呋喃樹(shù)脂砂鑄造工藝及過(guò)程質(zhì)量控制

呋喃樹(shù)脂砂鑄造工藝及過(guò)程質(zhì)量控制

森特羅脂肪砂是近年來(lái)開(kāi)發(fā)最快的鑄造造型材料。利用森特羅脂肪砂生產(chǎn)的鑄造體積準(zhǔn)確，外形光滑，拆卸清晰，拆卸率低，既可節(jié)約造型工作，又可改善工作環(huán)境。南車戚墅堰機(jī)車車輛工藝研究所有限公司(以下簡(jiǎn)稱戚所公司)于1990年建成了一條現(xiàn)代化的樹(shù)脂砂生產(chǎn)線,先后批量生產(chǎn)機(jī)車用制動(dòng)盤、HXD1C型機(jī)車齒輪箱、自主國(guó)產(chǎn)城際動(dòng)車組CRH6鋁合金齒輪箱等鑄件,在過(guò)程質(zhì)量控制方面積累了寶貴的經(jīng)驗(yàn)。2011年開(kāi)始生產(chǎn)城軌用牽引電機(jī)鑄鐵件,該類產(chǎn)品全部為低溫薄壁球墨鑄鐵(以下簡(jiǎn)稱球鐵)件,既要保證充型完整,無(wú)鑄造缺陷,又要求具有較高的低溫沖擊韌性及適當(dāng)?shù)膹?qiáng)度以滿足使用要求,因此對(duì)鑄造工藝及過(guò)程質(zhì)量控制要求較高。1鑄造工藝分析1.1脂砂生產(chǎn)薄基巖時(shí)的缺陷呋喃樹(shù)脂砂型的工藝特性為潰散性好、發(fā)氣量大,但導(dǎo)熱性差,高溫下因呋喃樹(shù)脂易燒損導(dǎo)致表面強(qiáng)度下降。薄壁球鐵件主要特點(diǎn)是壁薄,熱容量小,凝固時(shí)間短。因此,用呋喃樹(shù)脂砂生產(chǎn)薄壁球鐵件時(shí),常出現(xiàn)如下缺陷:(1)氣孔。樹(shù)脂砂發(fā)氣量及發(fā)氣速度較大是鑄件產(chǎn)生氣孔的主要原因,在高溫狀態(tài)下,呋喃樹(shù)脂砂發(fā)氣量比普通粘土砂大1倍多;(2)粘砂。呋喃樹(shù)脂砂經(jīng)高溫鐵液焙燒后,樹(shù)脂快速分解,造成鑄型表面強(qiáng)度下降,若鐵液此時(shí)尚未凝固,極易鉆入砂?？p隙或侵蝕砂粒,形成粘砂缺陷;(3)冷隔。薄壁球鐵件充型困難,澆注速度較慢或溫度較低易發(fā)生冷隔缺陷;(4)白口。球鐵件壁厚減薄,冷卻速度增大,凝固過(guò)程會(huì)沿著介穩(wěn)定系轉(zhuǎn)變,容易出現(xiàn)白口組織,韌性嚴(yán)重降低。1.2u2004澆注時(shí)間及工藝參數(shù)在設(shè)計(jì)薄壁球鐵件的呋喃樹(shù)脂砂澆注系統(tǒng)時(shí),應(yīng)堅(jiān)持大流量、快流速、平穩(wěn)、分散的澆注原則,以保證鐵液快速充型,使鐵液迅速建立一定的壓頭以抑制部分呋喃樹(shù)脂砂氣體析出和侵入鐵液。薄壁球鐵多采用半封閉式澆注系統(tǒng),∑A內(nèi)∶∑A橫∶∑A直=0.8∶(1.2~1.5)∶1或3∶8∶4,澆注時(shí)間按公式(1)進(jìn)行估算:式中:t為澆注時(shí)間(s);GL為型內(nèi)金屬質(zhì)量(kg);S為與鑄件壁厚有關(guān)的系數(shù)。此外,在設(shè)計(jì)鑄造工藝時(shí),應(yīng)采用凝固模擬先進(jìn)技術(shù),借助相關(guān)模擬軟件計(jì)算充型和凝固過(guò)程,判斷鑄造缺陷類型和位置等相關(guān)信息,縮短產(chǎn)品開(kāi)發(fā)周期,并從工藝上保證產(chǎn)品的內(nèi)在質(zhì)量。以某低溫薄壁球鐵城軌電機(jī)鑄件為例,圖1(a)所示為該鑄件的鑄造工藝三維示意圖,該鑄件形狀復(fù)雜,壁厚不均,最薄處僅7~10mm。采用半封閉澆注系統(tǒng),底注進(jìn)鐵,保證充型過(guò)程平穩(wěn)。在壁厚處放置發(fā)熱冒口加強(qiáng)補(bǔ)縮,在中心法蘭處和大法蘭處放置出氣片增強(qiáng)排氣,在鑄件底部厚大部位放置冷鐵消除熱結(jié),保證鑄件順序凝固。澆注系統(tǒng)方面,設(shè)置過(guò)濾網(wǎng)以保證鐵水純凈度,無(wú)側(cè)冒口進(jìn)鐵以保證工藝出品率。圖1(b)所示為應(yīng)用MAGMA鑄造模擬軟件計(jì)算的溫度場(chǎng)分布。2木模模具型板模具有金屬模和木模2類:金屬模具有耐腐蝕、易起模、難變形的特點(diǎn),多用于大批量生產(chǎn);木模因受到樹(shù)脂、固化劑等腐蝕,使用時(shí)間過(guò)長(zhǎng)會(huì)發(fā)生變形,因此多用于生產(chǎn)小批量產(chǎn)品。制作模具型板時(shí),應(yīng)保證各支撐板高度一致;木模宜用多層板制作面板,以保證底板平整,對(duì)于大型鑄件,要用金屬結(jié)構(gòu)件加固,以免底板變形;為保證模具的制作精度,所有樣板在使用前必須經(jīng)檢查員檢查確認(rèn)后使用;為提高模具定位精度,在型板上用劃線法確定定位中心線和定位銷座的位置;模具銘牌應(yīng)標(biāo)識(shí)準(zhǔn)確以方便操作人員辨認(rèn);模具堆放時(shí)應(yīng)避免模樣與模樣直接接觸;模具如長(zhǎng)時(shí)間不使用應(yīng)清理干凈上面的舊砂和浮灰以防止發(fā)生破損和變形。3砂質(zhì)測(cè)定3.1原砂的技術(shù)指標(biāo)樹(shù)脂砂造型對(duì)原砂要求較高,原砂的粒度應(yīng)根據(jù)主要產(chǎn)品的壁厚確定,對(duì)于鋁合金齒輪箱、球鐵電機(jī)類鑄件等產(chǎn)品,因壁厚較小,因此選用粒度為40~70目的原砂,其技術(shù)指標(biāo)如表1所示。樹(shù)脂分為含氮樹(shù)脂和無(wú)氮樹(shù)脂2種,生產(chǎn)鋁合金鑄件時(shí)一般選用較低廉的含氮樹(shù)脂,生產(chǎn)鑄鐵件時(shí)如經(jīng)濟(jì)條件允許可用無(wú)氮樹(shù)脂,也可選用含氮樹(shù)脂,但要加強(qiáng)鑄型排氣。樹(shù)脂加入量一般控制在原砂質(zhì)量的0.8%~1.2%。戚所公司使用的中氮呋喃樹(shù)脂技術(shù)指標(biāo)如表2所示。固化劑的選擇根據(jù)氣溫和季節(jié)的變化而改變,采用磺酸固化劑的加入量一般為樹(shù)脂加入量的40%~60%。3.2再生砂質(zhì)量控制要點(diǎn)(1)可使用時(shí)間。通常把型砂24h抗拉強(qiáng)度只剩80%的試樣制作時(shí)間作為型砂的可使用時(shí)間。一般情況下,型砂的可使用時(shí)間應(yīng)控制在6~10min,對(duì)于薄壁鑄件,應(yīng)適度放寬可使用時(shí)間使其緩慢硬化,通過(guò)調(diào)整固化劑的加入量來(lái)控制型砂的可使用時(shí)間。(2)型砂強(qiáng)度。型砂的初強(qiáng)度(即型砂在1h的抗拉強(qiáng)度)應(yīng)控制在0.1MPa~0.4MPa。型砂的終強(qiáng)度(即型砂在24h的抗拉強(qiáng)度)應(yīng)控制在0.6MPa~0.9MPa,不能因追求強(qiáng)度而過(guò)度地加入樹(shù)脂,既增加成本又增加了氣孔缺陷傾向,同時(shí)不利于舊砂回收。(3)起模時(shí)間。起模時(shí)間與型砂強(qiáng)度、型砂溫度、環(huán)境溫度、環(huán)境濕度、砂箱溫度、模具溫度、鑄型形狀等諸多因素有關(guān)。在生產(chǎn)過(guò)程中,往往以與砂箱接觸的型砂強(qiáng)度作為判斷依據(jù),如果用通氣針沿箱壁往下扎,扎入深度平均小于20mm時(shí)即可起模。起模時(shí)間根據(jù)季節(jié)和氣溫變化而改變,一般控制在15~60min。(4)灼減量(L0I值)。灼減量是衡量再生砂脫模率的重要指標(biāo),也是與型砂發(fā)氣量及鑄件氣孔缺陷密切相關(guān)的指標(biāo),一般將再生砂的灼減量控制在3%以下。降低灼減量的方法有補(bǔ)加新砂、填充廢砂塊、降低砂鐵比等。一般情況下,再生砂的灼減量應(yīng)每周檢查1次。(5)微粉含量。微粉含量是指再生砂中140目以下物質(zhì)的含量。微粉含量應(yīng)控制在0.8%以內(nèi),含量越高,型砂的透氣性越差,強(qiáng)度越低。每周定期清理3~4次除塵器布袋上的灰塵是最有效的解決方法。(6)砂溫。最適宜的造型砂溫應(yīng)控制在15~30℃,砂溫超過(guò)35℃時(shí)型砂迅速硬化,強(qiáng)度達(dá)不到使用要求,影響造型操作。夏天車間環(huán)境溫度往往達(dá)到40℃,控制砂溫成為造型控制要點(diǎn),此時(shí)水冷系統(tǒng)必須啟用以降低一些溫度。如溫度仍降不下來(lái),可將舊砂在前一天放入砂斗經(jīng)過(guò)一夜自然冷卻降溫,或添加適量新砂調(diào)節(jié)砂溫。4設(shè)計(jì)質(zhì)量控制4.1砂料加入量的影響呋喃樹(shù)脂砂混制的工藝流程為:在石英砂中加入固化劑,攪30s后加入呋喃樹(shù)脂,再攪拌30s出砂。采用連續(xù)式混砂機(jī),氣動(dòng)送砂,螺旋攪拌給料,先加入固化劑,后加入呋喃樹(shù)脂,連續(xù)出砂。混砂機(jī)能否正常運(yùn)行,將直接影響混砂質(zhì)量。開(kāi)機(jī)前應(yīng)檢測(cè)壓縮空氣壓力、樹(shù)脂、固化劑泵是否異常,液料是否充足,并按規(guī)范對(duì)設(shè)備進(jìn)行檢查、潤(rùn)滑和冶煉回流。一般情況下,由于環(huán)境溫度的變化會(huì)造成液料粘度的變化,在相同電壓的情況下,液料的加入量會(huì)產(chǎn)生波動(dòng),砂料閥門因反復(fù)開(kāi)合而出現(xiàn)計(jì)量不準(zhǔn)的情況。每日進(jìn)行型砂配比檢測(cè)可確?；焐芭浔葒?yán)格符合薄壁球鐵件工藝要求。此外,每日下班前應(yīng)清理混砂槽,并在混砂槽內(nèi)壁和刀桿、刀片上刷脫模劑。4.2拋丸和噴砂處理薄壁球鐵件常放置冷鐵以滿足質(zhì)量要求,但冷鐵厚度不宜過(guò)大以免造成冷隔等缺陷。當(dāng)冷鐵有銹蝕時(shí),在鑄件放置冷鐵的部位易產(chǎn)生蜂窩狀氣孔。因此鑄鐵冷鐵需進(jìn)行拋丸處理或噴砂處理,并在使用前進(jìn)行烘干處理。所有使用冷鐵的鑄型,在點(diǎn)燃涂料時(shí)應(yīng)采用燃?xì)鈬姌寣?duì)冷鐵部位進(jìn)行烘烤,質(zhì)量要求較高的鑄件可使用石墨冷鐵代替鑄鐵冷鐵。4.3機(jī)械粘砂和沖砂生銹起皮的砂箱應(yīng)清理干凈。填砂時(shí),靠近砂型表面應(yīng)用手或木棒對(duì)型砂進(jìn)行緊實(shí),特別是凹部、角部、活塊、凸臺(tái)下部以及澆注系統(tǒng)等部位必須舂實(shí),以免產(chǎn)生機(jī)械粘砂和沖砂缺陷。為降低生產(chǎn)成本,在吃砂量較大的部位可填充舊砂塊,流到砂箱外面的型砂應(yīng)作為備砂及時(shí)使用。為提高鑄型(芯)透氣性,應(yīng)嚴(yán)格按工藝要求放置冒口和出氣片(棒),型砂填充完成后,應(yīng)在鑄型表面扎通氣眼。對(duì)于體積較大的坭芯,應(yīng)預(yù)埋通氣繩或通氣管。盡量采用整體制芯工藝,減小砂芯接頭處的臺(tái)階和披縫,保證鑄件表面光滑、平順,減小裂紋傾向。4.4其他缺陷缺陷由于樹(shù)脂砂高溫潰散性好,對(duì)涂料的刷涂質(zhì)量要求較高。涂料層應(yīng)致密,尤其是澆注系統(tǒng)和鑄型側(cè)面的涂刷質(zhì)量要高,以保證無(wú)沖砂或粘砂等缺陷?？刹捎么蓟営⒎弁苛虾褪苛线M(jìn)行刷涂,醇基涂料能提高耐火度,石墨涂料能提高表面光潔度。非加工面的涂料層應(yīng)打磨平整,不能有明顯刷痕,死角處不能出現(xiàn)涂料堆積。薄壁球鐵件一般要求涂刷上述2種涂料各1遍,每次涂刷后用火點(diǎn)燃烘烤。為保證鑄型表面強(qiáng)度,對(duì)于“當(dāng)天造型,當(dāng)天合箱”的產(chǎn)品,起模至少2h后方可刷涂料,其余產(chǎn)品應(yīng)在造型次日進(jìn)行涂刷。4.5澆口杯的選擇對(duì)于質(zhì)量較輕的薄壁鑄件(小于100kg),允許在造型后4h內(nèi)合箱,如生產(chǎn)條件允許,最好在次日合箱以減少氣孔缺陷傾向。同時(shí),為了避免返潮和吸氣,應(yīng)盡可能縮短合箱到澆注的時(shí)間,如無(wú)法當(dāng)日澆注,最好次日烘烤后再合箱。合箱前,應(yīng)將直澆道和冒口根部的型砂清理干凈;針對(duì)不同產(chǎn)品選擇合適的澆口杯;合箱過(guò)程應(yīng)使用定位銷以防止錯(cuò)箱,定位銷應(yīng)放于上箱以便合箱過(guò)程中的觀察和調(diào)整位置。為便于澆注,相同材質(zhì)的鑄型應(yīng)集中放置,砂箱間距要適中以方便澆注。5增碳劑對(duì)鐵液的增碳提取液薄壁球鐵件共晶凝固時(shí)冷卻速度快,易在共晶凝固組織中形成自由滲碳體,導(dǎo)致力學(xué)性能惡化,提高石墨數(shù)量和球化等級(jí)是解決該問(wèn)題的有效途徑。對(duì)薄壁球鐵件,應(yīng)用廢鋼增碳配合隨流孕育技術(shù)可大大降低成本,提高產(chǎn)品質(zhì)量。廢鋼增碳過(guò)程添加回爐料40%~50%,廢鋼40%~50%,增碳劑1.5%~2%。增碳劑的加入,使鐵液中石墨晶核數(shù)量增多,石墨數(shù)量、大小、形貌得到改善。隨流孕育過(guò)程添加0.1%左右的隨流孕育劑,同時(shí)降低總體孕育劑加入量(控制在0.6%~0.8%),在鐵水澆入鑄型過(guò)程中根據(jù)工藝要求倒入不同流量的隨流孕育劑,可得到含量大于95%鐵素體,1~2級(jí)球化的組織,鑄造后不需熱處理或低溫回火熱處理便可滿足強(qiáng)塑性和低溫韌性要求,同時(shí)避免薄壁件因高溫回火熱處理變形造成的產(chǎn)品報(bào)廢。因樹(shù)脂砂發(fā)氣量大,極易產(chǎn)生氣孔和夾渣缺陷,薄壁鑄件澆注溫度過(guò)低會(huì)產(chǎn)生冷隔,故對(duì)熔煉過(guò)程應(yīng)嚴(yán)格控制,應(yīng)堅(jiān)持“高溫熔煉,適溫澆注”的原則。應(yīng)提高澆包修砌質(zhì)量,打包時(shí)應(yīng)將包壁上的粘附熔渣清理干凈,鐵液包在使用前應(yīng)烘烤