试验机丝母铸造工艺优化

李彦军，刘智峰

天水星火机床有限责任公司 甘肃天水 741024

1 序言

目前，我公司生产的试验机丝母易产生缩孔、缩松缺陷，废品率高达60%以上，出品率较低，基于这种情况，需进行工艺改进。

丝母属于中等壁厚铸件，大部分壁厚45mm，局部壁厚65mm，材质为QT600-3，毛坯重25kg，轮廓尺寸为φ175mm×220mm。技术要求铸件不得有缩松、缩孔、夹杂及气孔等铸造缺陷，丝母孔内不允许有任何缺陷。丝母铸件结构如图1所示。

图1 丝母铸件结构

丝母铸件主要缺陷是缩松、缩孔等收缩缺陷，主要位置集中在孔内中间部位和上表面中间部位以下（见图1）。铸件收缩包括液态收缩、凝固收缩和固态收缩三阶段。液态收缩影响缩孔大小，凝固收缩影响缩松倾向，固态收缩影响最终的外形轮廓尺寸。在制作模样过程中取1%～1.3%的缩尺可解决固态收缩问题，那么就从液态收缩和凝固收缩两方面分析和解决收缩缺陷。

由于丝母铸件材质为球墨铸铁，因此其凝固特点呈“糊状”凝固，即包围石墨的奥氏体临近接触时，铁液被分割成为不连续的熔池，此时铁液已不能流动，失去补缩通道，呈现出糊状。在凝固过程中，到达共晶温度时，大多数液体开始同时凝固，析出石墨引起体积膨胀，压力增加。

综上所述，这里从液态收缩和凝固收缩两方面及相关影响因素入手，并结合球墨铸铁凝固特性来分析和改进原有工艺。

2 原工艺存在问题分析

2.1 造型型腔排布工艺分析

原铸造工艺（见图2）从一端分型，铸件全部在下箱，一箱8件，左右两排呈条形排列分布，一排4件，每件基本孤立，外壁基本无相互热源传递，树脂砂砂型自然冷却，冷却速度相对较快。内孔砂芯被周围金属液包围，冷却速度相对缓慢，热量均衡分布相对较差。内孔受周围热源影响，凝固较晚，得不到有效补缩，易出现“苍蝇脚”状凝固收缩缺陷。由于丝母内孔是螺纹，因此不允许有任何铸造缺陷。

图2 原铸造工艺

2.2 内孔砂芯分析

原工艺外壁散热面积大，温度梯度大，冷却速度快。内孔由呋喃树脂自硬砂砂芯形成，由于硅砂蓄热系数较小，保温性能好，且内孔散热面积小，温度梯度小，因此冷却速度相对缓慢。根据球墨铸铁凝固特性，先凝固区域能得到后凝固区域的补缩，而后凝固区域得不到有效补缩或不能合理利用石墨化膨胀，易出现枝晶间收缩缺陷（缩松），或后凝固部分会产生集中微型缩孔。

2.3 浇注系统和冒口分析

排气孔的作用是排出型腔内气体，且可加快周围区域冷却速度。原工艺将排气孔放置在冷却速度快的部分，使其凝固速度更快，热量分布均衡性差，再叠加内浇道的过热影响，有顺序凝固的特点，不符合球墨铸铁凝固特性，会造成内浇道一侧的孔内更易形成缩松、缩孔等缺陷。为更好地保证铸件质量，总结以往灰铸铁的生产经验，铸造工艺上在顶端加高30mm作为连体补缩冒口，而球墨铸铁补缩冒口的主要作用是补充液态收缩，使液态收缩所形成的顶面缩陷和集中缩孔缺陷上移，将其在加工时去除，这样基本可解决铸件液态收缩缺陷，铸件外观尺寸也基本满足要求。

原铸造工艺浇注系统中内浇道截面使用高梯形。由于内浇道散热慢，所以在共晶凝固初期不能及时封闭，使铁液从内浇道产生回流，不能很好地应用石墨化膨胀对后续凝固收缩进行补缩，因此铸件在凝固晚的部位易出现缩松、缩孔缺陷。使用这种铸件生产工艺，不但铸件出品率较低，而且后序需要切除连体补缩冒口，铸件质量也不能稳定地满足要求。

3 工艺改进措施

3.1 型腔排列工艺改进

图3所示为改进后铸造工艺，将原来的条形排列变成星形排列[1]，星形排列相对聚集，外壁处互相增加热源，砂型散热速度减缓，外壁冷却速度减慢，凝固时间延长。内孔与外壁间凝固时间差减小，符合球墨铸铁的凝固特性，能更好地实现均衡凝固[2]。

图3 改进后铸造工艺

3.2 内孔芯材质改进

把原来树脂砂砂芯更换成蓄热系数更大的钢棒芯（见图3），钢棒芯不仅可形成内孔，且具有冷铁的激冷效果，还可增加孔内热传导速率，提高内孔冷却速度，加快孔内凝固，缩短与外壁凝固时间差，基本与外壁同时或略提前凝固，使铸件凝固过程更接近于均衡凝固，也更符合球墨铸铁糊状凝固特性。

3.3 浇注系统和冒口改进

（1）浇注系统改进 一箱8件，4件为一组，呈星形排列分布，每件一个内浇道，一组共用一个暗冒口，内浇道过暗冒口呈星形放射状（见图3），每件热量分布较均匀，内浇道尺寸为（宽×高）35mm×12mm，其截面采用扁平形（宽高比为3∶1）且截面较原工艺放大，便于快速充型和铁液凝固初期内浇道及时封闭，防止铁液回流，最大化应用石墨化膨胀特点，更符合球墨铸铁均衡凝固的特性。

（2）冒口改进 汇总一段时间内熔炼QT600化学成分分析，结果见表1。

由表1可得出，QT600碳当量为4.7%～4.8%。同时使用球墨铸铁专用生铁，其他原材料严格把控，铁液冶金质量良好。另外，出气孔移到内浇道所形成的热节附近（见图3），调节铁液凝固温度场，均衡铸件整体热量分布，使其达到均衡凝固。省去原来的连体补缩冒口，采用浇注系统补缩铁液液态收缩，凝固初期内浇道及时封闭，最大化地利用石墨化膨胀。根据以上条件，此铸件可采用小补缩冒口或无冒口铸造[3]。无冒口铸造的铸件力学性能从边缘向中心降低缓慢，而有冒口铸件从边缘向中心急剧下降，得出无冒口铸件的内在质量优于有冒口铸件内在质量。因此，采用无冒口铸造，铸件不但省去了顶端连体补缩冒口，且克服了凝固收缩过程中的缩松、缩孔缺陷，大幅提高了铸件工艺出品率。

表1 QT600化学成分（质量分数） （%）

4 结束语

通过铸造工艺改进，丝母铸件及同类产品质量满足了要求，提高了工艺出品率，与改进前相比，废品率大幅下降，达到5%以下，不但保证了铸件质量，提高了生产效率，而且保证了产品的生产周期。