CN1010839B - 动态冷硬耐磨铸铁球成型工艺及设备 - Google Patents

Abstract

本发明是一种生产耐磨铸球的新工艺，它克服了现行各种铸造方法生产耐磨铸球时难于避免的铸态缺陷以及难于获得好的表面耐磨性等问题。通过立式离心铸球机使金属型水平回转，浇注的金属液在离心力作用下高压充入型腔，金属液以竖直抛物面状充满并成型，可获得无缩孔、无缩松、无气孔、无夹渣，金属致密，具有外硬内韧冷硬特性的铸铁球，配合本发明设计的专用离心铸球机等组成的生产线投资少，占用面积小，可用来生产出成本低、效率高的各种耐磨铸铁球。

Description

本发明是一种动态冷硬耐磨铸铁球成型工艺及设备。

本发明属于生产耐磨铸铁球的一种新工艺。

目前国内外铸铁磨球主要用砂型铸造工艺生产（包括手工造型和机器造型）。对于磨球几何体，采用砂型铸造在金属液几何压头压力下浇注成型，易产生缩孔、缩松、气孔、夹渣等铸态缺陷，使铸球金属组织不致密;另外，由于砂型导热系数低，使金属晶粒粗大，铸态后表面硬度低，造成使用时的破碎，不耐磨，降低使用寿命。尽管有些采用稀有昂贵，耐磨性好的材料生产铸球，因其铸造成型工艺的不足，仍不能得到良好使用性能。

应用金属型铸球生产专机生产铸球，只能利用金属型导热系数远大于砂型的特点，使铸球表面金属激冷细化晶粒而提高硬度，但其金属液仍以几何压头压力浇注铸型，其缩孔、缩松、夹渣缺陷仍同上难于避免。因此，使用效果和寿命仍不能延长。

美国专利3537508公布了“离心铸型设备及铸型”，它采用卧式离心机生产铸球。该专利主要从防止离心浇注过程中金属型热变形造成对铸球尺寸精度的影响以及保护铸型和开型取件时不损坏等方面，设计了相应的结构。其成型工艺是以精确定量的金属液经浇道浇注30～50转/分回转运动的大直径（6英尺）环状金属型的“V”型环槽内，在竖直方向离心力作用下，经内浇道充入型腔，同时采用外水冷使铸球很快凝固。金属液在型腔中冷却、凝固过程中的收缩通过在型腔内附设的凹槽内充入的金属液来补充。该专利虽然是利用离心力浇注成型，但给定的铸型转速仅30～50转/分，此转速形成的离心力非常小，仅能克服重力作用，使金属液在回转时有向外运动趋势;同时，该专利采用的专用浇道使金属液流入环形铸型的惯性流向与铸型回转方向不一致，且没有预加速过程，影响了金属液进入型腔的平稳性，另外，对单个型腔每回转一周仅有一次浇型过程，使金属液处于间断充型，由于金属型导热快有可能形成间断注入型腔内金属的“冷隔”缺陷以及不能保证冷却和凝固时的连续补缩。该专利要求严格定量的金属液浇入铸型，即定量误差不能超出各铸球内浇口重量和，否则，当金属液过量时，多余金属液积存于“V”形环槽内，凝固后与铸球联为一体，铸型开型后，铸球将无法由该专利所设计的结构中脱落;浇入金属液后不足于要求量时，则可形成浇不足和金属液收缩造成的凹陷，成为废品。由于内浇口所容金属量相对于铸球金属量非常小，实际生产中不论以容积或重量定 量，对于高温金属液均难保证，因此亦难于实现专利要求的理想效果。该专利还提出为保证铸球致密性，以型腔内所附设的凹槽中多余金属液沿回转运动的反方向来补充铸球收缩的金属量。一般情况金属液在离心浇注工况下，由于离心作用，首先充入远离回转半径的型腔侧，形成环状液面，递次向半径减小方向充满铸型;与此同时，由于金属型和外水冷的作用，很快导热，使先充入的金属液很快凝固并继而冷却依次充入的金属液，因此，高温区始终存在于已浇入金属的表面最后移向内浇口处，直至浇注停止而凝固。而专利所述凹槽内用以补缩的金属液一方面不在全过程最后凝固的高温区，另方面在离心力作用下，即便以液态存在，其向中心的补缩方向与离心力方向不一致（相垂直），亦难向中心补缩，实际金属在离心充型全过程中，高温区始终存在于已浇入金属表面，并随时向先浇入并逐渐冷却和凝固的金属补缩，直到内浇品处浇注停止为止。再则，型内附设凹槽，凝固后在球面存一凸起，仍需磨削去除，增加了工作量。

本发明的目的在于解决现行各种铸造方法生产耐磨铸球时不可避免的铸态缺陷（包括气孔、缩孔、夹渣、组织不致密）以及难于获得好的表面耐磨性等问题，而提出一种新的铸球成型方法。以生产出没有铸态缺陷，并能充分发挥金属材质机械性能的高质量动态冷硬耐磨铸铁球。

本发明的解决方案是将铸球金属型安装于立式离心铸球机主轴法兰盘上，启动后将金属液浇入金属型直浇道，使金属液随金属型回转产生水平离心力，通过周向排列开设的内浇口可获得远大于（数十倍）大气压力的金属液充入型腔，成为沿周向连续充型过程。由于离心力作用，充入型腔的金属液面是抛物面状由外及里逐渐充满型腔。在金属型及其相应外水冷却工艺条件下，形成由内向外的温度梯度，后形成的抛物面始终处于高温区。依次注入金属液直至充满铸型，高温区依次移向内浇口至直浇道。金属液在不断充型不断凝固过程中，金属收缩亦按充入的金属液的先后递次进行，后充入的金属液始终处于高温区，并在离心力高压作用下补充先充入金属的凝固收缩。此过程至充满型腔后，内浇道内金属液在离心力继续作用下仍连续补缩，直到全部凝固，从而得到无缩孔、无缩松、金属组织致密的铸球。

在此充型过程中，一旦铁水中混入熔渣，因其密度小，熔点较金属液低。始终处于抛物面表面，最后经内烧道排至直浇道。再则，由于具有离心力的金属液先填充远离内浇口一侧的型腔迫使型腔内空气逆向经靠近内浇口侧开设的排气槽逸出，亦能沿内浇口与铁水反向逸出。因此，本发明又能获得无夹渣、无气孔缺陷的铸球。

1本发明所用金属型由上、下型组成。下型（2）固定于立式离心铸球机主轴法兰盘（3）上，上型（1）通过凸台中心定位和定位销（4）角度定位，以保证型腔不错位，离心机主轴（5）转速通过理论计算和试验确定为400～500转/分，能保证理想充型和操作安全。下型（2）周向设有离心重锤（6），随铸型的回转，重锤（6）产生离心力绕自身回转甩起，利用杠杆原理，使另一端紧压于上型（1）锁紧，防止了浇注时金属液浮起上型;当浇注凝固后铸球机停止回转时，离心重锤（6）在自重作用下复位到垂直状态，以不影响开取上型或取出铸球。

本发明的金属型采用耐热铸铁材料，具有等壁厚和加强筋，减少了局部过热产生的热应力，增大了金属型的刚度，通常水平分型金属型浇注时采用顶设排气塞排气，本发明所用金属型采用在金属型下型靠近内浇口处开设与金属液流向相反的排气槽（7）。（如图2）

离心铸球生产过程中对金属型温度、铁水浇注温度和速度、水冷参数、开型取件时间等工艺性能要求严格，才能保证铸球质量、金属型寿命和劳动条件。为此，除严格制定工艺操作规程外，并设计了专用的扇形定量浇注车、气动开型取件机械手和相应构件组成离心铸球机械生产线。

下面结合附图实施例对本发明的铸球成型工艺做进一步的描述。

附图说明：

图1动态冷硬耐磨铸球生产机

图2铸球排气槽

图3铸球生产机械化单元

图4离心铸球成型原理图

图5成型铸球组图

图6与普通铸球断面对比图

a-铸球生产机;b-扇形定量浇注车;c-气动机械手;d-鳞板输送器。

1-上型;2-下型;3-主轴法兰;4-定位销;5-主轴;6-离心重锤;7-排气槽;8-上冷却水;9-下冷却水;10-普通铸造生产铸球断面;11-动态冷硬耐磨铸铁球断面。

图3展开了实施本发明的铸球成型工艺的机械化生产单元。它包括离心铸球机（a）、专用扇形定量浇注车（b）、气动开型取件机械手（c）等工艺设备和相应的构件、运输设备等。

参照图1、图3将所需规格的铸球金属型（2）安装于离心铸球机（a）的主轴（5）上，生产前用火焰喷枪预热上下金属型（1）（2），然后用专用涂刷涂料的工具，均匀地上涂料。浇注前再预热金属型后合型。启动离心铸球机（a），安装在离心铸球机主轴法兰盘上的金属型（1、2）即以一定转速（400～500转/分）转动，这时将扇形定量浇包车（b）推至铸球机（a）并将铁水浇道对准回转的金属型（1）的直浇道，定量浇注铁水。与此同时，打开冷却水（8、9）分别向上、下型喷淋。浇入直浇道的金属液随金属型回转产生水平离心力，通过周向排列开设的内浇口充入型腔。由于离心力作用，充入型腔的金属液面呈抛面状由外及里逐渐充满型腔（参见图4）。在金属型及其相应外水冷却工艺条件下，每△t时间充入型腔的金属液△V很快沿纵断面分布成△S厚度抛物面层，并在金属型壁及先注入金属液热传导作用下，形成由内向外的温度梯度。后形成的抛物面始终处于高温区，依次注入金属液直至充满铸型，高温区依次移向内浇口至直浇道。在金属液不断充型，不断凝固过程中，金属收缩亦按充入金属液的先后递次进行，后充入的金属液始终处于高温区，并在离心高压作用下补充先充入金属的凝固收缩，型内空气同时由内浇口处设置的排气槽排出。此过程至充满型腔后，内浇道和直烧道内金属液在离心力继续作用下连续补缩，直到全部凝固，从而得到无缩孔、无缩松、金属组织致密的铸球。

关闭喷水管并停止铸球机转动，离心重锤放松对上型的夹紧而复位，移动气动机械手，吊起上型和铸球组，然后移动到取件工位下落，使上型先支撑在取件构件上，机械手活塞再下降，取件构件上的冲头将型内铸球组顶出。顶出后的铸球组（参见图5）经鳞板输送至清理工部，打磨内浇口。上金属型脱件后，吊起并翻转，然后分别向上、下金属型涂刷涂料、合型、准备下一循环的浇注。

参照图6，普通铸球（10）的铸态缺陷明显且难于避免。利用本发明设计制造的离心铸球生产机浇注试验，对样品球（11）断面进行机械性能。金相组织和宏观测试，以普通铸铁材料浇注的φ100铸铁耐磨球为例，宏观检验，未发现任何缩孔、缩松、气孔、夹渣缺陷。与普通砂型生产的铸铁球相比，有明显区别。

本发明用普通铸铁材料的磨球断面硬度和金相组织如下：

测试位置    硬度（HRc）    金相组织

距表面5毫米处    52    莱氏体+少量珠光体

距表面15毫米处    40    莱氏体+珠光体+少量细

小石墨

距表面25毫米处    32    珠光体+莱氏体+石墨

由铸球断面宏观和以上结果可看出，本发明生产的铸球，表面受金属型和水冷工艺作用，其晶粒细小，硬度高，金属组织和硬度由外及中心逐渐相互渗透，具有外硬内韧冷硬铸铁效果，距表面一定厚度处有较高的耐磨性，通过冲击破坏试验证明了具有不易剥落和耐冲击效果。因此，本发明生产的铸球因其无铸态缺陷，金属组织致密，充分发挥了金属材质的机械性能。既使采用如上所述的普通铸铁材料，也可接近达到目前应用昂贵耐磨材料生产的高合金铸铁磨球的机械性能，完全适用于球磨机研磨体的要求，可为国家节省大量稀缺材料，降低成本。

本发明以1.5T/h冲天炉匹配为例，需配置8组铸球生产机械单元（其中2组备用）以每班浇注7小时为例，单班可生产铸铁球8吨，全年产量可达2400吨。若配备不同数量的离心铸球生产单元和相应容量的熔炼设备，可获得所要求的铸球生产量。

实施本发明的机械化生产线投资少，效率高，占用面积小，劳动强度小，而且生产的铸球不论内在质量、表面质量和机械性能各方面，均比同样材质其它铸球工艺生产的磨球高。本发明生产铸球的金属工艺出品率远高于其它生产方法，本发明亦适用于各种铸造合金材料的铸态成型。

Claims (2)

1、一种利用立式离心浇注法生产铸球的成型工艺，其特征在于(1)为成型工艺设计了主轴转速在400～500转/分的立式离心铸球机，具有中心直浇道和铸球型腔周向排列并具有逆向排气槽的金属型安装在离心铸球机主轴法兰上，金属液浇入回转的金属型直浇道后，而产生水平离心力，通过周向排列开设的内浇口高压动态充入型腔；(2)利用金属液、气体、熔渣三者熔点、密度不同的特点，使在离心力作用下，在型腔内沿径向处于不同位置公布，即，注入型腔内的纯净金属液处于外层、混入的熔渣处于液态金属表面、气体在最内层，直至纯净金属充满型腔以及内浇口后，熔渣被挤向直浇道、气体沿排气槽排出；(3)在浇注过程中，先浇入的金属液在离心力作用下，首先充填于远离内浇口的型腔部分，在金属型导热作用下，很快冷却和凝固，随后浇入的金属液充填于先浇入并开始冷却、凝固的金属表面，并由内至外形成温度梯度，与此同时，先浇入金属液的凝固收缩被后浇入的高温金属液补缩，如此形成顺序凝固，使金属凝固的体收缩得到连续补缩，直至由内浇口和直浇道内的高温金属液最后补缩与其连接的铸球部位，因此，可获得压力下结晶、无缩孔、无缩松、组织致密的铸球。

2、实现权利要求1所述的铸球成型工艺的装置，其特征在于：（1）采用了上、下型凸缘结构中心定位和长孔定位销角度定位的双重定位措施。（2）在下金属型周向均匀设置三个离心重锤装置，当合型后离心机旋转时，在离心力作用下，重锤绕自身轴回转，使一端压紧上金属型，形成随机锁紧;当浇注停止、铸球凝固后而停止铸球机回转时，重锤亦在偏重作用下，处于垂直复位，从而可进行开型、取件、合型等工序;（3）在下型靠近内浇口处，每个球腔均开设与金属液充型方向相反的逆向排气槽，使受金属液不断充填时而存在于型腔内的气体沿此排气槽逸出。

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