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球墨铸铁吸沙泵泵体铸件铸造工艺

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产品描述

摘要

简述了球墨铸铁吸沙泵的工作环境、用途及结构特点,详述了该吸沙泵泵体铸件的铸造难点及铸造工艺。在生产过程中,通过造型、制芯的工艺难点突破,选取合适的材质,采取适当的球化孕育处理工艺,生产出高质量的大型水泵体铸件,为同行业泵体铸件的生产提供参考。

吸沙泵主要起河道疏浚、清淤固堤作用,输送介质可达40%以上,在沿海围海造地等抽沙吹填工程中得到广泛使用。它主要由泵体、泵盖、叶轮、护板、托架和轴承组件等组成。由于电机采用油室密封方式,需要防止高压水和杂质进入电机内腔,所以吸沙泵铸件不得有疏松、缩孔缺陷。 

该吸沙泵的泵体铸件单重46600 kg,外形尺寸为5800 mm×3480 mm×2200 mm,主要壁厚为75 mm,最厚处达355 mm,材质为QT500-7。铸件上表面有一圈螺纹孔与泵盖配合,要求孔内不得有疏松缺陷。该泵体铸件由于形状不规则且质量要求严格,铸造难度大,其三维结构见图1。经过工艺分析及评估,采用呋喃树脂砂+泡沫模具来进行铸型制作,消失模模具也叫保利龙模具,以下称消失模铸造

球墨铸铁吸沙泵泵体铸件 (1)

图1 泵体零件三维图


1 泵体消失模铸造工艺方案

消失模铸造与木模有很大不同,在模具设计过程中不用考虑起模斜度和定位,只需增加机械加工余量和铸造收缩率即可。由于该泵体圆弧较多,模具制作过程复杂,先将模具分割成若干模块(用机床加工),再将各分块拼接在一起,组装好的模具尺寸精度高,但由于消失模铸造在造型时的砂型紧实度差,导致型腔表面光洁度较差,浇注时容易将砂粒带入型腔而产生夹砂。

1.1 模具工艺

消失模与铸件形状完全相同,在零件图的基础上加上机械加工余量、铸造收缩率后制作模具。根据三维图将模具拆分为若干模块,一方面保证切割操作和节约泡沫板材,另一方面保证方便拼接组装,确保组装后模具的尺寸精度。泡沫板材通过“数控雕刻+电阻丝切割”两种方式进行下料制模,再粘接组装成泵体模具。制作好的模具刷两遍石墨涂料,涂刷方式采用刷涂,每次涂料厚度为0.2 mm。

1.2 工艺设计

本泵体轮廓尺寸大、铸件壁较厚且重量较重,采用底注双层阶梯式浇注系统(图2),局部重要部位使用外冷铁和内冷铁,防止内部缩松。利用设置冒口及排气孔保证补缩、排渣及排气。

球墨铸铁吸沙泵泵体铸件 (2)

图2 浇注系统布置图


1.2.1 浇注系统设计

通过对泵体铸件的形状以及内部结构分析,采用阶梯式浇注系统,分为上、下两层,下面浇注系统主要用于充型,上层横浇道主要用于缓冲,上层浇注系统的引进位置在距离铸件底面1740 mm处,便于合模和下砂芯操作以及下芯后检验相关的壁厚尺寸。

铁液压头按照式(1)计算得出: 

球墨铸铁吸沙泵泵体铸件 (3)

式中:Hp为铁液压头,H箱为砂箱高度,H杯为浇杯高度,C为铸件高度,浇注时间按照式(2)计算得出:


球墨铸铁吸沙泵泵体铸件 (4)

式中:t为浇注时间,GL为浇注重量。

A阻按照式(3)计算得出: 

球墨铸铁吸沙泵泵体铸件 (5)

式中:μ取0.4,ρ取7.3 kg/mm3,g为重力加速度9.8 m/s2。

采用三包浇注,每包A阻均可算出,A直=A阻/0.8,根据现场直浇道规格,得出修订后的A直,A横=A直×1.2,A内=A直×0.8,之后得出各浇道的尺寸。

1.2.2 冷铁设计

本泵体铸件壁厚较厚,大模数球墨铸铁的凝固时间长,常会降低石墨球化率,或导致石墨畸变、石墨漂浮、石墨粗大缺陷,故需采用冷铁缩短其凝固时间。对于模数小于9 cm的铸件,一般采用铸铁外冷铁,而其中心厚度大于300 mm,故需使用成形内冷铁,使凝固时间控制在50 min以内,球化率达到80%以上。由于泵体与泵盖装配面需打一圈螺纹孔,不能有缩松,因此在此处放一圈外冷铁。在轴承安装处放置冷铁,避免缺陷产生。

1.2.3 冒口及排气设计

球墨铸铁件的缩孔体积,在普通砂箱条件下,要比灰铸铁件要大,故一般设置冒口。顶部选用6个Φ180 mm保温发热冒口套,均匀布置在轴承座端面上,通过保温材料的隔热效果,能够延缓冒口中金属液与砂型、空气等外部环境的传热,延长金属液的凝固时间,从而增强冒口对铸件的补缩作用。两个Φ140 mm普通冒口,放在便于加工找平的底脚上,用以补偿金属液冷却时产生的体积收缩,防止铸件产生缩孔、缩松,并兼有排气、集渣、引导充型的作用。 

对于此厚大泵体铸件,除了在筋条处开设出气通道,还在泵体铸件顶部表面上的相应高点处设置排气通道,保证浇注初期就能及时将型腔内的气体排出。


2 造型工艺控制

树脂加入量为1.2%。首先将泡沫模具置于造型平台上,由于上下型对称,先造一箱,再造另一箱。选择四箱造型,这是便于在合型时,可以观察到每层砂芯的配合程度。共6副芯盒,内部放入芯骨填满树脂砂并捣实,其中一个最大砂芯为特制砂芯,在中心层处两个砂芯合并为一个砂芯。芯骨有两种,其中最大砂芯的芯骨采用铸造的方法铸出,其余砂芯芯骨为50mm×60mm焊接芯骨。砂芯外部刷锆英粉涂料,涂料的波美度为65~70。 

最底层分型面使用木挡板、水玻璃砂、树脂砂围砂,中间分型面使用焊接挡板、水玻璃砂、树脂砂、角铁围砂,宽度方向两侧焊接防涨箱钢板。


3 球化孕育处理

球化处理是球铁铸件生产的关键工序之一,其处理工艺直接影响球墨铸铁的性能。球化剂采用DY-7F重稀土球化剂,加入量为1.05%,接种剂采用CALBALLOY接种剂,加入量0.4%,孕育剂采用YFY- 1A高效孕育剂,加入量0.15%,通过多次孕育的方式保证球化孕育效果。 

由于泵体重量大,为得到所需要的性能要求,加强铁液抗衰退能力,对铁液进行预处理,出铁前加入0.4%的预处理剂,目的是为了增加形核核心,提高铁液的内在质量和流动性。出铁液时采用投掷方式,加入0.4%接种剂,浇注时采用随流方式,用放流斗加入0.15%孕育剂。


4 熔炼、浇注工艺控制

采用三包浇注,浇注时要求大流量快速不断流,浇注温度选择1 330~1 350℃。球化前铁液成分为3.4%~3.5%C、1.5%~1.6%Si、0.35%~0.45%Mn、P≤0.0 4%、S≤0.0 3%;球化后成分控制为3.2%~3.4%C、2.3%~2.5%Si、0.35%~0.45%Mn、P≤0.0 4%、S≤0.0 2%、0.6 5%~0.7 5%C u、0.035%~0.055%Mg残。浇注前放置4个10 t压铁,用钢管垫起。


5 冷却、开箱

浇注结束后,利用树脂砂良好的保温性和溃散性,让铸件在铸型内缓慢冷却,以达到消除应力时效退火的目的,根据厚大球铁铸件经验,浇注240 h后开箱落砂,去除顶部浇冒口系统。提前两天多次松箱,开箱温度控制在300℃以下。


6 铸件的力学性能及金相组织

生产的泵体铸件见图3。对试块进行金相和力学性能试验,试验结果见表1,金相组织结果见图4。要求抗拉强度420 MPa,伸长率5%,球化级别不低于3级,即球化率大于80%,实际试块满足要求。

 表1 附铸试块的金相和力学性能数据

球墨铸铁吸沙泵泵体铸件 (6)

图3 泵体铸件(与泵盖铸件组装在一起)

球墨铸铁吸沙泵泵体铸件 (7)

图4 泵体附铸试块的金相组织


7 结论

通过对厚大球墨铸铁件泵体的首件制作,在生产过程中对浇冒口系统的有效性和合理性进行了验证,进一步完善了集充型、排气、集渣、补缩于一体的浇冒口系统设计,解决了厚大断面球铁容易产生缩孔、缩松等缺陷问题。对于泵体铸件,由于铸件壁厚较厚,凝固时间长,且泵体铸件质量要求高,生产工艺上有很大难度,通过严格的工艺控制,选择合适的原材料,适当的球化孕育处理工艺及预处理技术,生产出了高质量的大型球墨铸铁泵体铸件。


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