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球墨鑄鐵（NodularCastIron）是一種具有優(yōu)良力學(xué)性能的金屬材料，通過在鐵液中加入球化劑和孕育劑，讓石墨呈球狀形核并長大而獲得。20世紀(jì)40年代，現(xiàn)代球墨鑄鐵由美國國際錫公司(INCO)青年科研人員K.D.Millis首先研究成功。球墨鑄鐵在力學(xué)性能、物理性能、工藝性能、使用性能上具有獨(dú)特的優(yōu)勢，生產(chǎn)工藝簡單，成本低廉，在機(jī)械、冶金、礦山、紡織、汽車及船舶等領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。

生產(chǎn)球墨鑄鐵時(shí)夾渣是zui常見的缺陷，其多出現(xiàn)在鑄件澆注位置的上平面或型芯上表面部位。夾渣缺陷嚴(yán)重影響鑄件的力學(xué)性能，特別是韌性和屈服強(qiáng)度，導(dǎo)致承壓部位發(fā)生滲漏。

筆者所在單位生產(chǎn)的一種發(fā)電設(shè)備鑄件前期經(jīng)常出現(xiàn)鑄件夾渣缺陷而報(bào)廢，針對(duì)此缺陷進(jìn)行了改進(jìn)。

1.原工藝及缺陷狀況

鑄件重量為4500kg，材料為QT400-18，呋喃樹脂自硬砂造型。采用15t/h工頻電爐熔煉，化學(xué)成分為：wC＝3.5%~3.7%，wS＝2.2%~2.7%，wMn＝0.3%~0.47%，wP≤0.06%，wS≤0.2%，澆注溫度為1350~1380℃。澆注系統(tǒng)采用半封閉式、橫澆道在分型面的環(huán)形底注工藝，內(nèi)澆道為4道φ35mm的陶瓷管，直澆道為φ80mm，橫澆道截面為：70/80mm×100mm，截面比為：F直：F橫：F內(nèi)=1∶2.99∶0.77，工藝方案如圖1所示。這樣設(shè)計(jì)出來的鑄件缺陷主要為夾渣，位置在法蘭背面和軸承上表面，形狀不規(guī)則，無金屬光澤，用滲透液或磁粉檢測，有時(shí)用肉眼即可發(fā)現(xiàn)，如圖2所示。

圖1 工藝方案

圖2 夾渣缺陷分布

2.缺陷原因分析

（1）熔煉或球化處理后，加入的熔劑和形成的熔渣在澆注時(shí)隨金屬液一起注入型腔。

（2）金屬液在澆注過程中鎂、稀土、硅、錳、鐵等二次氧化，產(chǎn)生的金屬氧化物和硫化物、游離石墨等上浮到鑄件上表面或滯留在鑄件內(nèi)的死角和砂芯下表面等處。

原工藝該鑄件的澆注壓頭為2.5m，鐵液從澆口杯進(jìn)入澆注系統(tǒng)后，直接由內(nèi)澆道底返進(jìn)入底法蘭，進(jìn)流速度大，約0.7m/s，進(jìn)入型腔的鐵液紊流嚴(yán)重，且嚴(yán)重卷氣，因此鑄件表面出現(xiàn)大量的渣，造成該產(chǎn)品的廢品率超過10%。

（3）由于含硫量過高，使金屬液含有大量硫化物，澆注后在鑄件內(nèi)部形成渣。

（4）金屬液中各組元（碳、錳、硫、硅、鋁、鈦）之間或這些組元與氮、氧之間發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，其氧化物與爐襯、包襯、砂型壁或涂料之間發(fā)生界面反應(yīng)形成夾渣。

3.改進(jìn)方案

（1）熔煉時(shí)對(duì)原材料進(jìn)行分揀，保證干燥、清潔、無銹蝕。

（2）提高鐵液出爐溫度和球化處理溫度，對(duì)澆包進(jìn)行充分烘烤。

（3）金屬液在澆包內(nèi)應(yīng)靜置一段時(shí)間，以利于渣上浮。

（4）降低原鐵液含硫量，在保證球化前提下，盡可能減少球墨鑄鐵的殘留鎂含量。

（5）澆注系統(tǒng)改進(jìn)。為保證鐵液在充填型腔的過程中平穩(wěn)、流暢，按大孔出流理論對(duì)澆注系統(tǒng)進(jìn)行了改進(jìn)，如圖3所示。采用開放式澆注系統(tǒng)，通過增大進(jìn)流截面降低進(jìn)流速度。鑄件整體分散進(jìn)流，快速充型，保證澆口杯、直澆道及時(shí)充滿。

圖3 改進(jìn)后的澆注系統(tǒng)

該鑄件重4500kg，澆注重量6000kg，根據(jù)相關(guān)公式計(jì)算的澆注時(shí)間為60s，阻流截面積為52cm2，即設(shè)計(jì)的開放式澆注系統(tǒng)的直澆道截面積為52cm2。按照標(biāo)準(zhǔn)的陶瓷管，則選擇φ80mm的陶瓷管，截面積是50.24cm2，按照推薦的澆注系統(tǒng)比例，設(shè)計(jì)的橫澆道截面形狀是矩形（9cm×6cm），則面積是108cm2，內(nèi)澆道是13道φ35mm的陶瓷管，截面積是125cm2，則zui終的截面比是F直：F橫：F內(nèi)=1∶2.15∶2.49。

根據(jù)上面計(jì)算的參數(shù)計(jì)算得進(jìn)流速度為0.28m/s，進(jìn)流速度降低很多，是原工藝進(jìn)流速度的40%。充型平穩(wěn)，避免紊流，大大降低了鐵液二次氧化的機(jī)會(huì)，從而可以減少夾渣缺陷。

4.改進(jìn)后驗(yàn)證

采用以上措施連續(xù)生產(chǎn)15件，鑄件沒有再出現(xiàn)法蘭和軸承上表面部位夾渣缺陷，改進(jìn)有效。類似的方法在其他產(chǎn)品上運(yùn)用，也有明顯效果。

5.結(jié)語

大型球墨鑄鐵件易于在澆注位置上表面以及鐵液流動(dòng)的一些死角區(qū)域產(chǎn)生夾渣缺陷，這些缺陷可以通過熔煉控制和澆注系統(tǒng)的改進(jìn)來解決。澆注系統(tǒng)形式以及參數(shù)選擇應(yīng)能保證鐵液平穩(wěn)充型，為此澆注系統(tǒng)各組成部分面積、澆注時(shí)間需按照內(nèi)澆道低速進(jìn)流、鑄件整體快速充滿的原則來計(jì)算。