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球墨鑄鐵（NodularCastIron）是一種具有優(yōu)良力學(xué)性能的金屬材料，通過(guò)在鐵液中加入球化劑和孕育劑，讓石墨呈球狀形核并長(cháng)大而獲得。20世紀40年代，現代球墨鑄鐵由美國國際錫公司(INCO)青年科研人員K.D.Millis首先研究成功。球墨鑄鐵在力學(xué)性能、物理性能、工藝性能、使用性能上具有獨特的優(yōu)勢，生產(chǎn)工藝簡(jiǎn)單，成本低廉，在機械、冶金、礦山、紡織、汽車(chē)及船舶等領(lǐng)域應用廣泛。

生產(chǎn)球墨鑄鐵時(shí)夾渣是zui常見(jiàn)的缺陷，其多出現在鑄件澆注位置的上平面或型芯上表面部位。夾渣缺陷嚴重影響鑄件的力學(xué)性能，特別是韌性和屈服強度，導致承壓部位發(fā)生滲漏。

筆者所在單位生產(chǎn)的一種發(fā)電設備鑄件前期經(jīng)常出現鑄件夾渣缺陷而報廢，針對此缺陷進(jìn)行了改進(jìn)。

1.原工藝及缺陷狀況

鑄件重量為4500kg，材料為QT400-18，呋喃樹(shù)脂自硬砂造型。采用15t/h工頻電爐熔煉，化學(xué)成分為：wC＝3.5%~3.7%，wS＝2.2%~2.7%，wMn＝0.3%~0.47%，wP≤0.06%，wS≤0.2%，澆注溫度為1350~1380℃。澆注系統采用半封閉式、橫澆道在分型面的環(huán)形底注工藝，內澆道為4道φ35mm的陶瓷管，直澆道為φ80mm，橫澆道截面為：70/80mm×100mm，截面比為：F直：F橫：F內=1∶2.99∶0.77，工藝方案如圖1所示。這樣設計出來(lái)的鑄件缺陷主要為夾渣，位置在法蘭背面和軸承上表面，形狀不規則，無(wú)金屬光澤，用滲透液或磁粉檢測，有時(shí)用肉眼即可發(fā)現，如圖2所示。

圖1 工藝方案

圖2 夾渣缺陷分布

2.缺陷原因分析

（1）熔煉或球化處理后，加入的熔劑和形成的熔渣在澆注時(shí)隨金屬液一起注入型腔。

（2）金屬液在澆注過(guò)程中鎂、稀土、硅、錳、鐵等二次氧化，產(chǎn)生的金屬氧化物和硫化物、游離石墨等上浮到鑄件上表面或滯留在鑄件內的死角和砂芯下表面等處。

原工藝該鑄件的澆注壓頭為2.5m，鐵液從澆口杯進(jìn)入澆注系統后，直接由內澆道底返進(jìn)入底法蘭，進(jìn)流速度大，約0.7m/s，進(jìn)入型腔的鐵液紊流嚴重，且嚴重卷氣，因此鑄件表面出現大量的渣，造成該產(chǎn)品的廢品率超過(guò)10%。

（3）由于含硫量過(guò)高，使金屬液含有大量硫化物，澆注后在鑄件內部形成渣。

（4）金屬液中各組元（碳、錳、硫、硅、鋁、鈦）之間或這些組元與氮、氧之間發(fā)生化學(xué)反應，其氧化物與爐襯、包襯、砂型壁或涂料之間發(fā)生界面反應形成夾渣。

3.改進(jìn)方案

（1）熔煉時(shí)對原材料進(jìn)行分揀，保證干燥、清潔、無(wú)銹蝕。

（2）提高鐵液出爐溫度和球化處理溫度，對澆包進(jìn)行充分烘烤。

（3）金屬液在澆包內應靜置一段時(shí)間，以利于渣上浮。

（4）降低原鐵液含硫量，在保證球化前提下，盡可能減少球墨鑄鐵的殘留鎂含量。

（5）澆注系統改進(jìn)。為保證鐵液在充填型腔的過(guò)程中平穩、流暢，按大孔出流理論對澆注系統進(jìn)行了改進(jìn)，如圖3所示。采用開(kāi)放式澆注系統，通過(guò)增大進(jìn)流截面降低進(jìn)流速度。鑄件整體分散進(jìn)流，快速充型，保證澆口杯、直澆道及時(shí)充滿(mǎn)。

圖3 改進(jìn)后的澆注系統

該鑄件重4500kg，澆注重量6000kg，根據相關(guān)公式計算的澆注時(shí)間為60s，阻流截面積為52cm2，即設計的開(kāi)放式澆注系統的直澆道截面積為52cm2。按照標準的陶瓷管，則選擇φ80mm的陶瓷管，截面積是50.24cm2，按照推薦的澆注系統比例，設計的橫澆道截面形狀是矩形（9cm×6cm），則面積是108cm2，內澆道是13道φ35mm的陶瓷管，截面積是125cm2，則zui終的截面比是F直：F橫：F內=1∶2.15∶2.49。

根據上面計算的參數計算得進(jìn)流速度為0.28m/s，進(jìn)流速度降低很多，是原工藝進(jìn)流速度的40%。充型平穩，避免紊流，大大降低了鐵液二次氧化的機會(huì )，從而可以減少夾渣缺陷。

4.改進(jìn)后驗證

采用以上措施連續生產(chǎn)15件，鑄件沒(méi)有再出現法蘭和軸承上表面部位夾渣缺陷，改進(jìn)有效。類(lèi)似的方法在其他產(chǎn)品上運用，也有明顯效果。

5.結語(yǔ)

大型球墨鑄鐵件易于在澆注位置上表面以及鐵液流動(dòng)的一些死角區域產(chǎn)生夾渣缺陷，這些缺陷可以通過(guò)熔煉控制和澆注系統的改進(jìn)來(lái)解決。澆注系統形式以及參數選擇應能保證鐵液平穩充型，為此澆注系統各組成部分面積、澆注時(shí)間需按照內澆道低速進(jìn)流、鑄件整體快速充滿(mǎn)的原則來(lái)計算。