厚大鑄鐵皮帶輪缺陷的成因與控制措施

金桂芹，王秋芝，閻 濤

（1.黃岡師范學院機電學院，湖北 黃岡438000；2.河北鋼鐵（集團）唐鋼股份有限公司，河北 唐山 063000）

0 前言

某廠生產的厚大型皮帶輪，在輪轂和輪槽處易出現縮孔和縮松缺陷。尤其有許多帶輪鑄造完好無損，后續經加工，常常在輪槽處出現大面積的縮松。這種情況嚴重影響了產品質量及生產進度。本文通過對縮孔縮松缺陷的形成機理及形成原因和影響因素的分析，經過合理的工藝改進和防止方法，實現了質量和生產雙贏。

1 問題的提出

欲生產型號為SPC1000-08（5050)B型皮帶輪毛坯，毛坯輪廓尺寸：Φ1 023×226 mm，理論重量：332 kg，材質：HT250，依重量屬中大型鑄w件。鑄件壁厚較為均勻，輪轂處壁厚值62 mm，為最大壁厚，最大熱節在輪轂與筋板交匯處，約為Φ75 mm，輪緣與筋板交匯處熱節約為Φ60 mm，鑄件經加工，常常在帶輪的切槽及輪轂處出現大量的縮孔縮松缺陷（見圖1和圖2），有時會出現成批量廢品，嚴重影響帶輪的力學性能及使用性能，甚至報廢。因為切槽是最后一道工序，這給生產帶來了嚴重的損失，消除縮孔和縮松缺陷是當務之急。

圖1 輪緣縮孔縮松

圖2 輪轂縮孔

2 縮孔縮松的形成機理

鑄件的收縮包括三個方面：液態收縮、凝固收縮、固體收縮。純金屬、共晶成分合金和結晶溫度范圍窄的合金，在一般鑄造條件下按由表及里逐層凝固的方式凝固。由于金屬或合金在冷卻過程中發生的液態收縮和凝固收縮大于固態收縮，從而在鑄件最后凝固部位形成尺寸較大的集中縮孔。結晶溫度范圍較寬的合金，一般按照體積凝固的方式凝固，凝固區內的小晶體很容易發展成為發達的樹枝晶。當固相達到一定數量形成晶體骨架時，尚未凝固的液態金屬便被分割成一個個互不相通的小熔池。在隨后的冷卻過程中，小熔池內的液體將發生液態收縮和凝固收縮，已凝固的金屬則發生固態收縮。由于熔池金屬的液態收縮和凝固收縮之和大于其固態收縮，兩者之差引起的細小孔洞又得不到外部液體的補充，便在相應部位形成了分散性的細小縮孔，即縮松[1]。

3 形成原因及影響因素

3.1 鑄件結構的原因

該鑄件屬于中大型件，為了保證后續加工質量，輪緣粗加工量較大，致使帶輪切槽部位正好是熱節部位。該鑄件斷面較厚，存在幾處熱節，在輪轂與筋板及輪緣與筋板處，由于是樹脂砂造型，砂型的保溫性能較好，該鑄件重量較重，鐵水從高溫冷卻到室溫凝固時間長，不可能達到100%的同時凝固，凝固慢的地方就形成了縮孔和縮松。

3.2 工藝設計的原因

3.2.1 澆注系統設計不合理

如果鑄件的內澆口設計到厚壁處，由于內澆口開的尺寸不合理，長時間處于金屬液的沖擊，在鐵水凝固發生石墨膨脹狀態下，澆口附近鑄件的厚大部位易產生縮孔和縮松。

3.2.2 冒口及冷鐵設計不合理

冒口設計的原則應是：冒口凝固時間大于或等于被補縮鑄件的凝固時間，要有足夠的補液且鑄件凝固過程中一直處于正壓狀態。冒口的位置要偏離鑄件的熱節，避免二次熱節的發生，否則該補的鐵液得不到補充，很容易發生縮孔。冷鐵可與冒口配合使用，能加強鑄件的順序凝固條件，擴大冒口補縮距離或范圍，減少冒口數目或體積。但是由于冷鐵與過高的金屬液接觸，鐵水的發氣量大，易產生縮孔缺陷。

3.2.3 型砂的原因

由于型砂的原因，型砂高溫強度及耐火度低，造成鐵水澆入鑄型時，使鑄型外移，增加了鐵水的補縮量，易產生縮孔縮松，尤其中大型鑄件更為敏感。

3.3 澆注及熔煉工藝

3.3.1 化學成分不合格

比如碳當量低，鐵水凝固時，共晶石墨析出的數量少，石墨化膨脹的作用降低，鐵水的凝固收縮增加，流動性變差，導致鐵水的自補縮能力降低，鑄件易產生縮孔和縮松。含磷量偏高，使凝固區間擴大，同時低熔點磷共晶在最后凝固時得不到補縮，造成顯微縮孔。尤其對于含碳量低的鑄鐵，體收縮較大，更應注意。S是阻礙石墨化的元素，使鐵水氧化嚴重，鐵水的流動性變差，容易產生縮孔和縮松。3.3.2澆注溫度及澆注速度

澆注溫度高，鐵液的流動性能好，液態收縮量增加，易產生縮孔。澆注速度太快，使需要補縮的部位來不及補充足夠的鐵水，也容易產生縮孔縮松缺陷，澆注太慢，由于樹脂砂造型，澆注時，發氣量大，排氣不能保證暢通，易形成氣孔。

4 防止縮孔縮松的方法

4.1 合理選擇鑄造工藝

保證鑄件滿足順序凝固的原則，輪緣與筋板交匯熱節處（即輪緣的外面）處放冷鐵3塊，減少了冒口的數量，擴大了冒口的補縮距離。該皮帶輪工藝圖如圖3所示。

圖3 SPC1000-8皮帶輪毛坯圖

4.2 嚴格控制化學成分

鑄件壁厚較厚，且樹脂砂冷卻速度較慢，按中限控制，化學成分控制如表1所示，P、S量控制到較低范圍，尤其鑄鐵迄今尚無有效的脫P辦法，生產中可以采用如下措施控制含P量：①使用低P原材料；②廢鋼中不得摻有廢鑄鐵；③要使用來源清楚的低P廢鑄鐵。爐前用C、S檢測儀測C、S含量，不在此范圍的鐵水不澆注該產品，可以改成其它產品。有經驗的操作工人，可以根據鐵水表面的火花來判斷鐵水的“軟”和“硬”。鐵水出鐵槽流入鐵水包時，鐵水表面因受沖擊而濺出微滴，微滴的某些成分被空氣氧化成火花，火花的特征有兩種：星狀（掃帚狀）和雪花狀，在沖擊條件相同時，若星狀火花較多，則鐵水含碳量低，若雪花狀較多，則含硅低，若兩種火花均多，則碳、硅均低，鐵水較“硬”，碳當量較低。

爐前白口寬度應在4～7 mm之間，按中限控制。

表1 鑄件化學成分表[2]

4.3 澆注溫度及澆注速度的控制

依照樹脂砂澆注系統遵循的“快速澆注、平穩充型、排氣通暢”原則，宜采用“高溫出爐、低溫快澆”的總體方案。因在一定溫度范圍內，提高鐵水過熱溫度，延長高溫靜止時間，均會導致鑄鐵中石墨基體組織細化，使鑄鐵強度提高。鑄件凝固時形成石墨產生的膨脹，減少了鑄件體積收縮，降低了鑄件內應力，防止縮松缺陷的產生。故選用溫度及冷卻時間如下：出爐溫度：1 380℃以上；澆注溫度：1 320～1 380℃；冷卻時間：不低于6 h.

4.4 選用適宜的砂型

選用剛性大的樹脂砂造型，其中所用原砂耐火度高、角形系數接近1，使型砂的抗拉強度在1.0 MPa以上，防止因鑄型外移而增加鐵水的補縮量。

5 結束語

通過選擇合適的鑄造工藝，嚴格控制化學成分，合理的澆注溫度及澆注速度，基本杜絕了厚大V型帶輪縮孔和縮松缺陷的發生。當然，工人的操作也是不可忽視的，應該嚴格管理，按所要求的工藝操作，讓生產質量雙豐收。