚差异比较大的产品，仅仅利用铁模覆砂工艺铁型对铁液的强制激冷作用和在铸件凝固后期充分利用石墨化膨胀进行自补缩作用，并不能够解决缩孔缩松问题，需要借助外部的强力补缩。

2）无论是均衡凝固理论还是顺序凝固理论，都有其适用的产品类型，在实际的铸造工艺设计上不能一概而论，不能非此即彼。往往为了得到合格铸件，在工艺设计上既使用均衡凝固理论又使用顺序凝固理论，这就需要工艺设计者具有良好的技能素质。

3）通过精准分析，建立合适的铸造工艺模型，利用先进的模拟分析技术，使用高质量发热保温冒口，合适的合金材料和球化孕育处理工艺，采用铁模覆砂铸造工艺生产出各项指标均高于技术要求的合格铸件，降低浇注重量和废品率，提高工艺出品率，降低铸造生产成本，创造更高的效益。