作者：文谦 （宁夏朗盛精密制造技术有限公司 宁夏 吴忠市 751100 电话：17752337328）
摘要：一种解决大型复杂砂铸承压件裂纹的浇注方法，其过程在于浇注时对砂箱使用了抽负压和三维震动的有效结合，提高了金属原子的快速运动和金属液流动过程中的热交换， 改变了钢水凝固顺序、金属液的流速等因素，细化了晶粒。消除了碳钢类、不锈钢类大型 砂铸件的裂纹缺陷。
关键词：抽负压、三维震动、细化晶粒、裂纹缺陷
1.引言
随着铸造技术发展，目前，各个行业对铸件评判不只是停留在表面质量上， 同时对于 铸件的内在质量及组织致密度的要求都非常高。尤其对于大型复杂砂铸承压类零件。第一， 普遍认为高温金属凝固时产生的收缩受到砂芯（型）较大 的阻力，使铸件产生应力和变形， 而当应力或变形超过合金在该温度下的强度极限或变形能力时，就会形成热裂缺陷。传统 的解决方法是采用碱酚醛树脂自硬砂造型和制芯，同时在自硬砂中加入了一定量的锯末， 提高砂型的高温退让性和高 温溃散性，以防止形状复杂的大型砂铸件产生的裂纹缺陷。另 一种解决裂纹缺陷的方法是在大型复杂砂铸承压件易产生裂纹的地方增加壁厚或者工艺筋， 来消除这类裂纹缺陷。第二，对于大型复杂的砂铸件所产生裂纹和缩松，通常都是通过改 进铸造工艺，设计合理的冒口位置、冒口尺寸、冒口数量或增加冷铁等来减少和消除这种 缩松、缩孔缺陷。第三，普遍现象认为在铸造过程中对于铸件产生的缩松、裂纹等缺陷可 以用冷铁，采取激冷方式解决。但实际上冷铁不能减少钢水的补缩量，而只是让缩松、裂 纹等缺陷缩小或者产生位移。冷铁大小的选择不当，有时会导致铸件气孔增加。第四，对 于大型砂铸件浇注时，尤其是现在普遍所用的树脂砂抗高温金属液冲刷能力较弱，并且树 脂砂和高温金属液反应产生火焰和发气量比较大是困扰砂型铸造多年的难题。对车间环境 及工人的健康 造成很大影响。目前，传统砂型铸造在重力下静态冷却不能从根本上去除上 述四种问题。
2.铸造工艺设备设计目的
该设计是一种用于砂铸浇注生产线上提高大型复杂砂铸承压件致密度、消除铸造裂纹、提高铸件出品率的设备，其特征在于浇注时对砂箱使用了抽负压和三维震动的有效结合。
此两者的结合，抽负压的目的在于提高了金属液流动性，同时加速了空气在砂型中的排空， 缩短了砂铸件的冷却时间。三维振动从微观上 提高了金属原子的快速运动和金属液流动过 程中的热交换，促使了金属凝固过程中更多的晶核形成，剧多的晶核形成晶体后与相邻的 晶体相互抵触，阻止了液态金属结晶过程中呈树枝状长大，从而达到了快速结晶，细化晶 粒的效果。消除了大型复杂砂铸件裂纹，缩松等缺陷。以及特殊的砂箱密封设计，很大程 度的降低了浇注时产生的火焰和废气对操作人员和周围环境的危害。
（1）实例举证
该阀体流量口径 250mm，属于调节阀系列阀体铸件，要求压力 150 磅级。原铸造工艺图见图 1，红色为排气孔，黑色为冷铁，粉色为积渣槽。
图 1（原铸造工艺图）
按照图一设计的铸造工艺，合箱后通过转包浇注的阀体铸件，该铸件外表面经着色渗透探伤后出现的几条裂纹，外表面裂纹见图 2。该阀体铸件内腔经着色渗透探伤后出现的 几条裂纹。分别分布在上阀腔 1 条、下阀腔 1 条见图 3。根据其形状特征判定，该裂纹为 在高温下形成的热裂缺陷。
图 2（铸件外表面）图 3（阀体内腔） 此铸件毛坯经加工成零件装配后会在承受流体介质压力状态下工作。所以控制该铸件
结晶组织致密等内在质量、去除缺陷补焊，是防止在铸件流体介质冲刷时泄漏的关键因素。
下图 4（原铸造工艺的金相分析）是取未进行工艺改进的铸件试块进行的金相测试图，从金相图可以看出该液态金属按照一次晶轴、二次晶轴等呈树枝状长。凝固后期出现如图所 示的枝晶搭接成完整的骨架时。由于受到外界因素的影响，不能自由收缩，枝晶之间就会 产生开裂。也是该铸件在凝固过程中热裂的主要原因。而传统解决此裂纹的方法就是设置 加强筋、反变形量、消除铸件收缩受阻等途径。就此大型砂铸件我们已经通过上述铸造工 艺设计浇注批量生产过程中，始终未能完全去除裂纹缺陷。
图 4（原铸造工艺的金相分析）
3.工艺设备应用方案（操作步骤）、效果
该浇注方法首先需要把密封砂箱合箱后周围形成密封环境，提供了便捷的抽真空条件， 放置于三维振动平台上面，然后对密封砂箱进行抽负压并且开始高频振动。随即对砂箱进 行钢水浇注，浇注完成后持续振动并且在 0.4MPa 负压状态下冷却 5 分钟。关闭振动平台， 振动停止。调节负压压力至 0.2MPa 负压状态下冷却 15 分钟。关闭真空泵停止抽负压。移 走砂箱待铸件自然冷却后落砂。
（1）实例验证
第一次，原铸造工艺不变，利用该工艺设备进行浇注，无裂纹缩松缺陷，放冷铁位置 表面产生气孔。第二次，去除原铸造工艺的 14 个冷铁，并且去除 左右法兰上面的 4 个排气孔，去除中央冒口位置的工艺筋，去除左右流道内的针孔。改进后的铸造工艺图见图5（改进后铸造工艺图），应用该浇注方法及工艺设备浇注的铸件，对阀体外表面，以及阀 体内腔做着色渗透检测，与原工艺铸件对比，原先出现裂纹的位置未出现裂纹，其他地方也未发现裂纹、缩松等相关缺陷见图 6（阀体表面、内腔）。该设备优化了铸造工艺，并且提高了铸件质量。反复通过四次实验浇注 120 件产品，材质分别有碳钢（WCB）40 件、 不锈钢 CF8 40 件、不锈钢 CF8M 40 件,其中均未发现有裂纹缺陷，去除冷铁部位同时也消 除了气孔缺陷。打压通过率 100%。极大减少了落砂后铸件的返修率，提高了工作效率。
图 5 （改进后铸造工艺图）图 6（阀体表面、内腔）
对浇注工艺改进后，对不锈钢类产品进行金相分析，如图 7（改进铸造工艺后的金相 分析）所示，相比图 4（原铸造工艺的金相分析），由于加速了液态金属的流动及热交换， 同时在液相变为固相的过程中有震动作用，所以此次金相组织出现了晶粒数目增多，晶粒 变细。由于这种较细的晶粒收到外力发生变形可分部在更多的晶粒内进行。彻底消除了大 型复杂砂铸承压件裂纹缺陷。通过 120 件现场浇注试验也未出现裂纹缺陷。
图 7（改进铸造工艺后的金相分析）
4.总结
当前铸造行业内，大型砂铸件出现裂纹、缩松等缺陷后期通过补焊解决比比皆是。而且普遍认为可以通过改变砂型强度、加冷铁、加工艺筋、等设计铸造工艺可以解决铸件在冷却过程中固态收缩受到阻碍产生裂纹等缺陷。但是所有的都是在静态重力作用下进行，看似 有所改变，实则降低铸件出品率，增加生产成本。而该工艺设备应用方案主要从加速原子的 运动和热交换的机理上，从钢水凝固顺序，钢水流速等来考虑，去除裂纹。显著提高了大型复杂砂铸承压件表面 质量和内部组织致密性，减少了铸件的返修率，提高工作效率，为 后期高强度使用零件奠定了良好的基础。
参靠文献：金属工艺学 第五版 邓文英 郭晓鹏主编 高等教育出版社
