實型鑄造用鑄鐵澆口杯的實踐

徐永青，耿曉明

（成都淏泰金屬制品有限公司，四川成都 610036）

在傳統的空腔鑄造中，小型鑄件（≤2 t）的澆口杯大多為漏斗形，這種漏斗形澆口杯的大口直徑一般為小口直徑的2 倍以上。中型鑄件（2 t～5 t）的澆口杯使用樹脂砂做成盆形，也有大件（≥5 t）澆口杯做成盆型且中間設置擋渣板的，根據各個公司的產品不同以及生產條件不同等原因，澆口盆設計的尺寸不盡相同，材料也各異。以上這幾種澆口盆一般都是單獨做出后再置于鑄型的上面[1]。

消失模實型鑄造的充型規律與傳統的空腔鑄造相比是有很大區別的。由于泡沫遇高溫鐵水分泡沫軟化、泡沫液化和泡沫氣化三個階段，其三個階段消耗大量的熱量并極短時間產生大量氣體及碳渣等。隨著前期進入型腔鐵液的溫度降低和產生氣體壓力的作用，金屬液充型速度比較慢。通過試驗數據可知，在澆注系統和金屬液壓力頭等工藝參數基本相同的條件下，消失模實型鑄造的金屬液流動速度僅為空腔鑄造的1/3 左右[2]。根據傳熱學的基本原理，流速越慢，溫度損失就越嚴重。

消失模實型鑄造的澆注要求之一就是大流量快速澆注。這樣做的目的只有一個：建立足夠的壓頭以保證高溫鐵水流速和充型速度從而保證短時間內補充的高溫金屬液在充型過程中的前沿總是靠近正在氣化中的泡沫模樣，保證泡沫塑料的充分氣化。因此必須設置大容量的澆口杯，以確保澆注和維持穩定的金屬液壓頭。

1 用樹脂砂澆口杯存在的問題

某司使用消失模實型鑄造工藝生產鑄鐵件時使用的澆口杯是用樹脂砂制作，如圖1 所示，硬化后刷涂醇基快干涂料，直澆道使用成型陶瓷管，澆口杯安放后再用少量砂子填補陶瓷管外面的縫隙。

這種澆口杯存在的問題：

(2)加強部門設置，遵循專業表決。 地方國有平臺公司需要完善部門的設置，在明確各類業務事項分類、責任歸屬的基礎上，施行定崗定編機制，由各部門負責部門業務的決策表決，做到‘專業人表專業事’，同時公司要明確牽頭組織，在進行重大決策期間，要以財務部門、法務部門和內控部門的意見為主要參考意見。

1）規格不統一，澆口杯容量不一。根據現場統計，澆口杯容量差最大達900 kg；

2）澆口盆內直澆管的凸出高度和實際技術要求不容易統一，無法保證統一的合乎要求的金屬液靜壓頭。根據現場的實際測量，壓頭高度相差最大達到200 mm.為了滿足進水平穩的要求，工人使用敲擊破碎陶管的方法來保證陶管管口與澆口杯底面的距離。

3）砂子使用量大，工人勞動強度大。圖1 所示的澆口盆為了保證有足夠的強度需要把底部和四周的厚度加大，所以需要用更多的自硬砂，根據測算每個澆口杯需使用砂子300 kg～600 kg.同時砂子還需要一定的時間來固化，單制作樹脂砂澆口杯就需要耗用時間1 h 左右。

圖1 樹脂砂制作的澆口杯

4）模具開發和維護成本高，需要單獨開發木模模型產生費用，使用時維護保養也要產生費用。

5）直澆道與澆口盆所帶澆口不容易準確對接

6）澆口杯回用困難。使用過后的砂澆口杯需要轉移至落砂工序，落砂后才可以回用。

2 鑄鐵澆口杯的設計與應用

針對上述問題進行了工藝改進，試制了一批鑄鐵澆口杯，如圖2 所示。根據澆注重量的不同，設計了大小兩種不同的規格。為了保證良好的導熱、散熱及足夠的自冷卻，壁厚設計為80 mm～100 mm.足夠的壁厚可使外部未接觸鐵水的部位充當鐵水接觸面的冷鐵和散熱器，并保證高溫時有足夠的強度。

圖2 鑄鐵澆口杯

鑄鐵澆口杯使用工況：在3 mm～5 mm 涂料層的隔離作用下承接澆注時1 380 ℃～1 450 ℃的高溫鐵水，持續時間約20 min～30 min.澆注鑄鋼件時則在內表層涂刷鑄鋼專用涂料，以提高耐火度及耐沖刷性。

表1 澆口杯規格尺寸

鑄鐵澆口杯使用方法：無論是使用紙塑澆管[3]還是陶瓷澆管，都可以按照圖3 所示進行操作。直澆管的高度為恒定值（技術要求數據）。在蓋箱埋砂完成后，將鑄鐵澆口杯放置在直澆管位置。放置適量的砂子將底部做成凹形，這樣露出蓋箱的直澆管高度不受砂箱高度的影響，在制作時只要保證砂子面與直澆管最高點的高度差為30 mm～50 mm 即可。在干燥硬化后的砂子表面涂刷醇基快干涂料點燃干燥后既可以使用。為了防止澆口盆底部被高溫鐵液沖破造成散砂進入產品的情況的發生，可以在金屬液沖入方向放置耐火磚。

圖3 鑄鐵澆口杯的安放示意圖

鑄鐵澆口杯的優點：

1）規格統一，澆口杯的容量為定值，可以根據箱內產品的澆注重量選擇相應的型號；

2）直澆管的高度為定值，澆口杯內液面保持同一水平，保證了充型的平穩和穩定的壓力頭；

3）澆口杯容量足夠大，能滿足消失模實型鑄造所需要的大流量澆注，防止鐵水反噴，提高操作安全性；

4）生產效率高，取消了砂制澆口杯的制作時間及硬化時間，澆注完成后，將澆口杯吊起即可再次使用，不用經過砂處理系統；

5）省去澆口盆的模型成本；

6）不存在澆口盆內直澆道與產品直澆道對接不準的情況。

3 鑄鐵澆口杯的材質選擇

普通灰鐵澆口杯在承受熱沖擊時會發生石墨生長，普通鑄鐵在高溫下的體積增大量可高達8%～10%，體積長大會使鑄鐵的力學性能下降。

鑄鐵組織中的碳化物（包括先共晶碳化物，共晶碳化物，共析碳化物以及二次碳化物）在高溫下發生分解，析出二次石墨，二次石墨會使鑄件出現不可逆轉的體積膨脹，據測算，碳化物每分解出1%的碳，鑄件體積大約增加2.0%～2.4%，鑄件外形尺寸相應增大。

鑄鐵的生長分三種情形。

1）低于相變溫度的生長：又稱低溫生長，發生在400 ℃～600 ℃范圍內，生長機制是珠光體分解為鐵素體和石墨。石墨的析出是體積膨脹的過程。理論上，1%的化合物碳轉變為石墨，其體積要增大2.4%左右，而鐵素體的析出則使鑄件力學性能下降。因此鑄鐵的低溫生長與珠光體的分解密切相關。溫度越高，越接近相變溫度，鑄鐵的生長量越大，同樣珠光體的穩定性越差，珠光體的分解量越大，鑄鐵的生長量也越大。

2）在相變溫度范圍內的生長：如果鑄鐵將在相變溫度范圍內生長，并不斷通過相變溫度范圍，使鑄鐵周期性發生相變，會導致相當大的災難性生長。

3）高于相變溫度的生長：高于相變溫度時，氧化將會非常嚴重，氧化導致的鑄鐵不可逆體積增大將占主導地位[4]。

在實踐中已經發現：多次使用的澆口杯在受到高溫鐵水的熱沖擊及冷卻多次循環后，出現凹坑等破壞現象，如圖4 所示。對已經報廢的澆口杯進行取樣分析，如圖5 所示。從圖中可以看到片狀石墨已經生長成粗條片狀，有的位置已經出現了空洞。這種空洞是不可彌補的，必將會導致鑄件力學性能的下降。鑄鐵在加熱時，α 轉變為γ，由于石墨不斷的溶于γ 內，在原石墨處就會留下微觀空洞，隨著溫度的升高，溶入的石墨越來越多，留下的微觀空洞也就越多；而在冷卻過程中γ 又不斷地析出石墨，此石墨沿原空洞處析出的可能性很小，結果再次造成因石墨析出而發生的體積膨脹，這種膨脹是不可逆的。

圖4 受高溫鐵水沖刷而產生的破壞

圖5 普通灰鑄鐵在多次熱沖擊后發生生長100X

為此，選擇試驗了多種不同的材質[5-7]：耐熱鑄鐵RTCr2，中硅耐熱球鐵RQTSi5 和中硅耐熱蠕鐵。假定普通HT250 的使用壽命為1，RTCr2 可達1.5～2，中硅耐熱蠕鐵2～3，中硅耐熱球鐵2～3.需要注意的是RTCr2 材質易裂，在多次的冷熱交替循環中，會產生微小的縱向裂紋，隨著裂紋的擴散，最終會導致開裂失效。

由于此工件為自用工裝，中硅耐熱蠕鐵和中硅耐熱球鐵成本高，體現不出其優越性，故僅選擇了價格低廉的HT250 改良材質，具體成分見表2，制作的澆口杯壽命在100～150 次左右。

表2 材質具體成分（質量分數，%）

4 結論

鑄鐵澆口杯代替樹脂砂澆口杯優點如下：

1）使用鑄鐵澆口杯代替樹脂砂澆口杯可以提高生產效率，降低生產成本；

2）使用鑄鐵澆口杯可以保證工藝參數的波動最小，有利于提高產品質量；

3）使用鑄鐵澆口杯可以保證大容量大流速澆注，防止澆注過程中反噴，提高了生產安全性；

4）此類澆口杯可以通過調整內表層刷涂的涂料，滿足鑄鐵、鑄鋼等多種不同材質的生產，提高了生產的靈活性；

5）在滿足性能的前提下，選擇成本最低的材質，可以有效節約成本。

通過生產驗證，用鑄鐵澆口杯代替樹脂砂澆口杯后完全滿足目前的生產需求。其他廠家可以在考慮自身生產條件的情況下選擇使用不同規格的鑄鐵澆口杯。