大型球铁件的铸造工艺改进研究
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摘要：大型球铁件在许多行业有着广泛的应用，这些部件大部分是铸造而成，但在其铸造过程中有许多问题存在。文章即对大型球铁件铸造工艺中存在的问题进行了分析，并针对这些问题提出了一些解决措施。
关键词：大型球铁件；铸造工艺；浇注系统
中图分类号：TG255 文献标识码：A 文章编号：1009-2374（2013）16-0011-02
随着各种机械设备的功率和个体越来越大，其所使用的零部件重量和体积也越来越大，这造成了大量的金属消耗。以前许多大型零部件是由优质钢材锻造而成，这不仅增加了加工的难度，而且还造成了优质钢材的大量消耗。为了解决上述问题，现在许多的大型机械零部件都由球墨铸铁铸造而成，这不仅节约了优质钢材的消耗，而且也大大降低了生产成本。大型球铁件是指重量为1～10吨的铸件，重量超过10吨的铸件被称为重型铸件。现在大型球铁件的应用越来越广泛，如水轮机叶片、风机叶片及重型机械的零部件等。在大型铸铁件的铸造过程中，由于种种原因会使生产出的铸铁件出现各种缺陷，这在很大程度上都是由于铸造工艺不完善造成的，因此必须对大型球铁件的铸造工艺进行改进，以尽可能提高大型球铁件的铸造质量。
1 大型球铁件铸造工艺的特点
大型球铁铸件的个体和重量比较大，生产成本较高，对其的铸造质量要求也很高。要求大型铸件成型后不仅有非常好的表面质量，而且要有较高的致密度；此外，大型铸件还要经过严格的无损检测，表面及内部绝对不允许有小的孔洞出现，并且不能进行补焊。大型铸件铸造工艺与小型铸件铸造工艺不同，小型铸件的铸造工艺可以进行多次的反复试验，而大型铸件的铸造工艺要求一次成功，因此这给大型球体件铸造工艺的设计者提出了更高的要求。随着计算机技术的发展，现在的大型球铁件铸造工艺的设计都借助于CAD及CAE技术进行，即首先根据理论和经验进行初步设计，然后利用计算机进行模拟，预测铸造过程中缩孔、冲砂、夹渣等缺陷出现的位置，然后对初设工艺进行完善和修正，以得出优化后的工艺。这就是现代铸造工艺的设计过程。随着科学技术的不断发展，目前已经可以利用很多方法对铸造工艺进行改进，以尽量减少铸造成型的球铁件的缺陷。
2 大型球铁件的铸造工艺改进措施
大型球铁件的铸造工艺改进可以从很多方面进行，但主要应从浇注系统设计、冒口设计及冷铁的应用等方面
考虑。
2.1 合理设置浇注系统
大型球铁件浇注系统的设计应遵循的设计原则为流速小、流量大、平稳、分散均匀，能很好地对铁液流量及浇注时间进行控制，从而使铁液能够均匀地流入型腔中，并能很好地进行挡渣、隔渣。大型铸件的浇注系统通常由浇口杯、内浇道、直浇道和横浇道等组成。为了使设计出的浇注系统满足浇注时间段、浇注截面积合理的要求，需要利用奥赞（Osann）公式对内浇道的截面积进行计算，然后根据各截面积的比值确定直浇道和横浇道的截面积。大型铸件的浇注系统，内浇道、直浇道及横浇道的截面积比值通常选为：ΣA1∶ΣA2∶ΣA3=1.5∶2∶1。这是以伯努利方程为基础对换算后的水力学计算公式进行推导，再根据大孔出流理论进行各截面积推导的方法，解决了以前用的老公式计算出的浇注时间偏长、浇注截面积偏小的问题。如果在铸造时采用的是无冒口铸造，则尽量采用宽而薄的分散形式的内浇道，浇道的宽度应为厚度的五倍以上，以方便清理及挡渣。
2.2 冒口设计
球铁在从高温液体凝结到固态的过程中由于铁水温度降低会发生体积收缩的现象，但同时由于在凝结的过程中会有石墨球的析出而使铁水体积发生膨胀，因此可以考虑利用球铁自身的膨胀而对体积收缩现象进行抵消，大型球铁件的冒口设计即是依据这个原理。但由于铸造条件的不同，因此怎样设计冒口以及是否需要设置冒口以获得致密性好、无缺陷的球铁件是亟待解决的一个问题。
如果铸造工艺满足以下条件则在铸造的过程中可以不设置冒口：（1）使用的铸型刚度较高，如采用了树脂自硬砂型等；（2）浇注时的温度较低（1300℃～1350℃）；（3）在铸件顶部有多个排气孔；（4）铸件的平均模数较大，通常要在2.5cm以上；（5）对所用铁液的质量要求较高，CE值要大于4.2%；（6）内浇道是采用的多道薄片型快浇式。无冒口浇注的工艺已经使用了几十年，在实践中也得到了很好的检验，但其适用的条件较苛刻，特别是在进行重型球铁件浇注时尤其要慎重。
当球铁件的铸造工艺条件不能满足上文所述的条件时，为保证球铁件铸造的质量必须设置一定量的安全冒口，以弥补铸造工艺缺陷及对铸造偏差进行纠正。在使用刚度较高的铸型进行铸造时，为了方便造型和脱模，安全冒口的形式常设计成随形或矩形压边明冒口，冒口的位置位于铸件的顶部，以便于实现补缩、排气及清除作用。压边冒口的冒口颈长度为零，压边缝隙虽然较窄，但此处的型砂不容易散热，因此在铁水浇注完毕以后该处仍能自上而下对球铁件的液体体积收缩进行补充，从而有利于防止缩孔现象的发生。在浇注过程中压边缝隙的大小要选择合适，如果压边缝隙过小则会导致铸件未完全凝固时缝隙已经被封闭，无法起到液态补偿的作用；如果缝隙过大则会导致铸件发生石墨化时缝隙还未封闭，发生“倒补缩”现象，易发生缩孔现象，因此必须选择合适的缝隙大小。压边安全冒口的总质量不应超过铸件总质量的2%，其长宽高之比通常选为a∶b∶h=1∶（0.5～0.7）∶（1.5～2.5）。如果铸件的外形不太规则，则可以楔缝型或鸭嘴形冒口，其缝隙的宽度应比压边大2～4cm。
2.3 冷铁的应用
由于大型铸件的厚实部位在铸造时的凝结速度比较慢（这些厚实部位主要包括热节和一些比较重要的加工面），因此在这些部位容易出现缩孔和缩松缺陷等，为了有效地防止这些缺陷的产生，需要在厚实部位设置冷铁。冷铁的厚度选择对激冷作用的影响很大，如果厚度过大则激冷效果不好，太薄则不容易挂住砂。在选择外冷铁的厚度时，通常取为壁厚值的0.4～0.6倍。而在对致密度要求高的铸孔进行加工时，则最好使用冷铁芯进行冷却。
3 结语
大型球铁件的铸造是一个复杂的工艺过程，影响其工艺的因素很多，需要在实践中进行不断的探索和改进，只有这样才能不断提高大型球铁件的铸造质量。
参考文献
[1] 李润生.大型球铁件的铸造工艺设计[J].现代铸铁，2011，（6）：48-53.
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