有关特殊铸造工艺筋设计与研究

　　付国家？贺帅
　　摘要：应用铸造有关理论和系统知识生产铸件的技术和方法，包括造型材料制备、造型、制芯、金属熔炼、浇注和凝固控制等，铸造是将通过熔炼的金属液体浇注入铸型内，经冷却凝固获得所需形状和性能的零件的制作过程，铸造是常用的制造方法。本文重点就特殊铸造工艺筋设计做了研讨和分析。
　　关键词：特殊铸造工艺；典型铸件；特殊铸造
　　随着工业技术的发展，铸大型铸件的质量直接影响着产品的质量，因此，铸造在机械制造业中占有重要的地位。铸造技术的发展也很迅速，特别是19世纪末和20世纪上半叶，出现了很多的新的铸造方法，如低压铸造、陶瓷铸造、连续铸造等，在20世纪下半叶得到完善和实用化。由于现今对铸造质量、铸造精度、铸造成本和铸造自动化等要求的提高，铸造技术向着精密化、大型化、高质量、自动化和清洁化的方向发展，例如我国这几年在精密铸造技术、连续铸造技术、特种铸造技术、铸造自动化和铸造成型模擬技术等方面发展迅速。
　　一、特种铸造工艺概述
　　特种铸造工艺有离心铸造，低压铸造，差压铸造，增压铸造，石膏型铸造，陶瓷型铸造等方式。压力铸造是指金属液在其他外力（不含重力）的作用下注入铸型的工艺。广义的压力铸造包括压铸机的压力铸造和真空铸造、低压铸造、离心铸造等；窄义的压力铸造专指压铸机的金属型压力铸造，简称压铸。金属型铸造是用金属（耐热合金钢，球墨铸铁，耐热铸铁等）制作的铸造用中空铸型模具的现代工艺。金属型既可采用重力铸造，也可采用压力铸造。金属型的铸型模具能反复多次使用，每浇注一次金属液，就获得一次铸件，寿命很长，生产效率很高。金属型的铸件不但尺寸精度好，表面光洁，而且在浇注相同金属液的情况下，其铸件强度要比砂型的更高，更不容易损坏。压铸是在压铸机上进行的金属型压力铸造，是目前生产效率最高的铸造工艺。压铸机分为热室压铸机和冷室压铸机两类。热室压铸机自动化程度高，材料损耗少，生产效率比冷室压铸机更高，但受机件耐热能力的制约，目前还只能用于锌合金、镁合金等低熔点材料的铸件生产。当今广泛使用的铝合金压铸件，由于熔点较高，只能在冷室压铸机上生产。
　　二、特殊铸造工艺筋的设计
　　（一）排渣铸造工艺筋的设计
　　以不锈钢阀体铸造工艺为例，该铸件重量约60kg，主要壁厚8mm左右。因其用于强腐蚀介质环境中，该阀体选用1Cr18Ni9Ti材质。在使用时要求该铸件能承受2。5MPa以下的压力而无渗漏，所以在制定铸造工艺时必须考虑铸件组织的致密性。考虑到不锈钢的体收缩较大，虽然该铸件壁厚不大。但必须有较好的补缩措施，以避免出现缩孔或缩松现象。为此，该铸件采用横做立浇的铸造工艺。为了保证铸件组织的致密性，除必要的冒口补缩外，还必须将铸型中的杂物能有效去除，所以在铸型的底部设置集杂包以保证铸件钢液的纯洁。但在铸件清理后发现在两边凸出的尺寸约为5mm的法兰高点有少量的浮渣，严重影响铸件的质量，虽然在铸件焊补后可以使用，但这是明显的铸造缺陷。分析认为，出现浮渣的原因在于在法兰钢液熔渣不能有效漂浮到冒口中，若设置排渣通道则可解决该问题。在该工艺筋设置后的铸件则有效解决了浮渣现象，保证了铸件质量。
　　（二）防裂纹铸造工艺筋的设计
　　以原刹车转子精密铸件为例，重量约43kg，材质20CrMnMo。该件上、中、下三层板由8处均布的宽度为6mm的筋板连接，并在中、下两层板间再均布8处宽度为6mm的筋板。在铸造过程中发现，该铸件上、中、下三层的6mm连接筋板有轻微变形，特别是在渗碳淬火热处理后，连接筋板的变形会进一步加大并导致铸件报废。分析认为，产生变形的主要原因在于该连接筋板刚度不足。为了解决刚度不足导致的筋板变形，将加大筋板厚度为8mm，并试生产，则筋板变形问题得以解决。但在生产中又发现新问题，在中、下两层板连接筋板处出现8处热裂纹。分析认为连接筋板加大为8mm后，与下层平板6mm厚度产生差别，且连接筋板在铸件内部，冷却速度低于下层筋板。下层筋板冷却凝固后连接筋板对其产生拉应力。当拉应力大于其高温强度时而产生热裂纹8处连接部位均有裂纹，从裂纹断口形态已经确定为热裂。针对该问题，若在下层平板上加设工艺凸缘以增大其厚度，尽可能地使下层平板与连接筋板达到同时凝固，从而避免热应力的产生。在增设工艺凸缘后，下层平板局部厚度达到9mm，与连接筋板厚度基本相当。从而实现连接筋板和下层平板达到同时凝固的目的，也就解决了裂纹的铸造缺陷。
　　（三）补缩工艺筋的设计
　　以弹簧盖精铸件的铸造工艺为例，该铸件材ZG230450，重量约为34Kg，筒形结构部分壁厚为10mm，在制定铸造工艺时必须考虑冒口补缩。为此，在顶部设计一腰圆冒口，但在底部厚度26mm有4处局部热节，因顶部冒口无法补缩，在铸件钻孔加工时出现缩松现象。解决的常用方法是应用冒口补缩法、冷铁法、铸件加补贴法等，但对本铸件显然不宜采用。因为是精密铸造，冷铁不能使用；采用冒口法，可用暗冒口解决。但因为是精密铸造。给制造熔模和后续工序带来很多不便，此法亦不宜采用。若用铸件加补贴法，势必增加铸件壁厚并可能改变铸件结构，给机械加工带来诸多不便，所以采用铸件加补贴法也不宜采用。根据铸件补缩的基本原理，能在此处建立一个补缩通道使顶部的冒口有效补缩该部位，可基本解决缩孔或缩松问题。经过综合考虑并计算设置4个直径35mm的圆形补缩工艺筋。在补缩工艺筋设置后，基本消除了底脚的缩松现象，4个工艺筋在机械加工时予以切除。
　　三、结束语
　　对于特殊结构的某些铸件，常规的铸造工艺措施往往不能完全解决某些铸造缺陷。基于铸造工艺筋的应用研究表明，不同的铸造工艺筋可简化铸造工艺，使得某些常规铸造工艺不能解决的铸造缺陷问题很容易得到解决。所以，对于某些典型结构铸件，可以针对出现的缺陷采取针对性的工艺措施，而特殊工艺筋的使用对防止某些铸造缺陷，提高铸件质量有事半功倍的作用。
　　参考文献：
　　〔1〕唐定骧。稀土元素在镁合金中的作用及其应用〔J〕。稀有金属，2015。
　　〔2〕李红斌。MgLi合金研究最新进展及其应用〔J〕。材料导报，2016。