大型球墨铸铁件铸造工艺的优化设计

1 大型球墨铸铁件常出现的铸造缺陷

在大型球墨铸铁件的砂型铸造生产中，通常易出现的铸造缺陷有缩孔、缩松、夹渣、气 孔、起皮、变形等。 这些常见铸造缺陷通常受以下一些因素的影响。大型球墨铸铁件因其轮廓尺寸大、 壁厚尺寸大或其热节厚大，如浇注系统设计不合理，使铁液进入型腔后的温度梯度达不到上高下低的良性状态；如果未设置合理的配套补缩冒口对相应热节的液态冷却进行必要补缩；如果铸型的刚性不够，则易在铸件的一些厚大热节处出现缩孔、缩松铸造缺陷。因其轮廓尺寸大， 如浇注系统设计不合理、又未对铁液进行有效过滤，即浇注系统不能有效阻滞熔渣进入铸件型腔，则容易在铸件的一些厚大平面处出现夹渣铸造缺陷。其轮廓尺寸大， 如浇注系统设计不合理，使铸件的浇注时间过长，加之砂型的抗夹砂的能力弱，则易在铸件的一些大平面处出现夹砂铸造缺陷。因其轮廓尺寸大， 如浇注系统设计不合理，使铸件的浇注时间过长以及铁液进入型腔后的温度梯度达不到上高下低的良性状态，又加之冒口的排气不畅及冒口的冷铁液溢流不充分等，则容易在铸件的上平面处出现气孔铸造缺陷。其轮廓尺寸大、质量大，如浇冒系统设计不合理，使铸件的温度分布极不均匀，温差过大，则容易使铸件产生变形及至裂纹铸造缺陷。要有效克服和避免上述铸造缺陷在大型球墨铸铁件中出现， 其相应铸件的铸造工艺设计在以下方面应当优化或优选。

2 浇注系统的优化设计

2.1 浇注系统结构型式的优化设计

在大型球墨铸铁件的砂型铸造生产中, 除少数板类、 环类等铸件多采用相对简单的单层进液型式外， 其余铸件的浇注系统的进液型式通常采用阶梯式以及分层的结构型式。对于浇注位置高度较高的大型球墨铸铁件的砂型铸造，我们认为其浇注系统合理的型式应是：在阶梯式进液的基础上再结合分层处理为最好。这样可使铸件型腔建立上高下低的良性温度场和理想的凝固条件，达到获得致密铸件的目的。

对于较小型、或其浇注位置高度较小的大型球铁件，单组浇注系统的分层进液型式。  其冒口浇注的“高温”铁液既可对铸件的液态冷却收缩进行有效地补缩，又可简化浇冒系统的设计，尤其是可减小冒口的设计，从而提高铸件的工艺出品率；对于大型球墨铸铁件，两组浇注系统的分层进液型式；对于特大型球墨铸铁件，三组浇注系统的分层进液型式。其冒口部分可获得温度较高的“高温”铁液以便对铸件的液态冷却收缩进行有效补缩；对于重大型球墨铸铁件，四组浇注系统的分层进液型式。其冒口部分的铁液由冒口系统作为“浇注系统”浇注至冒口的最高面，可获得良好的“高温”铁液对铸件的液态冷却收缩进行有效补缩。

2.2 有效浇注时间的合理确定

绝大多数所介绍的铸件浇注时间， 均指的是液态金属从开始进入型腔到完全充满型腔所经过的时间。 绝大多数工厂均仍沿用这种传统的浇注时间理论指导铸件浇注时间的确定。对于大型球墨铸铁件，我们认为采用铸件的有效浇注时间新理论来指导其浇注系统的设计较为合理。 铸件的有效浇注时间指的是金属液开始进入型腔至充满铸件最高轮廓为止的时间。

2.3 浇注系统最小截面积的确定

绝大多数工厂采用的是水力学的理论公式，但生产实践普遍反映该公式计算得出的浇注系统最小截面积偏小， 有主张采用大流量原则。对于大型球墨铸铁件，我们认为采用公式其浇注系统最小截面积的设计较为合理。 

2.4 浇注系统各组元截面比的优化设计

由于大型球墨铸铁件的铁液浇注量大，易产生氧化夹渣物， 若铁液充填铸型时不平稳或断流，就更易产生氧化夹渣及气孔等缺陷。浇注系统必须除具有平稳及较快地充填功能外，还应具有良好的挡渣效果。其每组浇注系统应优先采用半封闭式浇注系统为宜。

3 过滤技术的适宜应用

由于大型球墨铸铁件的铁液浇注量大，浇注时间长，铁液中的熔渣和球化处理的氧化夹杂物进入型腔的几率大；而铁液带入的气体增加了铁液的含气量，熔渣使气泡的外来核心增加，并可提高铁水粘度而增加气体外逸阻力，从而易使铸件产生气孔。要有效克服大型球墨铸铁件的夹渣及其相关的气孔缺陷，应当合理地在其浇注系统中适宜地应用过滤技术和措施。

其措施主要是在浇注系统的适当位置设置铸造纤维过滤网或泡沫陶瓷滤网；有的工厂还采用了铸造纤维过滤网和泡沫陶瓷滤网叠加的过滤工艺措施。 

4 冷铁的适宜应用

球墨铸铁的糊状疑固特性及其独特的收缩行为，使其与灰铸铁有很大的不同，更有别于其它铸造合金。 因此，为获得高致密度的球墨铸铁件，在造型工艺方面通常要很好地配合冷铁工艺措施，尤其对于材质为高致密度要求的大型球墨铸铁件来说，应较大量地、较适宜地应用冷铁工艺措施。 其冷铁的厚度尺寸通常是所设置的铸件位置处。

5 冒口系统的合理设计

由于大型球墨铸铁件的铁液浇注量大， 铁液的液态冷却收缩量及其需要补缩的量也相应较大，故其冒口系统应当优先选用其自适应力强及其补缩力强的压边冒口或其压边冒口与缩颈冒口的结合型式为宜。

6 浇注工艺的合理确定

浇注温度取 决于铸件壁 之厚薄和结构复杂程度，要获得致密组织铸件，应尽可能缩短铁水在铸型中凝固时间，减轻内部枝晶间疏松，应当采用较低的浇注温度， 但有资料指出球墨铸铁件的浇注温度在1300℃以下时铸件易产生夹渣缺陷。 要克服大型球墨铸铁件产生变形以及裂纹的铸造缺陷，还应合理设计浇冒系统-使铸件的“温度场”分布均匀，温差尽可能小，使铸件达到较为均匀冷却状态，以及确定出铸件的较长的冷却时间。