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铸铁件砂型铸造浇注系统设计 常见误区及分析和对策

浇注系统是铸型中液态金属流入型腔的通道。一般铸铁件浇注系统主要由浇口杯(外浇口)、直浇道、横浇道及内浇道四部分(组元)组成。从广义角度说,浇包和浇注设备也是浇注系统的一部分,因为它的结构、尺寸、位置高低等,对控制液态金属的流量和静压头的大小有一定的影响;另外,出气孔与浇注系统也有联系,也可以看成是浇注系统的一个组成部分。

浇注系统与铸件的质量有密切的关系。它的主要功能是:

(1)将型腔与浇包连接起来,并平稳地导入液态金属。

(2)补充浇注结束时的液态收缩。

(3)挡渣。

(4)排气。

(5)调节铸型和铸件各部分的温度分布以控制铸件的凝固顺序。

(6)保证液态金属在最适宜的时间内充满铸型。

(7)保证液态金属的平稳流动,尽量消除紊流,从而避免卷入气体导致金属过度氧化。

(8)保证金属液面在型腔内有必要的上升速度。

(9)节省金属,结构简单紧凑,易清理。



浇注系统俗称“水口”。因此,有的人认为只要把铁水导入型腔就行了,对浇注系统没有引起足够的重视,造成质量问题。下面就铸铁件砂型铸造常见的误区举例分析,提出改进的措施:


(1)浇口杯体积小或没有浇口杯。除了影响浇注操作外,还会影响到补充液态收缩,使铸件产生缩孔缺陷。


在良好的孕育处理的情况下,缸体轴承位和缸盖底面毛坯面硬度HBS能达到195~200。

某发动机厂有的外协铸件的硬度低,达不到HT250的要求,供应商请主机厂铸造车间的工程师现场指导。试验结果大失所望,硬度是合格了,但没有一个成品,全部因缩孔缺陷报废。经对比发现,原来浇注系统有很大的差别,见图1和图2。


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                                                     图1  摆地摊造型的浇注系统

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                                                             图2 造型线造型的浇注系统

在生产现场我们看到,造型线造型时,浇口杯多是铣出来,为方便大包浇注,尺寸也较大;而外协厂是手工造型,为了节省金属,浇口杯很小,甚至只是在直浇道口处随手抹一下,刮出个倒角,可以说没有做出浇口杯。

在浇注时发现,当铁水浇注满收铁水包的瞬间,直浇道里的铁水液面会急剧下降。因为铁水进入型腔后,受到铸型的激冷,进行液态收缩,开始凝固。而这时,整个浇注系统已经被加热,铁水很顺畅地补充入型腔。如果没有铁水及时补充这液态收缩,凝固结束后,铁水液面下降很多,差不多到了横浇道顶面,很容易出现缩孔缺陷,即使有冒口,补缩的效果也大打折扣。而如图2那样,造型线生产的浇口杯尺寸较大,有足够的铁水补充液态收缩,凝固结束后,铁水液面下降不多,还在浇口杯内在,就不容易出现缩孔缺陷。为防止缩孔缺陷,常用的措施有:

(a)缓慢收包,补浇。但这个方法会使浇完一包铁水的时间延长,造成孕育衰退和温度下降过大。

(b)适当加大浇口杯。浇口杯多大才合适,以凝固结束时,铁水液面不低于浇口杯的底部为好。


(2)内浇口在横浇道的顶部。浇注系统无论是封闭式的还是开放式的,铁水在横浇道中流动时,渣子都是向上浮的。因此把内浇道设在横浇道的顶部是不合理的,内浇道容易把横浇道顶部的渣子吸进型腔,所以内浇道应在横浇道的底部,并且内浇道和横浇道的底面最好在同一平面上,否则浇注之初内浇道不能很好地保持空位而过早地起作用。

(3)压力头小。有的摆地摊造型的铸造车间,为了节省体力,一般砂箱的高度都尽量矮。有的即使是用吊车起吊砂箱,为图省事,用槽钢作砂箱壁,槽钢是多宽,砂箱就多高,没有从工艺要求的角度来确定砂箱的高度,造成了直浇道高度矮,压力头不够,影响了铁水的充型和补缩。改进措施:

(a)从工艺要求的角度来确定砂箱的高度。

(b)增加浇口杯砂箱和出气孔砂箱,增加压力头高度。

(4)第一个内浇道与直浇道太近,如图3所示。水平的横浇道用以连接直浇道和内浇道,并将铁水平稳而均匀地分配给各个内浇道;同时还起到捕集、保留由浇包经直浇道流入的夹杂物,故又称“捕渣器”或撇渣道,它是浇注系统中最后一道挡渣关口。

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                                                     图3 第一个内浇道与直浇道太近


从上图可以看到,铁水从滤网出来,马上就到了第一个内浇口。有人认为,不是有滤网吗?怎么还用担心渣眼缺陷吗?其实,正是这种认识,使我们一度忽视了第一个内浇口离滤网的出水口太近的问题,使渣眼废品率高达40%左右。事实上,滤网能过滤的是在达到滤网时处于固态或比较粘稠的杂质,有些低熔点的渣还是比较顺利通过了滤网。铁水从滤网出来后,需要在横浇道流经一段距离才能比较平稳,需要足够的距离使杂质上浮到横浇道的顶部,所以应该把第一个内浇道往后移大于5倍横浇道高度的距离。


(5)内浇道与横浇道高度比大。如图4所示,第一个内浇道设在阻流片下面,h内/h横过大。在

在内浇道附近除有继续向前流动的速度外,还有一个向内浇道流动的速度,因此,内浇道会将铁水“吸”进去。这种现象称为“吸动作用”。吸动作用区的范围通常都大于内浇道的断面积,杂质流经这个区域时就有被吸入内浇道而进入型腔的可能。吸动作用区范围的大小与内浇道中铁水流速成正比(当横浇道充满时,其流速决定于由浇口杯液面到横浇道的整个液柱高度),还随着内浇道断面的增大及内浇道、横浇道的高度比值h内/h横的增大而加大。当内浇道的断面积和h内/h横均较大时,吸动区可达横浇道顶部,上升到顶面的杂质也会被吸入型腔。反之,内浇道的断面积和h内/h横 都不大时,横浇道的挡渣作用也较好。改进的措施是:将横浇道的断面做成高梯形,内浇道制成扁平梯形,内浇道在横浇道的底部,并使h横=(5~6)h内,以保证内浇道的吸动作用不会达到横浇道的顶部


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                                                  图4  结构不合理的浇注系统


(6)内浇道底面低于横浇道的底面。这样在浇注之初,内浇道不能很好地保持空位而过早地起作用。因此。内浇道应该放在横浇道的底部,并且内浇道和横浇道的底部在同一个平面上。


(7)直浇道的底部没有设置窝座。铁水从直浇道转入横浇道时方向急剧改变,出现极度的紊流和搅动,容易引起冲砂和卷入气体,因此必须在直浇道的底部设计窝座。窝座的直径一般为横浇道宽度的2倍左右,深度是横浇道高度的一倍左右。直浇道和横浇道的连接处要做成圆角,以减少冲砂的危险。浇注时,窝座先充满,不仅能缓冲铁水流对铸型的冲击,还可以减少铁水流的紊流程度,较平稳地把铁水导入横浇道,有利于杂质的上浮。


(8)内浇道经过冷铁,如图5所示。该轮毂的材质为QT500-7。解剖发现在中部两壁交接的热节处有缩孔缺陷。为解决缩孔问题,在易发生缩孔的位置放置外冷铁。而放冷铁的位置刚好又是内浇口,这样一方面冷铁把经过的铁水降温,不利于铁水的充型和补缩;另一方面,冷铁被铁水加热,减弱了激冷效果,达不到解决缩孔问题的目的。


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                                                        图5  内浇道经过外冷铁


(9)不同重量的铸件共用一套浇注系统。有个用铁模覆砂工艺生产圆盘形铸件的铸造车间,为降低成本,方便管理,不管重量多少,只有直径相差不大,都共用一套浇注系统。由于铸件重量相差较大,浇注时间也相差较大。浇注小件时,浇注时间合适。浇注大件时,浇注时间就太长了,甚至达到90s,上铸型的覆膜砂在铁水没有充满前已经失去了强度,出现了大量的塌箱废品。改进措施:铸件的结构、重量不同,浇注系统也不同。



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