铸造型砂配料知识汇编选集

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煤按煤化程度不同可分为褐煤、烟煤、无烟煤。铸造用煤粉首先应属烟煤类。烟煤煤化程度又可细分为长焰煤、气煤、肥煤、焦煤、瘦煤和贫煤。根据煤的特性,有较挥光分和适宜焦渣特征的烟煤是焦煤和肥煤。铸造用煤粉应以肥煤 和焦煤为原料,经精洗磨制而成,外观为黑色或黑褐色细粉。煤粉的作用上利用煤在高温的分解及分解后包覆在砂粒表面的碳膜以防止铸铁件产生粘砂和夹砂,同时也起到提高砂型溃散性的作用,因此煤粉中挥发物的含量是质量分级的主要依据。煤的挥发物包括气体和液体两部分,因此在控制温型用煤粉的质量方面,除了挥发物含量外,对煤粉的胶质层厚度及焦渣特征也应加以控制。
目前,普遍认为适合湿型砂应用的优质煤粉在浇注过程中的作用如下:
一、在铁液在高温作用下,煤粉产生大师还原气体,防止铁液氧化,并可使铁液表面氧化铁还原,减小金属氧化物和型砂进行化学反应的可能性。型腔中原还性气体主要来自煤粉热解生成的挥发分,也包括碳与型砂中水分在高温下反应生成的氢气。
二、煤粉受热后开始软化,具有可塑性。如果由开始软化至固化之间温度范围比较宽的时间比较长,则可缓冲石英颗粒在该温度区间受热而形成的膨胀力,从而可以减少因砂型受热膨胀而产生的铸件夹砂缺陷。
三、煤粉受热后产生气、液、固三相的胶质体,胶质体的体积膨胀可部分地堵塞砂型表面砂粒间的孔隙,使铁液不易渗入。国家标准GB-/T212--2008uqf煤的“焦渣特征”分为8级,能够区分煤粉受热时是否生成起粘结作用的液相,以及是否发生膨胀。
四、煤粉在受热时产生的碳氢物的挥发分在650--1000摄氏度高温下,于还原性气氛中发生气相热解,而在金属和铸型的界面上析出一层带有光泽的微细结晶炭,称为光亮炭或光泽炭。这层光亮炭使砂型不受铁液湿润和难以向砂粒孔隙中渗透,从而得到表面光洁的铸件。

二、铸造用煤粉粒度 越细越好吗?
     在铸铁用粘土湿型砂中加入煤粉,有防止铸件表面粘砂,抑制膨胀缺陷,以及减少气孔等多方面的作用,不仅可以提高铸件的表面质量,而且可以提高铸件尺寸的一致性,改善铸件轮廓的清晰度。长时期以来,煤粉一直是铸铁用粘土湿型砂中不可或缺的添加剂。
  铸造行业中使用煤粉首先是在英国,迄今已有近400年的历史。我国铸造行业的形成和煤粉的规模应用则为期不久,基本上可认为始于20世纪50年代初。
  近30年来,随着环保意识的增强,加以不少人对煤粉缺乏正确的认识,把铸铁厂的脏黑、灰尘多、烟气大等问题都归咎于煤粉,有人甚至把煤粉说成是铸铁行业‘甩不掉的冤家’,寻求煤粉代用品的研究工作受到了广泛的关注,新材料也层出不穷。但是,纵观当前的世界铸造行业,煤粉经受了时间的考验,依然被广泛采用,而且迄今为止仍是性价比最高的型砂添加剂。同时,对煤粉的认识也在不断深化,对煤粉质量的要求也渐趋合理。
  目前,我国是世界铸件产量第一大国,每年铸造用煤粉的耗用量大约在25万t以上。由于我国铸造行业应用煤粉的经历较短,以往在这方面的研究工作较少,相关的标准也不尽完善。无论从提高铸件质量、合理利用资源或改善环境哪方面考虑,加强对铸造煤粉的研究都势在必行。
  这里,只想根据外国的研究工作和生产经验,对铸造煤粉的粒度控制提出一些意见,供煤粉生产企业参考,也希望有条件的铸造企业能与煤粉生产企业合作进行试验研究工作。对煤粉质量的其他要求,将另文述说。
  我国,1988年才由机械系统制定关于铸造用煤粉的专业标准ZB J31 002-1988《湿型铸造用煤粉》,其中对煤粉粒度的规定是:“应有95%以上通过0.106mm的筛孔(即140目筛)。1999年对标准作了修订和整理,标准号改为JB/T 9222-1999,技术内容未变。从标准的要求看来,很容易理解为:‘铸造用煤粉越细越好’。因此,我国铸造行业所用的煤粉大体上都相当于国外的超细煤粉,而型砂中不加分析地采用超细煤粉带来的问题很多,实在很不相宜。在我国铸造生产规模已经很大的今天,应尽快对此有更为全面的认识。

  1.煤粉粒度的影响

  煤粉颗粒应根据铸件的尺寸和重量选用,同时也要考虑造型设备的具体情况。一般说来,粘土湿型砂中所用的煤粉,粒度应略细于原砂的粒度,但又不宜过细。如生产小型铸件而对表面质量的要求又较高,可采用细砂和细煤粉或超细煤粉,但这并不是常规的情况。随着铸件尺寸的增大,就以采用较粗的煤粉为宜。
煤粉太细,可能带来很多问题,如:
  (1)挥发分易于释放,而影响使用效果。
  (2)易于氧化。
  (3)加料过程中容易被排尘系统吸走,影响型砂质量的稳定性。
  (4)每次浇注后,因受热界面大而烧蚀的量较大,导致煤粉的用量大,且使型砂中的含泥量增多。
  (5)储存过程中易于自燃。

  近30年来,高压造型设备的应用日益广泛。对于高压造型设备,无论水平分型或垂直分型,型砂中都应采用粗粒的煤粉。这样,一方面可以适当提高铸型的透气能力,减少铸件产生气孔缺陷的几率;另一方面,采用粗煤粉,浇注时挥发分的释放减缓,型砂中的灰分减少、复用性能改善,对于保证型砂性能的稳定至关重要。
  如果进入系统砂的芯砂数量较多,导致型砂的总体粒度偏粗,为避免铸型的透气能力过高,在这种情况下,可考虑采用略细一些的煤粉。
  总之,不论铸件特点和生产条件如何,一律采用95%以上通过0.106mm筛孔的煤粉是不妥的,希望能通过试验、研究,尽快改变这种状况。
  当然,煤粉的粒度也不能太粗。按照英国多年使用的经验,不能用粒度为1mm以上的煤粉,否则铸件容易出现气孔缺陷。

  2.有关煤粉粒度规格的参考资料

  英国5种铸造用煤粉的粒度分布情形见表1。

  美国American Colloid公司在其为铸造厂提供的膨润土-煤粉混合料所用煤粉的粒度分布见表2。

  
       结语
       我国铸造用煤粉规格的制定,还需要根据不同生产条件下的实际试验数据进行优选,需要煤粉生产企业与铸造企业共同努力。一般说来,铸造用煤粉颗粒的尺寸应在0.400~0.071mm(40~200目之间,以不同的粒度级配制定若干牌号,以适应不同铸造企业的需求。
  煤粉生产企业为生产粒状煤粉,在设备方面还需作较大的调整,如装设旋流式粒度分级设备和粒度级配装置等。


三、湿型煤粉砂铸造球墨铸铁 全程实践
盘式自动器又称刹车盘,它是叉车、装载机上重要的制动刹车设备,因此,铸件质量的优劣直接关系到叉车,装载机的行驶安全与工作安全。我们生产的DY-JQ-40F、DY-JQ-50F两种规格的盘式自动器,分别由内钳与外钳两种组合。其中DY-JQ-40F内钳与外钳两铸件毛坯重12.5kg,11kg,材质QT500-7,硬度230~265HBΩ。其零件结构如图1、图2所示。
图1
图2
铸件结构特点;壁厚悬殊,内钳与外钳两端壁厚58mm处各有一条φ6.5mm液压油孔,最小壁厚12mm。技术要求:中心距为105mm的两φ75mm活塞孔及其相贯通的长×宽×高为38×20×10mm的液压通道内,不允许有任何气孔、砂眼、粘砂等铸造缺陷,铸件外观不允许有气孔、砂眼、粘砂、错箱、涨箱、飞边及无刺等。机加工组合后,在18MPa压强下试压,铸件不允许出现渗油、漏油与变形现象。生产过程中,由于铸件壁厚悬珠,受生产条件限制,采用温型煤粉砂生产。经解剖两端φ6.5mm注油孔处,常产生缩孔缺陷,导致产生漏油,渗油,并伴有因强度偏低发生变形现象。因此,在生产过程中,要求有高温优质铁液,合理的铸型(芯)工艺与浇主系统。针对上述问题,我们采取了以下几项工艺措施。


一、型(芯)砂工艺配比

造型采用湿型煤粉,两φ67mm活塞孔与38×20×100mm的液压通道砂芯用覆膜砂,型(芯)砂配比如下:

(1)湿型面砂配比粒度0.212~0.106mm(70/140目)的新砂50%、旧砂50%、膨润土5%~6%、碳酸钠4%~5%(以膨润土为基数)、煤粉4%~6%,水分适量,湿压强度90~120kPa,透气性≥100。

(2)湿型背砂配比旧砂100%,膨润土2%~3%,水分适量。湿压强度≥80kPa,透气性≥80。

(3)芯砂选用成品FZF-201型常温抗弯强度6.5~7.5MPa覆膜砂。



二、铸型(芯)工艺

(1)铸型工艺DY-JQ-40F盘式自动器内外钳毛坯总重23.5kg,专用砂箱,一箱两件,热侧暗冒口浇注,铸造工艺如图3所示。
图3

采用充型平稳半封闭式浇注系统,各浇道截面积比为∑F直:∑F横:∑F内=1:1.2:0.8。增大横浇道截面积的目的是,当高温铁液进入横浇道后,降低了流速,促使渣液上浮后可滞留在横浇道上的集渣包内,使铁液平稳地进入涨大的暗冒口中,带入的少许渣液上浮于冒口顶端,内浇道为宽扁鸭嘴状,与铸件连接处厚度为6mm,可防止残渣进入型腔。盖箱型腔的上表面扎多个φ6~φ8mm的出气孔,经多次解剖生产实践发现,内钳铸件两端易产生缩孔。因此,在设计其内浇道时,人为的略大于外钳内浇道的截面积。

(2)两活塞孔与其贯通的液压通道砂芯的设计两活塞孔及其相贯通的液压通道内,要求内腔光洁、平滑,不允许有气孔、缩孔、粘砂与结疤等铸造缺陷。工艺设计位于下箱,砂芯上表面为盲孔。我们采用FZT-201型覆膜砂,砂芯结构如图4所示。芯盒材质Q235A,加热温度230~250℃,硬化时间30~40s。两活塞孔芯制作成壳型,芯头间隙为零。下芯前底箱芯头扎φ8mm排气孔。采用上述措施后,不但便于砂芯排气,还节省了覆膜砂的用量。
图4

(3)砂箱设计专用砂箱,四周吃砂量≤30mm,上下箱吃砂量≤60mm,用δ=6mm普通防滑花纹钢板焊接,两边框设有定位导柱销箱耳,合箱后用M12螺栓锁紧。

(4)造型选用两台Z145Ω微震压实式造型机,上下箱模型与浇注系统各自为固定型板,模型表面覆盖10~20mm面砂后,充填背砂震实压平,型腔紧实度≥90。

三、熔炼质量的控制


1.炉料的选用
正确选用炉料是获得优质铁液的必备条件,我们在生产过程中着重控制以下几个方面。

(1)球墨铸铁用生铁的选用不同厂家生产的生铁,由于矿石来源不同和冶炼方法不同,所以微量元素、气体、非金属夹杂物的数量也就不同,而它们又很难用一般的化学方法检查出来。根据上述因素,我们选用表面光洁、微量元素偏低的球墨铸铁用生铁。生产初期,选用的球墨铸铁用Q12生铁,其微量元素ωTi=0.10%,ωCr=0.02%,表面夹杂物较多,结果铸件气孔、缩孔缺陷占50%左右。后更换了价格略高的另一生产厂家的表面光洁、微量元素偏低的Q12生铁,杜绝了上述铸造缺陷。生产实践证明,由于生铁的遗传因素,当生铁中微量元素ωTi≥0.04%且表面夹杂物较多时,铸造出的球墨铸铁件,多产生缩孔,缩松及气孔与非金属夹杂物等缺陷。

(2)废钢由于回收公司的废钢成分混杂,锈蚀严重,易使铸件产生多种铸造缺陷,生产中坚持选用普通碳素钢,杜绝使用锈蚀严重的废钢及合金钢。

(3)焦炭选用河南产固定碳≥88%、ωS=0.3%~0.4%的铸造焦炭。

2.熔炼的控制
(1)铁液温度的控制温度、化学成分、纯净度是铁液的三项冶金指标。而温度又直接影响到铁液的化学成分与纯净度。在一定范围内提高铁液温度,可使石墨细化,组织致密,提高抗拉强度。

采取措施:每次按工艺图样要求修砌冲天炉炉型,适当提高底焦装炉高度与层焦用量,控制金属炉料尺寸小于1/3炉膛内径,确保铁液出炉温度≥1450~1470℃。

(2)球化与化学成分的控制在保证球化的条件下,尽量降低铁液内的稀土与镁的残留量,严格控制硫、磷含量。

采取措施:选用稀土含量低的FeSiMg8Re3球化剂,加入量1.3%~1.35%,75SiFe孕育剂,徐州产Q12生铁。稀土镁合金放入堤坝高≥150mm的一侧,覆盖占铁液总量为0.8%的粒度15~20mm经预热的75SiFe,表石覆盖球墨铸铁屑,用砂冲子舂紧,铁液量一次冲满,待铁液反应平稳后,扒净表面浮洼,检验合格后,包嘴覆盖铁液撇渣剂,铁液表面覆盖稻草灰。控制铁液化学成分为:ωC=3.6%~3.8%、ωSi=2.2%~2.4%、ωMn=0.4%~0.6%、ωS≤0.03%、ωP≤0.06%、ωRE残=0.03%~0.04%、ωMg残=0.04%~0.05%。10min内浇完铁液。

(3)浇注浇注温度≥1360℃,采用“二慢-快”的浇注原则,待铁液超过型腔上表面后,放慢浇注速度,注满后从直浇道点浇1~2次,浇注过程中及时点火引气。


四、实践体会

(1)选用熔炼用炉料要慎重,选用固定厂家生产的炉料,尤其是球墨铸铁用生铁,要选用硫、磷及微量元素含量低,以及表面光滑的特级或一级球墨铸铁用生铁。使用过程中长期跟踪,定期检验其微量含金元素,防止遗传因素导致批量质量事故和存有质量稳患。

(2)提高型腔刚度,型(芯)应具有足够的透气性,适当减少型腔吃砂量,砂箱应具有一定的刚度,牢固的砂箱夹紧装置,采用薄而宽的内浇道,使其在二次膨胀前凝固封闭。

(3)合理的化学成分和铁液浇注温度,在保证球化的条件下降低铸体内的残留镁量和稀土量,严格控制微量合金元素Ti、Al的含量。按照C%+1/7Si%≥3.9%的原则来控制碳、硅量。

(4)两活塞孔及其相贯通的尺寸为38mm×20mm×10mm(长×宽×高)的液压通道内采用覆膜砂,消除了其内腔粘砂、气眼及砂眼等铸造缺陷。

两年来,随着各项措施落实与改进,我们已生产DY-JQ-50F、DY-JQ-40F内钳、外钳各种铸件数万件,经机加工后,铸件组织致密,组合后经18MPa试压,盘式自动器渗油、漏油及变形现象已基本得到控制。


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