锻钢阀门

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发布时间：2011-2-16 14:58:00  点击数：288
    我们在调节阀铸钢件的铸造生产中，常会出现缩松和夹杂类缺陷，因此生产控制有一定的难度。本文将结合阀门铸钢件的生产实际，主要分析不同种类夹杂和缩松缺陷的形成机制，提出工艺控制的技术思路和措施，为铸钢阀门的生产提供技术参考。
一、夹杂类缺陷
    1、夹杂类缺陷的类型
    通常所说的夹杂类缺陷，包括：砂、渣、杂三种。铸钢阀门经常出现的夹杂类缺陷包括以下情况。
    （1） 在一些铸件的下型部位靠近芯子下面，加工时常常暴露出存在细小白点，位置在表层4～6mm的厚度内，若加工余量大则可去掉，若加工余量小，则需要现场焊补挽救，增大费用。
    （2） 一些铸件在靠近内浇道附近有冲砂、结疤、粘砂等现象。
    （3） 一些铸件上表面局部处有较大面积的赃物（夹杂物），并常有渣孔、气孔。
    （4） 个别较大的铸钢件，上表面或侧面上部出现印痕、皱纹，橘皮和麻坑也有发生，修补打磨工作量较大。以上是肉眼可见的宏观缺陷。经X射线探伤时，常常反映出细微的夹杂物很多，只是未超标，铸件仍合格。为了获得优质铸件，提高内在质量，也需要对此类缺陷进行控制。
    A、掉砂（砂眼）
    内因：铸型的强度较低，局部紧实度不够；或者水玻璃砂的CO2硬化效果不理想。
    外因：浇注过程中流速过大、紊流，冲击铸型，或下芯合箱时掉砂。
    （1） 铸型强度与水玻璃加入量及CO2硬化的工艺有关。必要时可对硬化后的铸型进行烘烤以提高强度。一般来说，水玻璃加入量为6.5%～7.5%是比较合适的。只是面砂（新砂）厚度不均，对吹气要求较高，要均匀，深浅适中。
    （2） 铸型受到的流动冲击，是因钢液流速过大所引起。可在横浇道上增设阻流段，增大流动阻力，降低流动速度，在工艺设计时采用大孔出流理论计算浇注系统截面积，实现大流量、低流速、平稳洁净地充填。
    （3） 下芯操作方面也应细致，防止可能的掉砂。
    B、夹渣
    夹渣（渣眼）———渣滓，属外来非金属夹杂物。
    一次渣：钢液熔炼和处理过程中生成的渣滓随流进入型腔。大多属于人工或浇注系统挡渣效果不理想所致。
    二次渣：浇注过程中钢液氧化形成的渣滓进入型腔。大多属于内浇道严重射流所致。
    对铸钢来说，充填过程中金属液和型腔中的气体、造型材料相互作用，产生Al2O3、SiO2、MnO、FeO等组成复杂的二次渣滓（主要是硅质玻璃基和刚玉X2Al2O3晶体），进入型腔后形成表面或内部渣孔。
    用铝终脱氧，形成Al2O3，若粒径小于5μm，其在10～30min内难以聚集长大，达到肉眼可见的宏观夹渣物浮出，只能弥散分布于钢液中。实践表明，湿型生产铸钢件，用铝终脱氧，易在上表面或侧面处形成夹渣。水玻璃CO2硬化砂，由于其中含有水分，在未烘干的情况下，也常出现夹渣缺陷。
    C、夹杂物
    包括内生的氧化物、硫化物，如FeO、MnO、MnS等，至凝固后期偏析所致（偏析夹杂物），本来其体积很小，处于凝固过程中浮不出来，就会成为微小夹杂质点。一般情况下不作为缺陷处理。
    2、成因分析
    以上问题，集中反映出铸件的浇注工艺不甚合理[5]。主要问题是内浇道截面积偏小，导致浇注速度慢，充型时间偏长；同时，内浇道的出流速度又可能偏大，射流严重，卷入气体，或形成紊流，引起钢液进入型腔的过程中发生氧化，生成较多的二次夹杂物（如MnO、SiO2、Al2O3、FeO等）。这些夹杂物的分布可能有3种情况：一部分浮在液面上形成氧化膜，随流上升，被上升的钢液冲破分向四周，随即粘附在型腔表面，形成流痕、皱纹。一部分比较分散细小的夹杂物，本身在钢液中上浮速度小，在浇注速度也小的情况下，钢液由于温度降低较多，粘度增大，使这些氧化夹杂上浮到一定高度处停留下来，特别容易粘附在芯子的下表面处，故此处机加工后比较明显。也不排除铸件上表面处同样存在这类白点。一部分夹杂物上浮到铸件表面处形成表面渣孔、气孔，清砂后肉眼看不见，喷丸后出现坑洞、麻点。
    由于内浇道出流速度大，冲坏型芯，带起砂团，或冲刷掉一些小砂粒，造成砂眼、白点甚或夹砂结疤缺陷。
    采用翻转式浇包浇注时，扒渣不净，挡渣不严，钢液上面的赃物随流进入型腔，而浇注系统本身的撇渣功能又不强，赃物上浮至铸件顶部，若不能进入冒口，则留下玻璃质渣滓，喷丸后出现凹坑、麻点等。
    集中的原因是内浇道截面积偏小，导致出流速度过大，氧化严重；且浇注速度偏小，浇注时间长，钢液降温太多，粘度增大，非金属夹杂物、砂粒、渣滓等未能及时上浮进入冒口。
    3、预防措施
    A、改进浇注系统设计和浇注工艺
    浇注系统截面尺寸的设计，应保证实现大流量低流速平稳洁净地充填。
    （1） 加大浇注系统各单元的过流截面积，特别是内浇道的截面积，以求减小出流速度，实现平稳充填，避免钢液的氧化。浇注系统设计时，若按传统的奥藏公式计算，一般偏小20%～25%。如果浇注重量中不包括浇注系统的重量，则计算误差更大（因为铸钢件的工艺出品率低），可在此基础上加大。为了提高计算精度，建议按照大孔出流浇注系统设计方法计算浇注系统截面积，结果比较准确合理，同时注意按浇注效果及时调整修正。
    （2） 采用开放式浇注系统，特别是一些较大的铸件。使内浇道截面积大于前面的2个单元。只有内浇道截面积大，才能降低出流速度，实现平稳洁净地充填，以防止喷射、紊流、氧化、冲砂及内浇道局部过热等。如果采用底注式或中注式浇注系统，应特别强调开放。因为底注、中注方式，直浇道压头高，一开始出流速度就很大。
    （3） 底注或中注，应保证快速浇注。因为底注、中注充型完毕后，进入冒口的钢液经历了较长的路程和时间，温度最低，而铸件下部由于有刚进来的高温钢液，温度高，在铸件高度方向上，形成反的或倒的温度梯度，既不利于夹杂物上浮进入冒口，也不利于顶部冒口由下而上顺序凝固补缩。快浇，充型时间短，有利于减小底注和中注的铸件上下温差，有利于夹杂物上浮进入冒口。
    （4） 加强浇注系统的挡渣功能
    浇注系统中有挡渣功能的主要组元是横浇道，横浇道截面积大，流速减慢，渣轻易上浮（横浇道顶面上的玻璃状渣滓）。据此，横浇道截面积的设计很重要，条件是横浇道要充满流动。
    采用漏包底注具有良好的挡渣效果。
    但不是所有渣滓都能挡住，渣滓越小上浮速度越慢，易随流进入型腔，形成渣孔。
    （5） 要求浇注工一定要保证满流浇注。即认流要快，浇注系统一定要充满（主要指直浇道）。对每种铸件，工艺上按其浇注重量（包括浇冒口）确定合理的浇注时间，并力求达到，误差不能太大。加大浇口杯，使浇注过程中浇口杯的钢液始终保持一定高度，在即将浇满时提前收包，把握住不在浇口杯内留存钢液。
    快浇易出现抬箱跑火，应卡紧上下箱，糊好合箱面，防止抬箱跑火。同时，排气道的总面积（主要是明冒口和出气孔）应不小于直浇道总面积，避免快浇时型腔内憋气或呛火。
    综上所述，改进浇注系统设计和浇注工艺，对铸件的表面质量和内部致密度的提高，有综合效应。
    B、净化钢液
    （1） 采用过滤技术
    采用泡蜂窝孔陶瓷过滤器。该品用Al2O3（刚玉）等耐火材料，磷酸二氢铝作粘结剂，和泡体等混合于1540℃烧结而成，铸铁、铸钢都能应用，也有用陶瓷孔过滤片的。
    （2） 钢液要精炼，脱氧要彻底，保证炉料无锈少锈，出炉后静置（?5min）扒渣。从铸件表面发生皱皮来看，说明浇注温度可能偏低，钢液氧化比较严重。所以坚持常测温，保证所需的浇注温度是重要的工艺控制因素之一。
二、缩松（显微缩松）
    1、缩松的形成和部位
    生产中常常发现，一些阀门铸件打压时有渗漏，如阀门的侧法兰下部与阀体连接处有缩松；有的阀门虽不渗漏，但X射线探伤检查显微缩松出现较多，达不到优质品等级。从不同企业铸钢阀门的生产情况整体来看，缩松的问题不是十分严重，或者说不很普遍。因为阀门铸钢件在工艺设计上较多的强调补缩，安放的冒口尺寸大且数量多，通常一个中小型阀门，在3个法兰处设置3～4个冒口，铸件中部顶面上设置1个冒口，共4～5个冒口，还要使用金属补贴，加上保温冒口套的作用，补缩效果应该是很不错的，只是工艺出品率偏低，约50%～55%。
    针对阀门铸钢件的特殊结构和既定浇注位置，常在远离冒口（垂直或水平方向）的件壁中心发现显微缩松（X射线探伤）。
    （1） 阀门铸件的本体壁厚比较均匀，而冒口多设置在孔口法兰加工面处，铸件本体上一般很少设置冒口，也很少加金属补贴（本体不加工），这样会导致冒口的有效补缩距离不够，易在件壁形成中心缩松。个别尺寸较大的薄壁阀门中，缩松出现较多。
    （2） 铸件拐角等局部小热节处，凝固比周围稍慢，未能实现顺序凝固补缩，也易发生微小的缩松。缩松的出现，仍然应该归结到补缩工艺设计不到位，集中反映为冒口补缩距离不够。或者是冒口中缺少补缩钢液，或者是输送距离远，未能形成良好的楔形补缩通道。
    缩松形成的空洞，其总容积是很小的，所需补缩钢液的量也很小，但凝固后期补缩液在枝晶间流动，阻力很大，基本上为渗流，故冒口补缩的工艺措施往往事倍功半，即使加大冒口尺寸也往往难于济事。
    2、防止缩松缺陷的工艺措施
    工艺改进的思路是，从缩松发生部位起，采取工艺措施，保证朝向冒口的形补缩通道畅通。
    对局部出现的缩松（或内部缩孔），可采取具体措施加以解决。
    （1） 若法兰底部（下箱）距顶冒口太远，顶冒口的垂直补缩距离不够，可以适当加大冒口，延长补贴，或加冷铁于缩松发生处。
    （2） 对靠近冒口处或两冒口之间很小范围内出现的缩松，最好采取冷铁来控制。使用冷铁时，需要找准缩松发生的位置安放。
    （3） 增大冒口有效补缩距离。在一般情况下，冒口有效补缩距离L=4.5T（T为铸件壁厚），垂直补缩方向上L可大些，圆筒铸件平浇L可小些。
    以阀门铸件的法兰顶冒口为例，若壁厚T=4cm，则冒口有效补缩距离L=4.5×4=18（cm）（假设有末端区），可能远小于冒口到法兰最底处的距离，虽然法兰端面上冒口下部设有补贴，使补缩通道延长，但法兰处有较大直径的芯子，钢液通过法兰圆周拐弯到达底部，补缩距离远，补缩液流动的阻力大，补缩不到是能理解的。在工艺实践中，可把法兰顶部的1个冒口改为2个冒口，设在法兰顶部的两侧，缩短补缩流动的距离，可以提高补缩效果。
    也可在法兰底部容易产生缩松处安放冷铁，增大末端区。
    建议采用成形保温补贴（和保温冒口套一样，采用绝热材料做成），保持冒口补缩通道畅通。保温补贴的补缩效果好，可节约金属液，减少加工量。保温材料与保温冒口套的相同，按铸件形状和尺寸制模成形，造型时埋入，见图1。在薄壁大件上，冒口加冷铁仍解决不了的缩松，可考虑在铸件分型面上远离法兰冒口的铸件突出部位设置侧冒口（如图2），对该区域凝固后期可能发生的缩松进行补缩，也有减轻中间顶冒口负担的作用。
    但生产中有时发现，在两个冒口之间（冒口本身距离较近）会发生缩松。这是2个冒口对该处产生热干扰，加上形成的砂尖散热不良，延长了该处的凝固时间所致；还有可能是两个冒口通过该处互相流通（连通器的作用），使此处和冒口同步凝固，后期得不到补缩出现缩松。防止办法：可在两冒口之间加冷铁，放在芯子上，不要直接放在两冒口之间，以免对冒口发生反作用。冷铁放在芯子上，激冷效果不变，但不要阻碍件壁的收缩。

三、结论
    1、为了防止和消除阀门铸钢件的缩松缺陷，应从优化和强化补缩工艺设计入手，采用冒口、冷铁和保温补贴相结合的工艺思路，力求提高冒口补缩效果。
    2、阀门铸钢件的夹杂类缺陷表现为砂眼、夹渣和夹杂物，形成原因主要归结为浇注系统设计不合理，内浇道截面积偏小，出流速度大，浇注时间长。建议工艺控制的思路和措施，应采用大孔出流理论设计浇注系统，开放式截面比例，快速浇注，实现大流量低流速平稳洁净的充填；注意脱氧精炼效果，有效净化钢液；加强浇注系统的挡渣功能，包括使用过滤技术等。
    参考资料
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    中国机械工程学会铸造分会编。铸造手册（第4卷）铸造工艺[M]。北京：机械工业出版社，2004。
    李宏兴。铸钢件冒口离开热节工艺设计[J]。铸造技术，2007 ,28 (10) :10252-1029。
    陈国桢，肖柯则，姜不居。铸件缺陷和对策手册[M]。北京：机械工业出版社，1996。
    魏兵，袁森，张卫华。铸件均衡凝固技术及其应用[M]。北京：机械工业出版社，1998。