大斷面球鐵活塞的生產

柯志敏，何良榮，關敏權，陳永成，郭均旭

（中天創展球鐵有限公司，廣東順德 528313）

大斷面球鐵活塞的生產

柯志敏，何良榮，關敏權，陳永成，郭均旭

（中天創展球鐵有限公司，廣東順德 528313）

簡述了ф760 mm大斷面活塞的生產過程，解決單件大活塞生產中的砂箱、起吊高度、防止漏箱、材質等方面的問題。通過合理地設計造型、熔煉、澆注等工藝，結合一些大斷面球鐵件的生產經驗，從原輔材料的選擇，鐵液化學成分的控制，合適的球化和孕育處理以及適當添加微量元素等方面控制措施，解決厚大斷面球鐵件易出現石墨球粗大、石墨球數少、開花狀石墨、蠕蟲狀石墨等問題。應用這些措施，生產出了各項性能指標都合格的大活塞。

厚大斷面活塞；砂箱；造型；熔煉；材質

上活塞做為柴油錘打樁機的重要部件，其質量直接影響著機器的使用性能。近期我公司接到一個特大斷面的活塞生產任務，加工成品的斷面為ф720 mm，而鑄件毛坯的斷面更是達到ф760 mm。雖然生產打樁機的活塞已多年，但都是生產ф600 mm以下的。本次生產任務要求生產ф760 mm的活塞，對我們來說也是一個挑戰。

1　主要技術要求

（1）材質：QT600-3; 鑄件毛坯質量約16 t;

（2）鑄件球化級別不低于4級；

（3）鑄件材質應符合GB/T1348-2009的要求；Rm≥550 MPa；Rp0.2≥340 MPa；A≥1%；HBW190～270;

（4）鑄件不允許有裂紋、冷隔、氣孔、夾渣等缺陷，且不得補焊。

2　技術難題及解決辦法

2.1砂箱問題

我公司一直都是樹脂砂造型批量生產活塞，配有專用砂箱，專用砂箱有足夠的剛性且有外冷鐵的作用。但此活塞由于尺寸較大，沒有適宜專用砂箱，因此需要借用普通板材焊接砂箱，而普通砂箱的剛性是一個需要解決的問題。由于活塞高度大，澆注時鐵液的壓力大，加上在凝固過程中石墨化的膨脹力，故必須對普通砂箱從內到外進行加固。此活塞選用的砂箱從上到下分7節，要對7個砂箱全部焊接加固。普通砂箱見圖1。

圖1　普通砂箱

2.2起吊高度問題

活塞的自身高度為4 900 mm，加上冒口高度及下方的防漏砂層，選用砂箱的總高度為6 300 mm，砂箱上方的拔塞定量包高1 200 mm，鐵液包在澆注時又要高出定量包1 300 mm；所以鑄型在合箱后總高度達到8 800 mm。雖然鑄型放在深3 500 mm的坑中澆注，但也比起地面高出5 300 mm。經過現場的多次調整和模擬澆注試驗才最終解決了起吊高度問題。

2.3鑄型整體防止漏箱和定位

因此活塞造型是用7節砂箱由低到高疊箱構成，在每一節砂箱合箱面間的防漏成了重要問題，必須保證每個砂箱的合箱面吻合，所以在模具上分節的高度嚴格按各個砂箱的高度量身定做（除最底下的砂箱除外）。為此，在造型時按順序分7個砂箱造型，每一個砂箱在造型完成后在它的基礎上造相鄰的下一箱，以使兩個鑄型間的間隙最小。在每節砂箱造型時使用專用的定位套和定位銷，在合箱時保證每個鑄型間的準確定位。此外，在鑄型的合箱面上放上足夠的封箱膠，防止鑄型間的局部間隙過大造成的漏箱；組合完7個砂箱后，砂箱周圍用螺柱鎖緊，在每個合箱面的四周用型砂加強防護。通過以上措施從內到外進行防護，從而確保了在澆注時高壓鐵液下不出現外漏。

2.4材質問題

厚大斷面球鐵由于凝固緩慢，易出現石墨球粗大、石墨球數少、開花狀石墨、蠕蟲狀石墨等問題。特別是這種特大斷面的活塞，更是難題。

圖2　鑄件工藝圖

3　工藝設計

3.1加工余量

由于此活塞用的是一次性泡沫模具，縮水率選1.1%；為了保證加工余量，徑向單邊的加工余量為20 mm；由于活塞上表面浮渣匯集，易形成夾渣鑄造缺陷，為了將這些缺陷去除，加大了上表面的加工余量，定為100 mm。

3.2澆注系統

從圖2可以看出，大活塞的自身高4 900 mm，屬于高大鑄鐵件，為了保證鐵液平穩充型，選用開放式階梯澆注系統，分別從底部和中部引入鐵液。

3.2.1最小阻流截面積

根據球墨鑄鐵件澆注時間的經驗公式：

注：公式（1）中的G為鑄件及澆冒口總質量，按18 000 kg計算。

根據水力學原理，并按照公式（2）對阻流截面積進行計算：

式中，F阻是澆注系統最小阻流截面積，cm2; G是鑄件澆注質量，kg; μ是流量系數；t是澆注時間，s；Hp是平均計算靜壓頭高度，cm。

查表知μ=0.48，將t=79 s, Hp=390 cm代入公式（2），計算出最小阻流截面積為：

根據開放式澆注系統各組元的比例特點，取ΣF直∶ΣF阻∶ΣF橫∶ΣF內=1∶1∶1∶1.4。

其中ΣF直=78 cm2,采用ф100 mm的陶瓷管；內澆道ΣF內=109.2 cm2，除了底部用ф100 mm陶瓷管引入外，在距離底部2 700 mm處開設4個內澆道，每個內澆道的截面積為7.8 cm2。

3.2.2冒口設計

為了便于排氣和集渣，在活塞頂部設置冒口，冒口高820 mm，冒口頸尺寸為230×70（mm）。如圖2所示。

3.3冷鐵

厚大斷面球鐵采用冷鐵加快冷卻速度，縮短凝固時間是控制質量的關鍵工藝措施之一；外冷鐵的厚度選用活塞半徑的1/2，即190 mm，但考慮到冷鐵厚度太厚時，冷鐵本身自重太大，在造型時搬動困難，不方便操作，因此選用厚度120 mm；在造型時，直接在鑄件周圍均勻排滿。為防止鐵液壓力過大時砂箱底部出現漏箱，在砂箱底部使用隨形冷鐵，厚度70 mm。

4　熔煉工藝

原材料選用純凈的爐料，廢鋼和生鐵都經過光譜取樣分析，主要控制Cr、Mo、W、V、Ti、Sn、Pb、Zn、As、Bi等元素；同時應掌握Cu的含量，便于合金元素的加入；在微量元素中，應特別注意Ti，《球墨鑄鐵用生鐵》GB/T1412-2005中已將Ti作為控制元素分為兩檔；根據實踐，厚大斷面球鐵石墨的開花、畸變都與Ti含量偏高有關，因此最好控制wTi≤0.03%。熔煉設備采用電爐12 t+5 t; 配有爐前快速分析儀。

4.1化學成分選擇

C及CE：含碳量高，析出的石墨球數多，球徑尺寸小，圓整度增加；但過高的含碳量會產生石墨漂浮；在生產球鐵時碳的范圍一般為3.5%～3.8%，厚大斷面球鐵的碳應控制在下限，故選擇3.55%～3.65%；CE選擇4.2～4.4%。

Si ：Si是促進石墨化的元素，隨著含硅量的增加，鐵素體數量增加，珠光體數量減少；硅含量高是碎塊狀石墨形成的主要原因之一；對于厚大斷面球鐵來說，終硅應控制在2.0%～2.3%；同時，為了保證足夠的孕育量，原鐵液的含硅量應控制在1.2%以下。

Mn：Mn是穩定奧氏體元素，降低奧氏體向珠光體轉變的溫度，促進珠光體形成，提高鑄件強度，但容易在共晶團邊界上產生偏析；對于厚大斷面來說，錳的偏析傾向特別顯著，故應控制Mn≤0.60%。

P、S：P、S屬于有害元素，應嚴格控制其含量，越低越好；wP≤0.03%；wS≤0.02%。

Cu：加入少量Cu，能顯著增加珠光體的數量，促進石墨化，細化共晶團，提高球鐵的強度和硬度；Cu的加入量控制在0.5%～0.8%。

微量元素：加入微量的Sb能提高石墨球的圓整度，增加石墨球數；Sb可使基體組織中的珠光體數量增加，一般控制在0.01%～0.015%。

Mg和RE：Mg和RE都是強烈穩定碳化物的元素，使鐵液有較大的結晶過冷和形成白口傾向。RE量偏高還易使厚大斷面鑄件產生碎塊狀石墨。因此，應該盡可能降低它們的殘留量。為此，控制殘留Mg在0.04%～0.05%，RE殘≤0.015%。

表1　化學成分控制范圍　%

4.2球化及孕育處理

由于此活塞的鐵液量較大，經過計算約需要18 t鐵液，熔煉電爐現有12 t和5 t兩臺，熔煉時現場解決1 t鐵液不夠的問題。球化處理時用熱態電子秤進行鐵液質量稱重。

球化劑選用5～25 mm的低硅輕稀土Mg6RE球化劑和5～30 mm重Mg7RE球化劑各50%混合使用；孕育劑選用高鋇的高效復合孕育劑，其粒度為3～8 mm。球化處理采用堤壩式沖入法處理，球化劑的加入量為1.35%～1.45%；選用20 t的鐵液包處理，把球化劑加入鐵液包的一側凹槽內，略加緊實，在上面覆蓋0.2%的孕育劑，再在孕育劑上蓋鐵屑，保證球化劑壓蓋緊實。當鐵液溫度達到1 400±10 ℃時，出爐沖入鐵液包的另一側球化處理，同時將孕育量0.4%的孕育劑，分兩次加入到鐵液包內。反應時間120 s左右，待反應結束后扒渣3～4次。在扒渣完成后在鐵液面加入孕育劑0.1%，同時在18 t的定量包底加入孕育量0.1%，總的孕育量控制在0.7%～1.0%。

澆注時，把18 t噸鐵液澆注到定量鐵液包內，待鐵液全部澆到定量包后，等待約10 s后拔塞，以便渣能上浮到鐵液表面。

4.3保溫時間

根據工藝要求，活塞的保溫時間為150～160 h。

5　檢驗結果

采用上述工藝方法生產了ф760 mm的大活塞。見圖3。

圖3　 ф760 mm大活塞

球化處理后澆注前取光譜分析樣，附鑄試樣從鑄件上敲落，進行化學成分、金相組織、機械性能檢驗；同時對活塞本體進行金相組織檢驗；結果見表2。

表2　附鑄試樣的化學成分　%

表3　金相組織

附鑄試樣金相組織見圖4、圖5。

圖4　浸蝕前

圖5　 浸蝕后

活塞本體金相組織見圖6、圖7。

圖6　浸蝕前

圖7　浸蝕后

表4　機械性能

以上化學成分、金相組織、機械性能完成達到技術要求。

6　結束語

根據厚大斷面球鐵活塞的結構和技術要求，通過解決特大件單件生產中的技術難題，合理地設計造型、熔煉、澆注工藝，解決了厚大斷面球鐵易產生石墨粗大、石墨球數少、石墨漂浮、石墨球畸變、浮渣等問題。從原輔助材料的選擇、鐵液化學的控制、添加微量元素、合適的球化和孕育處理工藝等方面入手，應用這些工藝措施，完全可以生產特大斷面的球鐵活塞。通過這次大活塞的生產，為以后批量生產積累了寶貴的經驗。

［1］ 中國機械工程學會鑄造分會.鑄造手冊（第1卷）.鑄鐵［M］.北京：機械工業出版社，2007.

［2］ 丁根寶.鑄造工藝學（上冊）［M］.北京：機械工業出版社.1985.

［3］ 中國機械工程學會鑄造分會.鑄造手冊（第5卷）：鑄造工藝［M］.北京：機械工業出版社，2010.

［4］ 彭建中.劉玲霞.楊忠賢.大型風電球墨鑄鐵輪轂的質量控制［J］.鑄造,2010（9）.

［5］ 薛蕊莉.林艷茹.原曉雷.厚大斷面球墨鑄鐵法蘭盤的生產［J］.現代鑄鐵,2013（1）：32-35.

［6］ 鄧小明.吳樹偉.6.0MW風力發電機球鐵底座鑄件的生產 ［J］.現代鑄鐵,2012（5）：28-32.

［7］ 楊利軍. 大型球墨鑄鐵活塞的生產［J］. 中國鑄造裝備與技術,2003（3）.

［8］ 李遴珍，李建輝. 大斷面球墨鑄鐵曲軸的鑄造生產［J］. 中國鑄造裝備與技術,1996（3）.

［9］ 段漢橋,韋世鶴,肖理明,張友壽. 厚大斷面球鐵生產中的幾個主要問題［J］. 中國鑄造裝備與技術,2001（3）.

Heavy section ductile iron piston production

KE ZhiMin, HE LiangRong, GUAN MinQuan,CHEN YongCheng, GUO JunXu (Zhongtian Chuangzhan Ductile iron Co.,LTD., Shunde 528313,Guangdong,China )

This paper briefly introduces the production process of large section of the piston diameter of 760 mm, solve the sand box, single piston in the production of large lifting height, to prevent leakage of tank, material and other aspects of the problem; through reasonable design, smelting, casting and other processmodeling, combined with the production of some heavy section ductile iron castings experience, from the raw and auxiliary materials selection, control of chemical composition of molten iron, suitable spheroidization and inoculation,the appropriate add trace elements such as measures to control, to solve theheavy section ductile iron parts prone to graphite, graphite ball number is lessbulky, blossom graphite, vermicular graphite and other issues. The application of these measures, the production out of the big piston various performance indicators are qualifed.

Thick Section Piston; Sand Box; Modeling; Melting; Material

TG255；

A；

1006-9658（2015）06-0024-04

10.3969/j.issn.1006-9658.2015.06.007

2015-07-16

稿件編號:1507-993

柯志敏（1980—），男，工程師，主要從事鑄造工藝、技術研究和技術管理工作.