采用原有的澆注工藝生產的球墨鑄鐵卡箍鑄件，在遠離澆口端的熱節處產生縮孔、縮松缺陷，廢品率達30%。在均衡凝固理論的指導下，重新進行了均衡凝固澆注系統工藝設計，在DISA垂直造型線上生產出了無冒口的質量優良的卡箍鑄件，縮孔、縮松缺陷得以消除。

　　關鍵詞：球墨鑄鐵；縮孔；縮松；均衡凝固；工藝設計；DISA線

　　隨著近年來建筑行業的發展，建筑、消防用管道連接件的用量也逐年增多。DISA垂直造型線生產效率高，生產的鑄件表面質量好，組織致密，尺寸精度高，與傳統的砂型相比，具有顯著的節能、節材、生產效率高等優點，特別適合生產大產量、高精度的鑄件[1]。筆者公司從2005年以來一直致力于DISA垂直造型線管道系統連接件的生產，在管道系統連接件的生產方面積累了大量經驗。本研究以一種管道系統連接件的常用規格4寸卡箍為例，探討了基于均衡凝固理論的卡箍類球墨鑄鐵件在DISA垂直造型線上的澆注系統工藝設計。

　　1 鑄件技術要求及工藝分析

　　鑄件最大輪廓尺寸為216mm×57.5mm×80mm，鑄件單重1.4kg，壁厚不均，最大壁厚15.5mm，最小壁厚5mm，材質ASTMA53665-45-12，結構如圖1所示。鑄件質量按照客戶內部文件驗收，要求鑄件內部和表面無縮孔、縮松、縮沉、裂紋、夾雜、冷隔等缺陷，材質按照ASTMA53665-45-12標準，球化率等級按照GB/T9441—2009《球墨鑄鐵金相檢驗》達到2級以上。圖2為鑄件優化前的澆注工藝，采用頂注式澆注工藝，各層的豎澆道和內澆口尺寸一致，鐵液逐層向上凝固，上部型腔充型速度慢，經常在上部鑄件澆口遠端的熱節處，產生縮孔、縮松缺陷，縮孔位置見圖3箭頭處所示。受型板布局空間所限，無法安放冒口對其進行有效補縮，導致鑄件廢品率較高，達到30%左右。鑄件在凝固過程中有液態收縮和固態收縮，由于鑄件本身的幾何熱節在同樣的凝固條件下，將晚于其他部位凝固，且該部位散熱條件較差，在凝固過程中發生的液態收縮和固態收縮沒有得到充分補縮而產生了縮孔。均衡凝固理論是利用收縮和石墨膨脹的動態疊加采取的工藝。鑄件在凝固過程中同時存在大量石墨析出，產生體積膨脹，宏觀上鑄件體積的變化就是凝固收縮和體積膨脹疊加的結果[2]。對于整體鑄件，由于壁厚不均，所以各個區域進入收縮、膨脹的時間也是不同的，有先有后，收縮、膨脹交叉進行。鑄件在液態凝固過程中，一定要保證其鐵液補縮通道暢通，鑄件接近凝固時通道應封閉，使自身石墨化膨脹進行補縮從而形成致密鑄件[3]。在垂直分型的澆注系統中，鑄件如果采用逐層充滿所有型腔，底部型腔充型速度快，易造成粘砂、砂眼缺陷，上部型腔充型速度慢，熱節部位凝固過程中得不到有效的鐵液補縮而造成縮孔、縮松、澆不足等缺陷。重新設計澆注系統，運用均衡凝固“頂注優先”的原則，采用薄、短、小的內澆口，在鑄件膨脹凝固開始時，內澆口能迅速凝固封閉，以充分利用鐵液本身的石墨化膨脹進行補縮。同時采用垂直分型等流速澆注系統，在澆注過程中，使各內澆口的壓頭保持不變，流經各內澆口的流速相同，所有型腔同時充滿，以期獲得質量基本一致的合格鑄件。

　　2 鑄造工藝設計

　　2.1 型板布局設計

　　采用的DISA線生產模板為600mm×480mm，如圖4所示。a、b、c分別為模型距離型板頂邊、側邊和底邊的安全距離，根據鑄件壁厚或凝固模數以及總模型高度確定[4]，鑄件的最小壁厚為5mm，a=70mm，b=35～45mm，c=35～45mm。在保證安全距離和各型腔及其澆注系統之間最小距離的前提下，型板布局應盡可能增大型板利用率，型板布局型腔數量多，既可以提高生產效率，同時又增大產品出品率。型板布局見圖5，每型10腔，頂部側邊澆注。

　　2.2 澆注時間

　　在不同的文獻資料中，都有許多關于澆注時間t的公式，根據常用的經驗計算公式[5]：t=B（1）式中：t表示鐵液進入鑄件型腔的澆注時間，tmax為允許的最大的澆注時間；G為鑄件單重；B取決于最薄壁的厚度或相應的凝固模數。對于一型多件的球墨鑄鐵小件，根據現場經驗，B的取值范圍在2～4，這里取3，計算得到的澆注時間為3.6s，取t=3.5s。

　　2.3 內澆道截面積設計

　　根據DISA線垂直造型澆注系統計算公式，內澆道的最小截面積為：F=（2）式中：1036是常數，包含了鐵液的密度；A是摩擦系數（0.2～0.6），這里取0.5；H是靜壓高度，mm；t為澆注時間，s；G是鑄件單重，kg。計算得到的內澆道截面積從上到下分別約為F1=93mm2、F2=66mm2、F3=54mm2、F4=47mm2、F5=42mm2。內澆道的厚度可以在最大鑄件模數的25%至100%之間變化，小于25%將影響液體收縮。因為內澆口在鑄件冷卻到凝固溫度前就凝固了，大于100%將造成鑄件在內澆口前部產生局部熱節，導致局部收縮。按照均衡凝固理論，內澆口應該寬、薄、短，結合DISA垂直造型線生產卡箍的實踐經驗，初步選取內澆口厚度為5m。

　　2.4 豎澆道截面積設計

　　垂直流道的截面積應該比連接到它的所有內澆口的總截面積大10%～20%，這里取15%，即F豎=1.15F內，由于簡單梯形流道在相同截面積的情況下的模數最高，溫度損失最小，所以豎澆道做成簡單的梯形，拔模角度為10°，如圖6所示。計算得到，F1豎=1.15×2×（F1+F2+F3+F4+F5）≈695mm2，F2豎=1.15×2×（F2+F3+F4+F5）≈480mm2，F3豎=1.15×2×（F3+F4+F5）≈330mm2，F4豎=1.15×2×（F4+F5）≈205mm2，F5豎=1.15×2×F5≈97mm2，設計的豎澆道截面積尺寸如圖6所示。

　　2.5 水平流道設計

　　本著“快、穩、順”的原則，采用大截面的橫澆道，設計的橫澆道截面積為25mm×30mm，既可以保證鐵液流動平穩，兼有較強的擋渣能力，同時也可以充當鑄件的冒口，用于補縮鑄件液體收縮。

　　2.6 排氣道

　　在澆注過程中產生的氣體除了從垂直分型面排除，通常還要設置排氣道，在加壓的情況下，排氣道的截面積至少為內澆口的15%，通常與鑄件相連的排氣口厚度選擇為0.5mm，從砂型上方排氣。

　　3 熔煉工藝

　　采用中頻感應電爐熔煉，化學成分見表1所示。澆注溫度控制在1380～1420℃，澆注過程中采用隨流二次孕育，砂型厚度210mm，射砂壓力0.35MPa，擠壓壓力3.5MPa，造型速度為340型/h。

　　4 鑄件質量檢測

　　按照上述優化后的工藝進行生產線實踐驗證，隨機抽取一爐產品，目視鑄件外觀良好，表面無裂紋、縮松、縮孔、冷隔缺陷；對鑄件進行X光檢測，無縮松縮孔產生。對該鑄件客戶規定位置進行金相取樣，按照GB/T9441—2009標準，球化級別達到了2級標準，球化率91.64%，如圖7a所示；組織中的珠光體含量在15%左右，如圖7b所示，滿足了客戶對金相珠光體含量70%以下的要求。從附鑄的試樣上取樣，進行力學性能檢測，結果見表2所示，完全滿足技術要求。

　　5 結束語

　　對于一型多件澆注系統，應用均衡凝固理論設計合理的鑄造工藝，實現了在DISA垂直造型線上4寸球鐵卡箍的無冒口化生產，解決熱節部位的縮孔、縮松問題，穩定地實現了大批量的鑄造生產。長期跟蹤統計，鑄件的廢品率控制在1%以下，有效降低了廢品率，經濟效益顯著。

　　參考文獻：

　　[1]任現偉.DISA線生產優質鑄件的工藝技術與應用[J].鑄造，2019，68（7）：777-781.

　　[2]張帆.球墨鑄鐵實用冒口與均衡凝固技術設計冒口的對比[J].鑄造設備與工藝，2017（6）：16-18.

　　[3]黃黨懷.DISA造型線生產帶盤的軸類零件均衡凝固鑄造工藝優化設計[J].鑄造技術，2012，33（3）：351-354.

　　[4]DISAIndustries.DISA造型應用手冊[M].丹麥，2004.

　　[5]魏兵.鑄件澆注時間的確定[J].西安鑄造，1980（1）：7-16.

　　作者：回春華