原创 吴仲超 铸造工程 2022-02-07 07:59
编辑导语：铁模覆砂铸造生产的铸件具有尺寸精度高、表面光洁度好、铸件重量轻等优点，但对于尺寸较长、壁厚差异较大的箱壳铸件常存在铸造气孔、夹渣、裂纹等缺陷。通过对比，选用合适的浇注系统、落砂工艺等控制措施，生产一种长度为970 mm的箱壳铸铁件，试验发现其尺寸、性能合格，采取相应措施后，铸件大平面气孔、侧面夹渣、裂纹等缺陷问题得到有效解决，产品质量合格。
铁模覆砂铸造工艺是在铁模内壁挂上一层型砂，浇注后获得优质铸件的一种工艺方法，经过十几年的发展，在一些厚壁需急冷的铸件上得到迅速发展和规模化应用，成为铸造工业的重要组成部分。
与传统砂型铸造相比，其优点在于造型过程中用铁模代替了砂箱，铸型刚度大、用砂量少，工艺出品率高，具有尺寸精度高、表面光洁、重量轻等诸多优点。但铁模覆砂铸造工艺也有其缺点和局限性，并非所有的铸件都适合采用铁模覆砂工艺来生产，要进行具体分析。下面简单介绍一下笔者公司在试制一种长度为970 mm箱壳的铁模覆砂铸造工艺中，防止上平面气孔、侧壁夹渣、裂纹等缺陷的方法和控制措施。
1 工艺方案
此铸件的材质为GG25，基本壁厚8 mm，最大壁厚达49 mm，轮廓尺寸为970 mm×520 mm×235 mm(图1)。铁模覆砂铸造工艺根据铸件的几何形状进行制模，使用1 100 mm×780 mm×275 mm的砂箱进行射砂覆砂，将法兰面作为分型面，分型面侧冒口进水并同时起补缩作用，通过控制C、Si的含量和加铜合金来满足其力学性能要求。
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图1 产品轮廓
笔者设计了两大典型工艺方案，并进行优缺点分析。方案1(图2)：将铸件位于下箱，从法兰面进水，由于铁液充型落差有235 mm高，铸件表面有产生气孔、夹渣缺陷的风险。
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图2 工艺方案1
工艺方案2(图3)：铸件置于上箱，充型相对平稳，但作为薄壁件，铸件上表面产生气孔、冷隔的风险很大。
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图3 工艺方案2
权衡比较上述两大典型工艺方案的优缺点：铁模覆砂工艺和树脂砂类似，方案1经充型模拟分析，充型过程易出现铁液飞溅、紊流等;但对比方案2，综合考虑充型和排气，以及覆膜砂整体强度较树脂砂好，充型过程冲刷夹杂物少，因此采用方案1开模试验。
具体参数为：铁模覆砂厚度为8 mm，浇注系统截面积比例按直浇道﹕横浇道﹕内浇道=1﹕1.5﹕1.2控制，直浇道底部设置100 mm×100 mm×20 mm的陶瓷过滤片。
工艺难点主要在于铸件大平面气孔、侧面夹砂、裂纹等缺陷问题。
2 工艺试验
确定好工艺方案之后，进行试验验证，具体包括以下步骤：
(1)装模。将模具吊装进铁模生产线的造型工位，芯盒上、下总成分别安装到造型设备连接板上。
(2)模具加热。将模具加热到150～250 ℃，采用红外线测温枪测温。
(3)射砂。射砂前需检查分合面，确保无隙缝见光现象;设定射砂时间为27 s，启动射砂按钮完成射砂操作。
(4)该铸件产品铁模覆砂固化时间控制在90～120 s后开模，这样壳型固化比较完好。
(5)油道泥芯由于位于下箱，离分型面较远，为了防止粘砂，采用耐高温覆膜砂制芯，泥芯工作表面浸涂铸铁用醇基涂料。
(6)检查壳型后合箱，锁箱放置浇口杯。
(7)炉前成分控制在C%=3.05～3.25、Si%=1.7～1.9、Cu%=0.6～0.8要求的范围之内，终硅按2.0%计算，来满足力学性能和加工要求。
(8)浇注温度控制1 420～1 430 ℃，浇注时间27～30 s。
(9)浇注后在20～22 min开箱。
(10)铸件变形检测。通过3D扫描，铸件的公差与设计的三维尺寸相比均在±1 mm范围内;但收缩率在长、宽方向上存在明显差异，宽度方向收缩率比长度方向收缩大0.3%～0.5%。
(11)试验了7件铸件，其中出现裂纹的有3件，大平面出现气孔的1件，侧面出现夹渣缺陷的2件。
3 缺陷改进措施
针对铸件大平面气孔，侧面夹渣、裂纹等缺陷，采取了下面几项改进措施。
(1)针对内腔侧壁夹砂缺陷，再次试制时在壳型局部喷涂水基涂料，以提高壳型表面抗夹砂性能和抗脉纹能力(图4)。
(2)针对平面气孔缺陷(图5)，在浇注进水的对面设置4个ϕ 60 mm×70 mm的溢流冒口(图4)，增加分型面排气缝隙0.3～0.4 mm。
(3)针对侧壁裂纹缺陷，控制浇注后的开箱时间在13～15 min。
采取上述措施后，生产了小批铸件，气孔、侧面夹渣、裂纹等缺陷已得到明显改善;本体硬度HBW 192～200;金相组织石墨细小，等级达到四级，材质合格;样件加工性能良好。
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图4 壳型
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图5 气孔缺陷
4 结论
对于箱壳类铸件的铁型覆砂铸造工艺，结合充型模拟分析，采取了在壳型局部喷涂水基涂料，在浇注进水的对面设置溢流冒口，增加分型面排气缝隙，控制浇注后的开箱时间等针对性措施，在解决铸件法兰面气孔、侧壁面夹砂及裂纹缺陷方面取得显著效果，产品质量满足要求。
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文章编辑：柳建国
微信编辑：蔡文娟
微信审核：张 杨
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