鑄鐵件縮孔和縮松缺陷防止方法及應(yīng)用實(shí)例
縮松缺陷的解決方案是影響產(chǎn)品成本的重要因素，它直接影響鑄件的工藝出品率、生產(chǎn)效率。鑄件的補(bǔ)縮效果與鑄件材料和結(jié)構(gòu)有直接的關(guān)系。雖然根據(jù)材料的凝固特點(diǎn)，灰鑄鐵件較易補(bǔ)縮，球墨鑄鐵件較難補(bǔ)縮，但如果沒有補(bǔ)縮通道，即使是灰鑄鐵，其補(bǔ)縮也較難實(shí)現(xiàn)。例如HT250材料的制動(dòng)盤結(jié)構(gòu)簡單，由于沒有補(bǔ)縮通道，常常產(chǎn)生縮松缺陷；而若有較好的補(bǔ)縮通道，球鐵曲軸也不易產(chǎn)生縮松缺陷。常用的消除或者減小縮松缺陷的方法一般有:冒口補(bǔ)縮、熔煉澆注工藝調(diào)整控制、冷鐵激冷以及采用冷卻筋、散熱片和導(dǎo)熱率高的型砂、芯砂局部加速冷卻等。以下是筆者公司使用這些方法解決縮孔縮松缺陷的實(shí)例。
1.冒口補(bǔ)縮
冒口補(bǔ)縮是優(yōu)先考慮的方法，也是應(yīng)用最廣泛的方法。在設(shè)計(jì)澆注系統(tǒng)時(shí)即須通過合理選擇鑄件、冒口頸、冒口三者的模數(shù)關(guān)系，達(dá)到用冒口補(bǔ)縮的目的；但由于鑄件形狀的復(fù)雜性，理論計(jì)算與實(shí)際情況有較大差異，冒口、冒口頸的大小要經(jīng)過不斷地調(diào)整才能達(dá)到預(yù)期目標(biāo)。
目前，保溫冒口和發(fā)熱冒口得到了廣泛應(yīng)用。保溫冒口、發(fā)熱冒口不但能夠減小或消除縮松缺陷，還可以提高工藝出品率10%以上，尤其在生產(chǎn)中、大件時(shí)使用保溫或發(fā)熱冒口經(jīng)濟(jì)性更好。
筆者公司生產(chǎn)轎車曲軸、叉車轉(zhuǎn)向橋鑄件時(shí)都使用保溫發(fā)熱冒口，在遇到解決縮松(孔)很困難的情況時(shí)，推薦的方法也是使用保溫發(fā)熱冒口。例如，生產(chǎn)轎車發(fā)動(dòng)機(jī)球鐵軸承蓋時(shí)，因縮松很難消除，使用鑄件本體冒口，工藝出品率只有30%，而使用保溫冒口，出品率提高到了50%以上，有比較高的經(jīng)濟(jì)性。
2
熔煉及澆注工藝的調(diào)整和控制
如果鑄件只有很小的微觀縮松或者顯微縮松，可以考慮通過調(diào)整和控制熔煉澆注工藝來解決。要注意的是，這種方法只適用于縮松或者顯微縮松比較輕微，x射線檢查沒有發(fā)現(xiàn)每個(gè)鑄件都有這種缺陷，也就是出現(xiàn)縮松缺陷的鑄件比例不高時(shí)。
2.1化學(xué)成分方面的控制
（1）適當(dāng)提高CE。CE高，鐵液凝固過程中石墨化膨脹能力強(qiáng)，可以對(duì)鑄件起到一定的補(bǔ)縮作用；但提高CE的方法只能在鑄件性能滿足技術(shù)要求的前提下才能被采納。
（2）對(duì)球鐵件要嚴(yán)格控制ω（Mg殘）量。為了得到較好的球化率，ω（Mg殘）量一般要高于0.03%，而由于Mg增大鐵液的收縮傾向，從防止縮松考慮，ω（Mg殘）量應(yīng)越低越好；兼顧到工藝控制的難度，實(shí)際生產(chǎn)中一般采用的控制范圍為0.035%~0.05%。
（3）注意Sn的影響。一般情況下，Sn對(duì)珠光體的促進(jìn)作用是Cu的10倍，為了得到同樣的珠光體量，使用Sn的成本比使用Cu的成本低，但由于Sn增大收縮性傾向明顯，易導(dǎo)致縮松或者顯微縮松缺陷。筆者公司有些曲軸鑄件加入Cu時(shí)，質(zhì)量沒有問題，但加入Sn時(shí)，加工磨削后即可發(fā)現(xiàn)曲軸連桿軸頸部位出現(xiàn)了縮松缺陷，這說明Sn對(duì)鑄件的收縮性影響較Cu大。
2.2孕育劑的選擇
采用適當(dāng)?shù)脑杏齽┮部梢愿纳瓶s松傾向，尤其是在改善顯微縮松方面效果更好。例如，采取加硫氧的孕育劑孕育，可以在一定程度上減輕顯微縮松。如我公司生產(chǎn)的轉(zhuǎn)向機(jī)殼體，在使用一般的普通硅鐵孕育劑時(shí)，存在顯微縮松，導(dǎo)致疲勞試驗(yàn)不能通過；采用硫氧孕育劑后，顯微縮松情況得到改善，疲勞試驗(yàn)達(dá)到了用戶的技術(shù)要求。圖1反映了使用硫氧孕育劑與非硫氧孕育劑的組織區(qū)別。
（a）采用普通硅鐵孕育有顯微縮松
（b）使用脫氧孕育劑孕育（無顯微縮松）
圖1
孕育劑對(duì)轉(zhuǎn)向機(jī)缸體顯微縮松的影響
2.3澆注溫度選擇
澆注溫度高低對(duì)補(bǔ)縮的利弊不能一概而論，因?yàn)殍T件結(jié)構(gòu)和補(bǔ)縮工藝不同，澆注溫度的影響也有所不同。
一般情況下，若采用冒口補(bǔ)縮，較高的澆注溫度能夠提高冒口的補(bǔ)縮效果，若不采用冒口補(bǔ)縮，則應(yīng)該選擇較低的澆注溫度。
澆注溫度的選擇與鑄件大小、壁厚有直接的關(guān)系。制動(dòng)鉗類鑄件的澆注溫度1380~1430℃比較合適；而排氣管類的薄壁件澆注溫度應(yīng)適當(dāng)高些，一般在1390~1450℃；曲軸類厚大件溫度可適當(dāng)?shù)托?，但一般不能低?360℃。在批量生產(chǎn)的過程中，應(yīng)通過實(shí)踐數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果選擇出合理的澆注溫度控制范圍。
通過熔煉澆注工藝調(diào)整解決補(bǔ)縮問題應(yīng)在滿足鑄件其它技術(shù)要求的前提下進(jìn)行。例如調(diào)整澆注溫度應(yīng)考慮到對(duì)孕育效果、鑄件氣孔傾向等有影響；調(diào)整成分應(yīng)考慮到對(duì)力學(xué)性能的影響。
3
冷鐵激冷
冷鐵法解決縮孔缺陷的原理是使熱節(jié)部位快速冷卻。一般冷鐵只能將缺陷移位，即將缺陷移到非關(guān)鍵部位，而不能將缺陷消除，除非有足夠的補(bǔ)縮通道，實(shí)現(xiàn)順序凝固，才能將缺陷移到最后凝固的冒口中。冷鐵的應(yīng)用也比較常見，使用冷鐵可以達(dá)到減小冒口，提高工藝出品率的目的。
筆者公司生產(chǎn)的轉(zhuǎn)向機(jī)缸體，以前使用本體發(fā)熱冒口消除內(nèi)部的縮松缺陷，后來改用冷鐵同樣達(dá)到了相同的效果，質(zhì)量更加穩(wěn)定。原因是由于使用本體發(fā)熱冒口時(shí)，在冒口與鑄件本體連接的部位，因熱量集中，凝固晚，導(dǎo)致鑄件硬度偏低、石墨形態(tài)差等質(zhì)量問題，見圖2。筆者公司的排氣管、磁懸浮連接件都很好地使用了冷鐵方案來解決內(nèi)部的縮松質(zhì)量問題。
冷鐵的激冷速度快，因此解決縮松類缺陷的效果比較好，但對(duì)澆注溫度、孕育條件要求也比較高，若孕育不好或者澆注溫度過低，與冷鐵接觸的部位易出現(xiàn)滲碳體。
圖2
轉(zhuǎn)向機(jī)缸體采用發(fā)熱冒口補(bǔ)縮改為冷鐵激冷
4
用冷卻筋或散熱片加速冷卻
冷筋的作用原理與冷鐵相似，但可以免除冷鐵制造引起成本增加的缺點(diǎn)。在易產(chǎn)生缺陷的熱節(jié)部位附近模具上設(shè)置直徑5~8 mm的細(xì)棒，或厚2~5 mm的散熱薄片，澆注后，細(xì)圓棒或者薄片快速凝固，快速散熱，帶動(dòng)該熱節(jié)部位凝固速度加快，相當(dāng)于在該位置放置了一塊冷鐵，將縮松移位或者消除。圖3是使用冷筋或者散熱薄片的示意圖，以及排氣管鑄件使用冷筋的照片。
5
采用導(dǎo)熱率高的型砂、芯砂加速冷卻
在熱節(jié)部位使用蓄熱系數(shù)高和導(dǎo)熱率高的造型、制芯材料，也是加快熱節(jié)部位的冷卻速度，轉(zhuǎn)移或者消除縮松的方法之一。
在實(shí)際生產(chǎn)中，鉻鐵礦砂、鋯砂用得較多，可將鉻鐵礦砂或者鋯砂混制成型砂或者芯砂，在熱節(jié)部位使用。筆者公司使用鉻鐵礦砂制芯，防止了轉(zhuǎn)向機(jī)缸蓋中心孔部位、曲軸連桿頸部位等鑄件產(chǎn)生縮松缺陷。如圖4所示的轉(zhuǎn)向機(jī)缸蓋，用鉻鐵礦砂芯解決了中心孔的縮松問題。
圖4
轉(zhuǎn)向機(jī)缸蓋及其鉻鐵礦砂砂芯
解決鑄件縮松類質(zhì)量缺陷的方法有多種，要根據(jù)鑄件的結(jié)構(gòu)和鑄造廠的實(shí)際情況選取合適的方法。與此同時(shí)，也要考慮對(duì)成本、工藝流程的影響，以及鑄件的質(zhì)量要求和使用特點(diǎn)等。沒有必要花過高的成本去消除無關(guān)緊要的縮松缺陷，但必須花成本去消除關(guān)鍵位置的縮松缺陷，否則會(huì)造成嚴(yán)重的質(zhì)量后果，甚至?xí)?dǎo)致汽車的召回。
