鐵型覆砂鑄造技術(shù)應(yīng)用進(jìn)展

趙忠魁，李希石，李慶松，衣冠玉，閆吉勇，李希建

（1.山東建筑大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，山東濟(jì)南 250101；2.山東省鑄造清潔生產(chǎn)工程技術(shù)研究中心，山東濟(jì)南 250101；3.山東旭光得瑞高新材料股份有限公司，山東德州 251513）

鐵型覆砂鑄造是在金屬型（即鐵型）內(nèi)腔覆上一薄層型砂而形成鑄型，通過(guò)合理控制鐵型的型重、壁厚與覆砂層厚度，使鑄件的充型、凝固和冷卻過(guò)程在比較理想的條件下進(jìn)行。由于鑄型的強(qiáng)度和剛度大，鑄鐵凝固過(guò)程中的石墨化膨脹可以抵消鐵凝固時(shí)產(chǎn)生的收縮，消除縮孔或縮松。鐵型內(nèi)鐵液冷卻速度是砂型鑄造的三倍左右[1]，鑄件石墨細(xì)小，組織致密，基體中珠光體的含量增加且片間距細(xì)小，鑄件的強(qiáng)、度硬度及耐磨性都較高。與濕型砂工藝相比，采用鐵型覆砂工藝生產(chǎn)鑄件的表面質(zhì)量和內(nèi)在品質(zhì)都要高出一個(gè)等級(jí)[2]。

1 鐵型和覆膜砂

1.1 鐵型的選擇

鐵型一般采用HT200 灰鑄鐵鑄造，人工時(shí)效后，銑平模坯正反面并在平面上加工出射砂孔。射砂孔一般選取在模樣最高處，射砂孔數(shù)量要保證能使覆膜砂充滿(mǎn)型腔。

鐵型厚度對(duì)鑄件的冷卻有一定的影響，但是影響并不是非常大[3]。鐵型的重量一般是生產(chǎn)鑄件的7～10 倍，即能保證鐵型的使用壽命，又達(dá)到需要的工藝效果[4]。如果結(jié)構(gòu)復(fù)雜鑄件，鐵型結(jié)構(gòu)也復(fù)雜，可以適當(dāng)降低鐵型與鑄件重量比例。例如曳引機(jī)機(jī)座由于結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，鐵型質(zhì)量約為鑄件的5 倍，才保證了澆注后鐵型溫度達(dá)到200℃以上，滿(mǎn)足再次覆砂要求[5-8]。

1.2 覆膜砂的選取

覆砂造型采用熱固化酚醛樹(shù)脂覆膜砂射砂成型的方式進(jìn)行，隨形覆膜砂厚為5～8 mm 左右[2]，鐵砂比約為1:0.18[9]。覆模砂為50～75 目的焙燒硅砂與5%的酚醛樹(shù)脂等攪拌而成。以人工陶瓷砂替代硅砂，可大大提高鑄件的抗拉強(qiáng)度、耐磨性和熱穩(wěn)定性[10]。為防止氣孔砂眼等鑄造缺陷，鐵型覆砂工藝用覆膜砂采用低發(fā)氣量、高強(qiáng)度的覆膜砂，一般要求覆膜砂常溫抗彎強(qiáng)度≥7 MPa，灼減量<3%，發(fā)氣量≤12 mL/g。由于用砂量較少，覆膜砂一般從專(zhuān)業(yè)生產(chǎn)企業(yè)購(gòu)買(mǎi)，不設(shè)置砂處理系統(tǒng)。

1.3 鐵型與覆膜砂層厚度的關(guān)系

鐵型覆砂鑄造兼具金屬型鑄造和砂型鑄造的特點(diǎn)。鐵型厚度大則鑄件冷卻速度快，覆砂層厚度大則鑄件冷卻速度慢。覆砂層厚度和鐵型壁厚的合理選擇是有效控制鑄件凝固過(guò)程和冷卻速度的關(guān)鍵[5,11]。在同一鐵型內(nèi)覆以不同厚度覆砂層時(shí)，鑄件的冷卻曲線有一定的差異。如果覆砂層厚度過(guò)薄就接近于金屬型鑄造[6]，當(dāng)覆砂層厚度小于4 mm 時(shí)，鑄件的冷卻強(qiáng)度與金屬型厚涂料相近。當(dāng)砂層超過(guò)8mm，對(duì)鑄件冷卻的影響已經(jīng)不大[3]。當(dāng)覆砂層厚度到30mm 時(shí)，鐵型就失去了對(duì)鑄件的快速冷卻作用，相當(dāng)于殼型鑄造；覆砂層大于32mm 時(shí)，冷卻強(qiáng)度相當(dāng)于普通樹(shù)脂砂鑄造[12]。所以在實(shí)際生產(chǎn)中根據(jù)不同的鑄件覆砂層厚度一般選4～8mm[2]。鑄件各部位的覆砂層厚度是不一樣的，鑄件壁厚的地方鐵型的厚度也厚，覆砂層的厚度就薄；鑄件壁薄的地方鐵型的厚度也薄，覆砂層的厚度就厚，不僅保證了覆砂層的強(qiáng)度高且發(fā)氣量低，而且使鑄件不同壁厚處同時(shí)凝固[6]。澆注系統(tǒng)處的覆砂層要比鑄件的覆砂層厚一些，一般為10～15mm[5,11,13-15]。

一般應(yīng)根據(jù)生產(chǎn)線的生產(chǎn)節(jié)拍、鑄件的組織要求、鐵型余熱利用的要求、工裝模具的使用壽命、鑄件重量和壁厚等因素來(lái)選擇合適的鐵型壁厚，再調(diào)節(jié)覆砂層厚度以控制鑄件各部分的冷卻速度，使鑄件在所期望的冷卻條件下凝固而具有致密的組織[13]。

2 澆注系統(tǒng)和冒口

鐵型覆砂鑄造的澆注系統(tǒng)一般選擇半封閉式澆注系統(tǒng)，以利于夾雜物的上浮，同時(shí)要對(duì)鐵液進(jìn)行過(guò)濾[2]，可以在澆口杯內(nèi)放置陶瓷過(guò)濾網(wǎng)[16]，也可以在型內(nèi)放置纖維過(guò)濾網(wǎng)[17]。

對(duì)于球鐵件來(lái)說(shuō)，鐵型覆砂鑄造工藝能夠有效地發(fā)揮共晶石墨化膨脹的自補(bǔ)縮特性。碳含量和硅含量越高，孕育效果越好，石墨化膨脹量越大，自補(bǔ)縮作用就越好[18]。當(dāng)鑄件模數(shù)＞2.5cm 時(shí)，可實(shí)現(xiàn)無(wú)冒口鑄造，這樣可有效提高工藝出品率[6]。但澆注溫度太高，石墨化膨脹不能抵消大的液態(tài)收縮量，也需要設(shè)置冒口進(jìn)行補(bǔ)縮[19]。小型鑄件由于共晶膨脹不大，也需要設(shè)置冒口，如尺寸為231mm×83mm 的QT450-10 行星架，重約8.5kg，就需要設(shè)置冒口[20]。冒口多設(shè)置在橫澆道端部或內(nèi)澆道處[11,20]。

灰鑄鐵件由于其共晶膨脹較小，一般要加冒口。朱國(guó)等[14]設(shè)計(jì)的HT250 泵閥鑄造工藝，采用了開(kāi)放式澆注系統(tǒng)并在橫澆道處設(shè)置冒口。朱丹等[15]設(shè)計(jì)的HT250 汽車(chē)離合器壓盤(pán)壓蓋鑄件鑄造工藝，采用半封閉式澆注系統(tǒng)，也在每一內(nèi)澆道處獨(dú)立設(shè)置補(bǔ)縮冒口。尺寸較大的灰鑄鐵件也可不用冒口，如李文彬等為尺寸為937mm×143mm×141mm 的HT250 水冷排氣管設(shè)計(jì)的鑄造工藝，采用帶有過(guò)濾網(wǎng)的半開(kāi)放式澆注系統(tǒng)，沒(méi)有使用冒口[8]。

3 采用合金成分及爐前處理

鐵型覆砂工藝生產(chǎn)鑄件時(shí)，由于冷卻速度快易產(chǎn)生白口，配料時(shí)碳硅當(dāng)量比濕型砂造型工藝高。生產(chǎn)球鐵件時(shí)，原鐵液化學(xué)成分一般是C：3.8%～3.9%、Si：1.0%～1.5%、Mn：0.3%～0.5%、S≤0.03%、P≤0.05%，球化處理后的化學(xué)成分一般是C：3.7%～3.8%、Si：2.1%～2.3%、Mn：0.3%～0.5%、S≤0.02%、P≤0.05%、Cu：0.4%～0.6%、RE：0.02%～0.04%、Mg：0.04%～0.06%。為了減少硫和鎂作用形成的二次渣，殘留稀土鎂不宜過(guò)高[2]。生產(chǎn)灰鐵件時(shí)，化學(xué)成分一般為C：3.1%～3.3%、Si：1.8%～2.2%、Mn：0.6%～0.8%、Cu：0.3%～0.5%、P：0.07%、S：0.06%～0.08%[8,21]。表1 是部分文獻(xiàn)給出的鐵型覆砂生產(chǎn)鑄件的化學(xué)成分。

表1 用于鐵型覆砂球墨鑄鐵件的化學(xué)成分

球鐵鐵水采用中頻感應(yīng)電爐熔煉，出爐溫度在1500℃左右，澆注溫度控制在1320～1450℃，澆注時(shí)要注意擋渣。球化劑多選用較低牌號(hào)，如FeSiMg6RE2。大多球鐵生產(chǎn)廠家球化處理采用沖入法，少量廠家采用蓋包球化方法和喂絲球化方法，可消除90%以上煙塵，節(jié)約13%球化劑。一般進(jìn)行兩次孕育處理，第一次在球化處理時(shí)在包內(nèi)放入0.2%～0.3%的硅鐵，第二次在澆注時(shí)加入0.1%孕育劑進(jìn)行隨流。孕育劑采用含鈣、鋇的復(fù)合高效孕育劑孕育效果更好，孕育劑的粒度一般為60 目。部分廠家球墨鑄鐵澆注溫度和爐前處理工藝見(jiàn)表2。

表2 爐前處理工藝

蠕墨鑄鐵排氣管澆注溫度控制在1430～1450℃[27]。灰鐵澆注溫度一般為1400～1450℃[8,15]。

4 鑄件組織與質(zhì)量

鐵型覆砂工藝的鐵型剛性好、覆砂層強(qiáng)度高且無(wú)水分，可大大減少氣孔、縮松、夾砂等缺陷的產(chǎn)生，降低鑄件廢品率[2,15]。生產(chǎn)的球鐵件中球化級(jí)別1～2 級(jí)，球徑大小7～8 級(jí)，珠光體片層間距細(xì)小[6]，如圖1 和表3 所示。鑄件表面粗糙度達(dá)到了12.5～25.0μm，尺寸精度達(dá)到了CT7-8 級(jí)[7,13]。

表3 鐵型覆砂工藝生產(chǎn)的球鐵件組織及力學(xué)性能

圖1 球狀石墨和基體組織形態(tài)[11,25]

5 結(jié)語(yǔ)

（1）鐵型壁厚根據(jù)鑄件重量和壁厚等因素選擇，再調(diào)節(jié)覆砂層厚度以控制鑄件各部分的冷卻速度。鐵型一般采用HT200 灰鑄鐵鑄造，鐵型的重量一般是生產(chǎn)鑄件的7～10 倍。采用熱固化酚醛樹(shù)脂覆膜砂射砂成型，隨形覆膜砂厚為5～8mm 左右，鐵砂比約為1:0.18。

（2）鐵型覆砂鑄造的澆注系統(tǒng)一般選擇半封閉式澆注系統(tǒng)，并采用濾網(wǎng)對(duì)鐵液進(jìn)行過(guò)濾。球墨鑄鐵一般不采用冒口，但小型球墨鑄鐵件和灰鑄鐵件多采用冒口。

（3）鐵型覆砂工藝生產(chǎn)鑄件時(shí)，碳硅當(dāng)量比濕型砂造型工藝高。鐵水出爐溫度也較高。多選用較低牌號(hào)球化劑進(jìn)行球化，采用復(fù)合孕育劑進(jìn)行孕育。

（4）鐵型覆砂生產(chǎn)的球鐵件球化級(jí)別1～2 級(jí)，球徑大小7～8 級(jí)，鑄件表面粗糙度達(dá)到了12.5～25.0μm，尺寸精度達(dá)到了CT7-8 級(jí)。