灰鑄鐵閘閥鑄件變形問題的解決

摘要：刀閘閥鑄件結(jié)構(gòu)復(fù)雜，壁厚分布不均勻，理論上容易產(chǎn)生熱應(yīng)力變形缺陷；鑄件內(nèi)腔毛坯尺寸公差為CT7，普通手工樹脂砂造型工藝很難滿足此公差要求。在采用平作立澆工藝、激冷覆膜砂制芯、控制鐵液澆注溫度和化學(xué)成分等措施的基礎(chǔ)上，研究了鑄件收縮量和澆注溫度、鑄件壁厚的關(guān)系。鑄件收縮量與澆注溫度成反比，與鑄件壁厚成正比例關(guān)系。根據(jù)研究結(jié)果采取針對性改進措施，有效地解決了鑄件變形問題，保證鑄件內(nèi)腔尺寸公差滿足圖紙設(shè)計要求。
關(guān)鍵詞：刀閘閥；閥體；鑄鐵件；樹脂砂手工造型 灰鑄鐵刀閘閥鑄件變形問題的解決

上海申弘閥門有限公司技術(shù)部提供
Solving of Deformation of Grey Iron Knife Gate Valve Body Casting
Abstract： Knife gate valve body casting has complicated structure and big difference in wall hickness. Thermal deformation defect is easy to occur in theory. Casting inside cavity tolerance isCT7, which is difficult to achieve by normal resin bonded sand hand molding method. Based onhorizontal molding and vertical pouring technology, chilling resin coated sand core making, pouring temperature and chemical composition controlling, etc, relationships between casting contraction and pouring temperature & casting wall thickness were studied. Castings contraction is in inverse proportion to pouring temperature while direct proportion to wall thickness. The deformation defect was effectively solved according to above conclusion. Casting inside cavity tolerance can meetdesigning requirements.
Key words：knife gate valve; valve body; iron casting; resin bonded sand hand molding

    刀閘閥鑄件，材料為HT250，鑄件質(zhì)量30 kg，輪廓尺寸為520 mm×372 mm×148 mm，大壁厚78 mm，小壁厚10 mm，鑄件結(jié)構(gòu)及尺寸見圖1。閥門工作時，閘板在寬度方向上通過盤根與閥體配合以起到密封作用。為保證閥體關(guān)閉時的密封要求，圖紙要求腔322 mm公差為（0，1.5 mm），相當(dāng)于EN ISO 8062CT7級。鑄件采用樹脂砂手工造型、熱芯盒制芯及3 t中頻爐熔煉工藝生產(chǎn)。鑄件精加工后用三坐標檢測內(nèi)腔尺寸。
1 改進前的質(zhì)量問題
     由于內(nèi)腔尺寸公差等級高，鑄件內(nèi)腔尺寸極容易超差，尺寸超差有兩種結(jié)果：①內(nèi)腔尺寸小于下公差，裝配時閘閥閘板無法安裝到位，閥體直接報廢；②內(nèi)腔尺寸大于上公差，裝配時閥板比較容易安裝，但閥體密封性水壓測試時，壓力上升到12 bar時，閥體泄露，不能滿足密封性檢測要求。出現(xiàn)該缺陷后，曾試著從改變內(nèi)澆道引入方式、內(nèi)腔芯盒采取反變形等各種方式來解決，但并沒有達到預(yù)期效果；采取純數(shù)理統(tǒng)計的方法，尋找鑄件變形規(guī)律，從而采取改進措施的方式也未能湊效，整個試制過程長達數(shù)年，鑄件合格率在10%左右。2010年共測量15件，三坐標測量的鑄件內(nèi)腔尺寸見表1。鑄件尺寸全部超差，這些數(shù)據(jù)在閥體中的測量位置如圖2所示。

   分析這些數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，在圖2所示的測量位置范圍內(nèi)，鑄件內(nèi)腔尺寸（322 mm） 要么兩頭小中間大，要么兩頭大中間小，呈無規(guī)律性的變化。
2 內(nèi)腔變形問題質(zhì)量改進方法
2.1 鑄件內(nèi)腔變形問題原因分析
    液態(tài)合金在凝固和冷卻過程中，在固態(tài)收縮階段（從凝固終止溫度Ts到室溫間的收縮） 鑄件體積收縮隨溫度下降呈線性關(guān)系。這個關(guān)系決定了鑄件的“縮尺”大小。鑄件體積隨溫度變化曲線見圖3[1]。
   該閥體壁厚差異較大。內(nèi)腔砂芯輪廓尺寸為460 mm×322 mm×14 mm。閥體部位（壁厚78 mm）與法蘭部位（壁厚20 mm） 通過壁厚為10 mm的空腔相連接。由于鑄件結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，造成鑄件各部分冷卻速度不同，線收縮程度大小各異。而常規(guī)鑄造工藝設(shè)計時采用同一個縮尺的方法不能滿足CT7的要求。所以，該問題需要從研究澆注溫度和壁厚對鑄件收縮量的影響程度方面來解決。
2.2 工藝改進過程及結(jié)果分析
2.2.1 工藝改進過程簡介
     為研究澆注溫度對鑄件收縮量的影響，在試制時，首先選擇恰當(dāng)?shù)蔫F液化學(xué)成分，保證碳當(dāng)量在4.20%~4.40%，共晶度在0.90~1.05，這樣的成分在保證流動性同時，又降低了鑄件的縮孔傾向。有資料表明，對于樹脂砂鑄件，鑄件縮孔量隨共晶度的不同，其值在4%~0.5%范圍內(nèi)變化，見圖4[1]。
      其次，采用平作立澆和激冷覆膜砂制芯工藝，縮短鑄件澆注時間，平衡鑄件冷卻時溫度場分布。為此，工藝上將內(nèi)澆口從原壁厚78 mm部位移到薄壁10 mm處；內(nèi)腔芯采用北京某公司生產(chǎn)的激冷高強度低發(fā)氣覆膜砂，這種砂具有較好的激冷性能，能在一定程度上起到替代冷鐵的作用。使用該種覆膜砂可避免鑄件縮松或晶粒粗大現(xiàn)象，提高鑄件質(zhì)量和成品率。
     再次，在鑄件爐號的基礎(chǔ)上，增加澆注序列號?，F(xiàn)場澆注時，在澆包內(nèi)用KW-602型鎢錸快速熱電偶測溫槍測量并記錄每個鑄件的實際澆注溫度。采用上述方法，共澆注了3件鑄件，鑄件拋丸打磨后，用游標卡尺測量得到數(shù)據(jù)見表2。工藝改進結(jié)果分析利用表2的數(shù)據(jù)，可以得到鑄件在不同位置的澆注溫度與縮尺之間的關(guān)系，見圖5。
   分析圖5縮尺和澆注溫度之間的關(guān)系曲線，可以得出：①鑄件收縮量和澆注溫度成反比例關(guān)系，澆注溫度越高，鑄件收縮量越小（表2，澆注溫度1 352 ℃時縮尺平均值為1.20%，1 418 ℃時縮尺平均值為1.10%。激冷覆膜砂在1 000℃時的熱膨脹率為0.9%~1.2%，澆注溫度越高，砂芯膨脹量越大，相應(yīng)地鑄件內(nèi)腔尺寸變大，鑄件收縮量變小）；②鑄件收縮量和鑄件壁厚成正比例關(guān)系，鑄件壁越厚，鑄件收縮量越大（表2，厚壁處81#和83#尺寸收縮量大，平均值超過1.20%；薄壁處82#尺寸收縮量小，平均值為1.01%）。根據(jù)鑄件尺寸的偏差傾向來選擇澆注溫度范圍，在不修理熱芯盒金屬模具的情況下，達到滿足圖紙設(shè)計要求的目的。表2中82#尺寸均超過公差上限323.5 mm，其他尺寸在公差范圍322~323.5 mm之內(nèi)。采用圖5的分析結(jié)果，選擇1 350 ℃至1 380 ℃的較低澆注溫度，鑄件收縮量會變大，鑄件尺寸相應(yīng)地變小至滿足圖紙公差要求范圍內(nèi)。
2.2.3 工藝改進結(jié)果重復(fù)性驗證
采用與試制時相似工藝條件，在1 350 ℃至1 380 ℃的澆溫范圍內(nèi)，重新澆注了4件。測量鑄件尺寸得到表3數(shù)據(jù)。
第2批測量數(shù)據(jù)與第1批數(shù)據(jù)具有很高的重復(fù)性。證明了試制階段結(jié)論的正確性：82#尺寸的縮尺由表2中的大1.06%增大到1.07%，鑄件大值由表2的324 mm減小為323.78 mm。其他尺寸均在公差范圍322~323.5 mm之內(nèi)。考慮到現(xiàn)場澆注過程中，1 350~1 380 ℃溫度控制的難度及不同季節(jié)氣溫對澆注溫度的影響，在此階段，對熱芯盒金屬模具82#尺寸作了反變形處理，修改模具后轉(zhuǎn)入正常批量生產(chǎn)，鑄件尺寸滿足圖紙公差要求。
3 結(jié)論
（1） 對于鑄件質(zhì)量為30 kg，尺寸為520mm×371mm×148 mm的灰鑄鐵閘閥類鑄件，采用樹脂砂手工造型、覆膜砂熱芯盒射芯、中頻電爐熔煉工藝可以滿足鑄件尺寸CT7公差要求。
（2） 對于壁厚差異大，結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜（2） 對于壁厚差異大，結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜的刀閘閥類鑄件，鑄件收縮量與澆注溫度成反比例關(guān)系，與鑄件壁厚成正比例關(guān)系。
（3） 對于刀閘閥類鑄件，采用平作立澆工藝、激冷覆膜砂制芯、控制澆注溫度及鐵液化學(xué)成分等措施可有效消除鑄件熱應(yīng)力變形問題。
參考文獻：
[1] Staf henderieckx. Volume acc to temperature for ferrous metals. doc