CN112045152A - 大型厚断面缸筒球铁件的铸造方法和铸造结构 - Google Patents

Abstract

一种大型厚断面缸筒球铁件的铸造方法和铸造结构，该方法包括：砂型铸造：将铸件型腔分成A部铸型、B部铸型、C部铸型和D部铸型四段组成；铁液制备：称取以下质量百分比的原料：生铁35％～45％，废钢30％～35％，回炉料25％～30％，增碳剂：生铁、废钢、回炉料总量的0.6％～1.0％；球化、孕育，将铁液扒渣、静置，当温度降至1270℃～1360℃时将铁液浇注至铸造结构中以形成铸件；浇注同时用孕育粉进行随流孕育，孕育粉的加入量为原铁液总量的0.1％～0.12％；待铸件冷却后，得到本发明的球墨铸铁缸筒铸件。具有“堆积木式”铸造方法，模具制作、配箱操作都非常方便，而且不易出现缩孔、缩松、夹砂等铸造缺陷的优点。

Description

大型厚断面缸筒球铁件的铸造方法和铸造结构

技术领域

本发明涉及大型厚断面球墨铸铁件的制备技术领域，具体的涉及一种大型厚断面缸筒球铁件(铸件毛坯重量10500Kg，浇注重量11000Kg，外形尺寸外径Φ1350mm(Φ1170mm)×内径Φ920mm×3290mm，最大壁厚125mm)的铸造方法和铸造结构。

背景技术

球墨铸铁是二十世纪五十年代发展起来的一种高强度铸铁材料，主要制作工艺为通过球化和孕育处理得到球状石墨，以有效提高铸铁的机械性能，特别是提高塑性和韧性，从而得到比碳钢还高的强度。由于其综合性能接近于钢，目前已成功地用于铸造一些受力复杂、强度、韧性、耐磨性要求较高的零件，包括汽车、桥梁、军工、风电、核电等重要领域。

厚大断面球墨铸铁是指壁厚≥100mm的球墨铸铁，成形过程中由于铸件心部冷却速度缓慢、凝固时间长，易出现如球化不良、石墨畸变、元素偏析、夹渣、气孔、碳化物偏析及缩松缩孔等诸多缺陷，高端球墨铸件的推广应用受到不同程度的影响。冷却工艺和熔炼工艺是影响大断面铸件组织性能的主要因素，通过严格控制原材料的化学成分，采用强制冷却方式加快铸件冷却速度是改善大断面球墨铸铁组织性能的有效措施，也受到了企业的认可和应用。加快冷却速度的常规办法是加外冷铁、强制冷却、冷铁与强制冷却配合使用，这些方法在工业生产中已经得到了一定程度的应用。

本发明涉及的产品属于大型厚大断面球墨铸铁件，如下图1所示，铸件毛坯重量10500Kg，浇注重量11000Kg，外形尺寸外径Φ1350mm(Φ1170mm)×内径Φ920mm×3290mm，最大壁厚125mm，铸件内部不允许有缩孔、缩松等铸造缺陷，另外内孔加工粗糙度

其难度很大。传统的铸造方法有3种，一种是平做平浇，内浇口位置设计有一定难度，进铁水不平稳，容易产生卷气而出现夹渣、气缩孔等铸造缺陷，圆的横断面材质一致性不能保证，导致内孔表面会出现“阴阳面”，无法满足内孔加工粗糙度

的要求；另一种是立做竖浇，由于高度太高，外模拔模斜度会很太，若外模抽芯制作，模具制作有难度，对模具使用寿命也有影响，另外铸型高、砂芯长，下芯配箱很难；第3种是平做竖浇，解决了进铁水不平稳和下芯配箱的问题，但由于内孔砂芯太长，配好箱后要将铸型竖起来再平移到浇注场地有很大难度，铸型竖起来和平移过程中内部砂芯一旦发生偏移的话，碰落的碎砂或碎砂块进入铸型而产生铸件报废。

发明内容

本发明针对现有技术的上述不足，提供一种“堆积木式”铸造方法，模具制作、配箱操作都非常方便，而且不易出现缩孔、缩松、夹砂等铸造缺陷的大型厚断面缸筒球铁件铸造方法。

为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：一种大型厚断面缸筒球铁件的铸造方法，该方法包括：

(1)砂型铸造：首先将铸件的铸造结构进行搭接形成铸件型腔和与铸件型腔连通的浇注机构(也可以称为浇注系统)；其中所述的铸件型腔包括型腔本体、型腔本体通过分段的A部铸型、B部铸型、C部铸型和D部铸型构成；其中型腔本体包括圆筒状的第一本体，设置于第一本体端部的外径大于第一本体的第二本体；在第二本体的前端设置有环状凸台，该环状凸台的外径小于第二本体的外径、内径与第一本体的内径相等；

A部铸型作为构成第二本体和环状凸台的下砂箱，按照型腔的造型将下砂箱放砂制箱完成；然后将芯壳放在A部铸型的平面上，再放砂直接在A部铸型上制作出形成铸件内孔的整个砂芯；此过程，浇注结构也放入型砂中固定；

然后将B部铸型、C部铸型分别穿过砂芯放在A部铸型上，D部铸型放在C部铸型上，A部铸型、B部铸型、C部铸型、D部铸型之间通过放封箱泥条和外框钢板砂箱的螺栓夹紧固定，以防止漏铁水；

(2)铁液制备：称取以下质量百分比的原料：生铁35％～45％，废钢30％～35％，回炉料25％～30％，增碳剂：生铁、废钢、回炉料总量的0.6％～1.0％(重量百分比)；

先将全部的生铁、废钢放入熔炼炉内，然后加入增碳剂；加热使得炉料熔化，待炉料熔清后加入FeSi75-C硅铁，硅铁的加入量为生铁、废钢及回炉料总质量的0.4～1.2％，得到原铁液；将原铁液继续加热到1440-1500℃，获得的该原铁液的成分及质量百分比为C3.45％～3.65％，Si 1.40％～1.55％，Mn0.10％～0.25％，P≤0.035％，S≤0.025％，其余为铁；

(3)球化：采用冲入法进行球化，球化包一侧的球化堤坝内先加球化剂并紧实，再加入原铁液质量的0.006％～0.010％纯锑，最后加粒径为3-8mm的孕育剂并紧实；控制球化反应起爆时间和持续时间：当出铁量达到球化处理铁液量的70％～80％时开始起爆反应，爆镁反应持续时间150s～210s；球化剂的加入量为原铁液总量的1.0％～1.3％，孕育剂的加入量为原铁液质量的0.5％～0.9％；

球化和孕育之后得到铁液的成分及质量百分比为：C 3.30％～3.50％，Si 2.35％～2.65％，Mn 0.10％～0.25％，P≤0.035％，S 0.008～0.012％，Mg 0.025～0.045％，RE0.007～0.010％，Sb 0.0075％，CE＝4.10～4.40，其余为铁；

(4)将铁液扒渣、静置，当温度降至1270℃～1360℃时将铁液浇注至铸造结构中以形成铸件；浇注同时用孕育粉进行随流孕育，孕育粉的加入量为原铁液总量的0.1％～0.12％；待铸件冷却后，得到本发明的球墨铸铁缸筒铸件。

优选的，本发明上述步骤(2)所述的增碳剂为元素质量百分比为C≥98％，S≤0.05％，N≤0.01％，灰份(灰分)≤0.3％，挥发份(挥发分)≤0.3％，粒度为0.5-3mm的增碳剂，如丹晟实业(上海)有限公司生产的DC系列型增碳剂(DC-(1-4)型增碳剂)。

优选的，本发明上述步骤(3)采用的冲入法进行球化，球化包一侧的球化堤坝内先加球化剂并紧实，再加粒径为3mm～8mm的孕育剂并紧实。

优选的，本发明上述步骤(3)的球化剂为稀土镁合金：Mg 5.5％～6.5％，RE 0.8％～1.2％，Si 38％～42％，Ca 1.5％～2.5％，Ba 2.0％～3.0％，Al≤1.2％，MgO≤0.70％，余量为Fe。

本发明上述步骤(3)控制球化反应时间在150s～210s内完成，可以提高镁和稀土的吸收率，增强脱硫效果，并能相应地降低了球化剂的加入量。

本发明上述步骤(3)的孕育剂为硅钡孕育剂，其元素质量百分比为Si 71％～73％，Ca 0.7％～1.3％，Ba 1.6％～2.4％，Al≤1.2％，S≤0.02％，余量为铁。

优选的，本发明上述步骤(4)的孕育粉为硅钡孕育剂，其元素质量百分比为Si71％～73％，Ca 0.7％～1.3％，Ba 1.6％～2.4％，Al≤1.2％，S≤0.02％，余量为铁。

优选的，所述的砂芯中沿轴向设置有多块冷铁，所述的冷铁距离第一本体内壁的距离小于距离砂芯中轴的距离；采用该结构，事先在砂芯中放置多块冷铁，并且距离铸件型腔的第一本体比较靠近，当铁液进入到第一本体的型腔内时、可以加快冷却速度，满足内孔加工粗糙度

的要求。

进一步优选的，所述的冷铁距离第一本体内壁的距离为10mm～50mm，距离过小，砂芯此处的砂层容易脱落，距离过大、冷却效果不好。

优选的，所述的B部铸型、C部铸型均为球墨铸铁模具构成；且球墨铸铁模具的壁厚为第一本体壁厚的0.8～2.0倍；采用该结构，由于该铸件的高度高，位于中间部位的B部铸型、C部铸型悬空，不利于砂箱的成型和固定，而采用直接铸造好的墨铸铁模具则可以实现安装拆卸方便，便于运输，同时还能够起到对铸件铁液冷却的效果；且合理的壁厚设定还能够防止高温铸件铁液对B部铸型、C部铸型的影响。

进一步优选的，所述的B部铸型、C部铸型的配合面设置有容置封箱泥条的半圆槽和凹凸配合面；采用该结构，一来可以实现B部铸型、C部铸型的配合面的有效密封，防止铁液渗出或者泄露，此外，凹凸配合面的设置可以起到方便脱模的目的；所述的B部铸型、C部铸型的内孔单边设置3mm～5mm的拔模斜度。

进一步优选的，所述的B部铸型、C部铸型(统称为铁模)使用前要预热到200～400℃，再用压力喷涂宁波永吉生产的25％石墨涂料+75％锆英粉涂料混制而成的水基涂料。上述预先预热，防止与铁液接触温差大导致B部铸型、C部铸型变形开裂，且这种温度非常合适，因为当铁模温度过高时，涂料中的水蒸发量就会增加，会发生挂涂后涂料发生大面积剥落；当铁模温度太低时，水分未能充分挥发，浇注后受铁液热冲击时水分快速外逸，造成涂料开裂，水分及涂料破片进入铸件，从而产生铸造缺陷。水基涂料的涂覆厚度为0.6mm～2.0mm。

优选的，所述的浇注机构包括直浇道和内浇道；所述的直浇道包括第一直浇道和第二直浇道，第一直浇道和第二直浇道通过横向过渡浇道连通，且第一直浇道和第二直浇道与第一本体轴向平行设置，所述的内浇道位于第二本体的下方、包括与第二直浇道连通的第一内浇道，第一内浇道的两端通过第二内浇道与第三内浇道连通、且第三内浇道的出料口与环状凸台的端面连通。

采用上述结构，通过将浇道设置与铸件型腔的环状凸台连通，且直浇道分成两段，且两段之间还设置了横向的过渡浇道，保证了铁液的平稳性；铸件熔融铁液自整个铸件型腔的底部逐渐向上运行，铁液在型腔内温度均衡、平稳快速充型以及节约生产成本，浇注系统实现了“大流量、低流速、平稳洁净充型”的技术效果最多限度的减少了夹渣、气缩孔等铸造缺陷。

优选的，所述的第一直浇道包括大径直浇道部和小径直浇道部，所述的大径直浇道部和小径直浇道部通过变径直浇道过渡连接，且大径直浇道部位于小径直浇道部的上方；采用该结构，可以先保证铁液大流量进入到浇道系统，然后通过该变径直浇道的设置，来减缓铁液的运行流速，保证铁液更加平稳的进入到铸件型腔内，进一步减少夹渣、气缩孔等铸造缺陷。

优选的，所述的第二内浇道为变径内浇道，该变径内浇道的大径端与第一内浇道连通，该变径内浇道的小径端通过三通内浇道与第三内浇道连通；采用该结构可以在铁液进入到铸件型腔之前再次减缓铁液的运行流速，保证铁液更加平稳的进入到铸件型腔内，进一步减少夹渣、气缩孔等铸造缺陷。

优选的，所述的ΣA大径直浇道部∶ΣA第二直浇道∶ΣA第三内浇道＝1∶0.55～0.85∶1.20～5.00；采用上述的各种浇道的内径总截面积的比值，可以有效的实现“大流量、低流速、平稳洁净充型”的技术效果。

优选的，所述的第二内浇道为两条，分别位于第一内浇道的两端；所述的第三内浇道为两条且平行设置、并与第二内浇道通过三通内浇道垂直连通，每条第三内浇道均设置两个出料口，分别与环状凸台连通。采用上述结构，实现了四个进料口对铸件型腔提供铁液，且四个进料口分布于环状凸台的四个位置，保证铁液在型腔中的进料均衡性更好，减少铸造缺陷，保证了加工粗糙度

的要求。

优选的，所述的直浇道、内浇道均为耐火陶瓷制备的浇道。

优选的，所述的直浇道、内浇道的横截面均为圆形面。

本申请的优点和有益效果：

1.本申请创造性的将铸件型腔的形成通过四个部分的铸型构成，这种分段式的铸造方式可以有效地解决了下芯配箱难和起吊、平移铸型(砂芯)容易产生碎砂或碎砂块进入铸型而铸件报废的问题；此外，本申请特定的浇注机构确保了铁液在型腔内温度均衡、平稳快速充型以及节约生产成本，浇注系统依据“大流量、低流速、平稳洁净充型”的原则并结合铸件的结构特点；采用半封闭式底注浇注系统，内浇口设置在铸件底部；为了减少冲砂缺陷，直浇口、内浇口全部用耐火陶瓷管制作。

2.本申请制备的铸件属于大断面球墨铸铁，由于冷却速度缓慢，铸造时的热容量大，凝固缓慢，极易造成球化衰退与孕育衰退，从而导致铸件的组织和基体发生变化，特别是在铸件的心部更加严重。主要表现为石墨球粗大，石墨球数量减少，石墨漂浮，石墨球产生畸变，形成各种非球状石墨，主要有片状、蠕虫状、碎块状等。同时由于凝固时溶质元素的再分配还会出现严重的元素偏析及晶间碳化物、反白口等一系列问题，其结果使得球墨铸铁的力学性能变差，特别是延伸率和塑性明显降低；为了克服上述的缺陷，本申请的各种元素和用量的设定非常关键：

(一)主要元素对石墨化的影响

碳是促进石墨化元素，需要根据铸件大小及壁厚合理选择。对薄壁小件球墨铸铁来说，提高碳当量是合适的，而在大断面条件下提高碳量或碳当量只能促使石墨的变态。

硅对石墨化起非常重要的促进作用，硅使共晶温度升高共晶含碳量降低，对球墨铸铁的组织和性能影响很大。由于碳富集于石墨中而硅主要分布于基体中，因此硅对石墨的生长不起直接作用，而是富集于石墨晶体生长前沿，造成成分过冷。硅含量过高时会降低碳在铁液中的溶解度，有利于碳的析出，促进富集区石墨的自由生长使石墨发生畸变。

锰是促进碳化物形成元素且易产生偏析，尤其是在厚大断面中，偏析非常严重，富集在晶界上，降低厚大断面的机械性能，须加控制。

磷易产生偏析，形成磷共晶，引起铸件的脆性，降低韧性，因而其含量应越低越好。

硫是反球化元素，不仅消耗球化剂，造成球化的不稳定，造成硫化夹杂物也增多，所以硫要尽可能控制低。硫低后可以减少球化剂的加入量，减少球化剂中带入的残余稀土造成的危害。在大断面球墨铸铁中，具有一定低硫量的球化良好的铁液，在凝固过程中不会出现球化衰退。而且这种特性不受凝固速度(断面尺寸)的影响。

镁和稀土都属球化元素。镁是主要的球化元素，过量出现白口，在保证球化质量的前提下尽量低。稀土具有和镁一样的球化能力，同时还具有脱氧、去硫、除气，中和球化干扰元素铅、钦、啼、锑、秘等的作用，净化铁水，促进石墨化，残余量过高会引起白口化，恶化石墨形状。

(二)球化处理及孕育处理的影响

处理大断面球墨铸铁的球化剂加入量应较普通球墨铸铁多，但这将带来一些副作用。球化剂中需加入有生核及抗衰退的微量元素，重稀土球化能力较轻稀土强，抗衰退能力强，但比使用轻稀土成本要高一些。

球化处理是生产球墨铸铁的一项重要工序，是在铁液中加入适量的球化剂以促使石墨形态呈球状生长而非片状或其他形态。其中球化剂是球墨铸铁生产中一个重要的中间合金，对生产性能良好的球墨铸铁是非常重要的。在生产中一般所用的球化元素有Mg、Ce、La、Ca等，其中Mg是最重要的球化元素。镁是强球化元素，加入铁液中可获得理想圆整度的球状石墨，并可起到脱硫脱氧去气的作用。虽然镁是理想的球化元素但当镁量不足，则会导致炉前球化不良，炉后球化衰退；当镁过量，球状石墨恶化为椭圆、残缺圆形、蠕虫状等，同时出现大量渗碳体(即白口组织)，并导致石墨球数量减少，影响石墨化效果。由此可见要获得理想的球状石墨应严格控制球化剂中镁的含量。目前最常使用的球化剂为稀土镁合金，在实际使用中应严格控制球化剂的加入量，加入量过多容易出现白口或麻口组织，加入量过少则球化率不高或球化不完整。球化剂只有在烧损或脱硫之后，残留在铁液中的镁量才真正起球化作用。由于通过球化处理的铁液白口倾向大，因此还应加入一定量的硅铁合金作为孕育剂，以增加石墨核心。

合理的孕育处理是增加石墨球数的重要而有效的途径，在铸铁溶液中添加少量特殊的孕育剂起促进石墨化作用，防止渗碳体的形成，细化组织并提高材料的力学性能。多级大剂量孕育有利于提高普通球墨铸铁质量，对大断面球铁件不仅不能消除碎块状石墨，反而助长了碎块状石墨的产生。减少孕育量，减少孕育次数，孕育时间尽量短(即瞬时孕育)，孕育效果会更佳。

附图说明

图1本申请的大型厚大断面球墨铸铁的缸筒球铁铸件的结构示意图。

如附图所示：a’.铸件本体，a1’.铸件第一本体，a2’.铸件第二本体，a3’.铸件环状凸台。

图2本申请的缸筒球铁铸件型腔的结构示意图。

图3本申请的浇注系统结构示意图。

图4本申请的浇注机构结构示意图。

图5本申请的部分铸件型腔和与其连通的部分浇注机构的结构示意图。

图6本申请的与铸件型腔一端头连通的部分浇注机构的结构示意图。

图7本申请的铸件的铸造结构的结构示意图。

图8本申请的砂芯铸造结构的结构示意图。

图9本申请的形成B部铸型、C部铸型的球墨铸铁模具的结构示意图。

图10本申请的形成B部铸型、C部铸型单边设置了拔模斜度的结构示意图。

图11本申请图9中的局部放大图的结构示意图。

图12本申请砂芯横向截面图结构示意图(冷铁可见)。

图13实施例1制备的铸件试块的金相图。

图14实施例2制备的铸件试块的金相图。

如附图所示：a.型腔本体，a1.第一本体，a2.第二本体，a3.环状凸台，b.直浇道，b1.第一直浇道，b11.大径直浇道部，b12.小径直浇道部，b13.变径直浇道，b2.第二直浇道，b3.横向过渡浇道，c内浇道，c1.第一内浇道，c2.第二内浇道，c3.第三内浇道，c4.三通内浇道，c5.出料口；1.A部铸型，2.B部铸型，3.C部铸型，4.D部铸型，4.1.上砂箱，4.2.安全冒口，5.砂芯，6.半圆槽，7.凹配合面，8.凸配合面，9.冷铁。

具体实施方式

下面通过实施例结合附图，进一步详细描述本发明，但本发明不仅仅局限于以下实施例。

本申请下述的实施例描述的左、右，前、后，第一、第二...等等对零部件的命名和描述，均以附图展示的方向作为定义，且仅仅是为了清楚的展现本申请的发明构思，清楚的展现本申请的技术方案，并不能用于限定本申请的保护范围。

本申请的铸件型腔是用于铸件熔融铁液填充的空心腔体，该空心腔体的造型与本申请的铸件的轮廓是相互吻合的，因此，为了更清楚的表达本申请的发明构思和技术方案、避免产生歧义，本申请提及的铸件各个部分可以等同于铸件型腔的各个部分。

如附图2、7所示，本申请的一种大型厚断面缸筒球铁件的铸造结构，该结构包括铸件型腔和与铸件型腔连通的浇注机构，所述的铸件型腔包括型腔本体、该型腔本体由A部铸型1、B部铸型2、C部铸型3和D部铸型4分段构成即将构成型腔本体的铸型分成了四个部分构成、不是一体式构成；所述的型腔本体a包括圆筒状的第一本体a1，设置于第一本体端部的外径大于第一本体的第二本体a2；在第二本体的前端设置有环状凸台a3，该环状凸台的外径小于第二本体的外径、内径与第一本体的内径相等；所述的A部铸型包括构成第二本体a2和环状凸台a3的下砂箱1.1，下砂箱内设有砂芯5，所述的B部铸型和C部铸型顺次连接并套合于砂芯外、以构成第一本体；所述的D部铸型设置于C部铸型上、包括封堵第一本体上端面的上砂箱4.1。由附图7可知，本申请所述的浇注机构一部分被底部的下砂箱固定，直浇道部分则也通过砂箱造型设立于缸筒球铁件型腔的一侧，并沿着轴向方向延伸。

采用上述结构，本申请通过将整个的大型厚断面缸筒球铁件的铸造结构分成四段，先制作A部铸型(下砂箱)，吊移A部铸型(下砂箱)到浇注现场，底部垫实放平A部铸型，以A部铸型形成的环状凸台面、第二本体端面作为内孔芯壳定位面将芯壳放在A部铸型的平面上，然后放砂直接在A部铸型上制作出形成铸件内孔的整个砂芯；然后将B部铸型、C部铸型分别穿过砂芯放在A部铸型上，再将D部铸型放在C部铸型上，A部铸型、B部铸型、C部铸型、D部铸型之间固定构成完整的铸造结构，这种分段式的铸造结构能够有效地解决下芯配箱难和起吊、平移铸型(砂芯)容易产生碎砂或碎砂块进入铸型而铸件报废的问题。

如附图8、12所示，所述的砂芯5中沿轴向设置有多块冷铁9，所述的冷铁距离第一本体内壁的距离小于距离砂芯中轴的距离；由图8中可以看出，本申请的冷铁均沿着轴向方向竖向排列，且如附图12所示并沿着砂芯的周向均匀分布多列，且相邻列中的冷铁间距0mm～25mm；采用该结构，事先在砂芯中放置多块冷铁，并且距离铸件型腔的第一本体比较靠近，可以加快冷却速度，满足内孔加工粗糙度

的要求。

具体的，如附图8所示，本申请所述的冷铁距离第一本体内壁的距离为10mm～50mm，即附图中的d所示，之所以选择这个区间范围，是因为如果距离过小，砂芯此处的砂层容易脱落，距离过大、冷却效果不好。此处的距离是指冷特的的外壁的中心位置距离砂芯的最外侧壁的直线距离。

具体的，如附图9所示，在本申请中，所述的B部铸型、C部铸型均为球墨铸铁模具构成，即直接采用铸铁材料铸造成型的成型件来使用，不需要砂箱铸造；且球墨铸铁模具的壁厚为第一本体壁厚(即形成铸件第一本体位置的铸件型腔的厚度)的0.8～2.0倍；采用该结构，由于该铸件的高度高，位于中间部位的B部铸型、C部铸型悬空，不利于砂箱的成型和固定，而采用直接铸造好的墨铸铁模具则可以实现安装拆卸方便，便于运输，同时还能够起到对铸件铁液冷却的效果；且合理的壁厚设定还能够防止高温铸件铁液对B部铸型、C部铸型的影响。

具体的，如附图9、11所示，所述的B部铸型、C部铸型的配合面设置有容置封箱泥条的半圆槽6、凹配合面7和凸配合面8；其中凹配合面7和凸配合面8在B部铸型、C部铸型装配的时候相互配合；此外，从附图9所示，在B部铸型、C部铸型的外侧壁上设置了吊耳和二者夹紧配合的安装通孔，具体的图标不再示出；吊耳的设置可以方便铸型的吊装和搬运，而安装通孔方便二者装配，而本申请构成B部铸型、C部铸型的球墨铸铁模具厚度或者壁厚不包括这些设置了吊耳或者安装通孔的位置；采用该结构，一来可以实现B部铸型、C部铸型的配合面的有效密封，防止铁液渗出或者泄露，此外，凹凸配合面的设置可以起到方便脱模的目的；此外，将B部铸型、C部铸型内孔做成单边3mm～5mm的拔模斜度，具体可以参考附图10中的b即表示的是内孔单边3mm～5mm拔模斜度的具体尺寸位置，即C部铸型的上端内壁向内扩展3mm～5mm形成内壁从下到上逐渐缩小的锥度造型，形成该锥度的倾斜线延伸方向是自B部铸型内壁的最低端延伸到C部铸型内侧的最顶端、且使得B部铸型、C部铸型内壁的倾斜度从下到上逐渐减小；该拔模斜度的设置不能影响铸件的壁厚，是为了方便脱模的时候，当B部铸型、C部铸型脱模向上行走过程与铸件的外壁之间有个这样的锥度的限定就可以非常方便的分离铸件、减少模具与铸件之间的接触面，不会对铸件外壁有影响；而铸件因为这种拔模斜度而多出的壁厚可以作为加工余量提前计算进去，后期获得的铸件经过打磨等后处理去除掉即可。

本申请所述的B部铸型、C部铸型(统称为铁模)使用前要预热到200～400℃，再用压力喷涂宁波永吉生产的25％石墨涂料+75％锆英粉涂料混制而成的水基涂料；所述的水基涂料涂覆于B部铸型、C部铸型的内壁，且涂覆厚度为0.6mm～2.0mm；上述预先预热，防止与铁液接触温差大导致B部铸型、C部铸型变形开裂，且这种温度非常合适，因为当铁模温度过高时，涂料中的水蒸发量就会增加，会发生挂涂后涂料发生大面积剥落；当铁模温度太低时，水分未能充分挥发，浇注后受铁液热冲击时水分快速外逸，造成涂料开裂，水分及涂料破片进入铸件，从而产生铸造缺陷。0.6mm～2.0mm,主要是保护铁模具和方便铁模具从铸件中取出来。

具体的，如附图7所示，所述的上砂箱内设施有多个安全冒口，且直浇道的上端口与安全冒口等高；采用该结构，安全冒口可以有效解决气孔缺陷；而直浇道的上端口与安全冒口等高可以确保浇口杯或定量包内没有铁水，方便移掉浇口杯或定量包；当然直浇道的上端口也可以设置高于安全冒口，方便铁液快速进入到浇注机构内。

具体的，如附图2-4所示，所述的浇注机构包括直浇道b和内浇道c；所述的直浇道包括第一直浇道b1和第二直浇道b2，第一直浇道和第二直浇道通过横向过渡浇道b3连通，且第一直浇道和第二直浇道与第一本体轴向平行设置，所述的内浇道c位于第二本体的下方、包括与第二直浇道连通的第一内浇道c1，第一内浇道的两端通过第二内浇道c2与第三内浇道c3连通、且第三内浇道的出料口与环状凸台的端面连通。

采用上述结构，通过将浇道设置与铸件型腔的环状凸台连通，且直浇道分成两段，且两段之间还设置了横向的过渡浇道，保证了铁液的平稳性；铸件熔融铁液自整个铸件型腔的底部逐渐向上运行，铁液在型腔内温度均衡、平稳快速充型以及节约生产成本，浇注系统实现了“大流量、低流速、平稳洁净充型”的技术效果最多限度的减少了夹渣、气缩孔等铸造缺陷。

如附图4所示，本申请中所述的第一直浇道b1包括大径直浇道部b11和小径直浇道部b12，所述的大径直浇道部和小径直浇道部通过变径直浇道b13过渡连接，且大径直浇道部位于小径直浇道部的上方即大直径浇道部为铁液的进口段，浇注过程是以铸件型腔中的环状凸台处于下方、第一本体处于上方的形式进行浇注的，具体可见图3所示；采用该结构，可以先保证铁液大流量进入到浇道系统，然后通过该变径直浇道的设置，来减缓铁液的运行流速，保证铁液更加平稳的进入到铸件型腔内，进一步减少夹渣、气缩孔等铸造缺陷。

作为本申请的一种实施例，本申请所述的第二内浇道c2为变径内浇道，该变径内浇道的大径端与第一内浇道c1连通，该变径内浇道的小径端通过三通内浇道c4与第三内浇道连通；采用该结构可以在铁液进入到铸件型腔之前再次减缓铁液的运行流速，保证铁液更加平稳的进入到铸件型腔内，进一步减少夹渣、气缩孔等铸造缺陷。本申请中，所述的ΣA大径直浇道部∶ΣA第二直浇道∶ΣA第三内浇道＝1∶0.55～0.85∶1.20～5.00；采用上述的各种浇道的内径总截面积的比值，可以有效的实现“大流量、低流速、平稳洁净充型”的技术效果。

如附图4、6所示，本申请所述的第二内浇道c2为两条，分别位于第一内浇道c1的两端；所述的第三内浇道为两条且平行设置、并与第二内浇道通过三通内浇道垂直连通，每条第三内浇道均设置两个出料口c5、出料口如附图所示以垂直于第三内浇道的形式构成、从而与铸件型腔轴向平行，方便铁液进入型腔，分别与环状凸台连通。

在本申请中，为了减少冲砂缺陷，直浇口、内浇口全部用耐火陶瓷管制作。最小截面积设置在直浇道上，直浇道局部采用变直径和90度直角折弯即横向直浇道，确保直浇道能够快速充满铁液，本申请的三通内浇道也是设置了两个、均为三通陶瓷管，三通陶瓷管的三个孔大小相等；采用上述结构，实现了四个进料口对铸件型腔提供铁液，且四个进料口分布于环状凸台的四个位置，保证铁液在型腔中的进料均衡性更好，减少铸造缺陷，保证了加工粗糙度

的要求。

本申请所述的直浇道、内浇道的横截面均为圆形面。

将本申请的上述浇注系统和各个部分的柱形通过砂箱造型固定后，铁液通过直浇道上的浇注口进入到浇注机构中，因为第一直浇道上部是大径的管道，可以保证铁液迅速充满，防止进入过多空气；同时设置了变径和横向直浇道，可以减缓铁液流速，保证铁液的平稳性；在内浇道中也设置了变径，同时设置四个等高的进料口从铸件型腔的底部同时进料、进一步保障铁液平稳进入到铸件型腔内，减少铸造缺陷，保证了加工粗糙度

的要求。

下面为本申请制备的具体实施例过程：

本实施例制备的铸件，铸件材料为QT450-10，外形轮毂尺寸外径Φ1350mm(Φ1170mm)×内径Φ920mm×3290mm，最大壁厚125mm，产品属于大型厚断面球墨铸铁件。

本申请上述的浇注系统满足了：1.铁液大流量快速平稳充满铸型；2.铸型内铁液按均衡凝固的原则；3.浇注系统有撇渣功能；4.有较高的压力头。

进一步的，所述的浇注系统中各组元的大小：浇道1＝Φ100mm内径瓷管1支，浇道2＝Φ100mm-Φ90mm的变直径陶瓷管，浇道3＝Φ90mm内径瓷管1支，浇道4＝Φ90mm内径三通陶瓷管，浇道5＝Φ90mm-Φ60mm的变直径陶瓷管，浇道6＝Φ60mm内径三通陶瓷管，浇道7＝Φ60mm内径瓷管4支，各组元截面积比为：ΣA浇道1∶ΣA浇道3∶ΣA浇道7＝1∶0.81∶1.44。上述设置可以有效保证充型平稳，铸造缺陷少。

本申请的铸造结构具体的搭接过程：首先将构成型腔本体的铸型分成4个部份，如下图7所示，包括了A部铸型1、B部铸型2、C部铸型3和D部铸型4(A部铸型、B部铸型、C部铸型和D部铸型四个部分是从下至上依次连接，其中A部铸型的砂箱中固定部分的浇注系统的结构，浇注系统其它部分也在成型腔本体的铸型旁边通过砂箱固定)，其中A部铸型作为构成第二本体和环状凸台的下砂箱，按照型腔的造型将下砂箱放砂制箱完成；然后将芯壳放在A部铸型的平面上，再放砂直接在A部铸型上制作出形成铸件内孔的整个砂芯；其中A部铸型中第二本体的端面和环状凸台的端面作为内孔芯壳(芯壳使用的都是铸造领域的耐高温材料，如耐高温陶瓷材料等，起到支撑、分型和砂芯铸造的基础面的功能)定位面将芯壳放在A部铸型的平面上，然后放砂直接在A部铸型上制作出内孔的整个砂芯；此过程，浇注结构的相应部分也放入型砂中固定；然后将B部铸型、C部铸型(现成的铁模具结构)分别穿过砂芯放在A部铸型上，D部铸型放在C部铸型上，A部铸型、B部铸型、C部铸型、D部铸型之间通过放封箱泥条和砂箱外框上钢板和螺栓夹紧固定防止漏铁水并将整个的分段铸型进行连接、紧固；浇注机构或者说是浇注系统全部用耐火材料制作的瓷管组成，在制作铸型的同时时放入型砂中。本申请这种特殊结构的铸型模具制作简单、省料，降低了模具制作成本。

实施例1

(1)称取以下质量百分比的原料：生铁40％，废钢35％，回炉料25％，增碳剂：生铁、废钢、回炉料总量的0.9％；

(2)将全部的生铁、废钢放入熔炼炉内，然后加入配方总量0.9％的增碳剂；加热使得炉料熔化，待炉料熔清后加入FeSi75-C硅铁，硅铁的加入量为生铁、废钢及回炉料总质量的0.70％，得到原铁液，将原铁液继续加热到1490℃；获得的该原铁液的成分及质量百分比为C 3.58％，Si 1.45％，Mn 0.20％，P 0.028％，S 0.023％，其余为铁；

(3)球化：采用冲入法进行球化，球化包一侧的球化堤坝内先加球化剂并紧实，再加入原铁液质量的0.0075％纯锑，最后加粒径为3-8mm的孕育剂并紧实；控制球化反应起爆时间和爆镁反应持续时间，出铁量(此处的出铁量指的都是出铁到球化处理包内铁液量，球化处理包有大小容积的，如5吨、7吨球化处理包)达到球化处理铁液量的75％时开始起爆反应(起爆反应是指球化剂同铁水发生反应，因有镁蒸气，铁水被搅拌成沸腾状称为起爆反应或者称为爆镁反应)，爆镁反应持续时间180s，提高了镁和稀土的吸收率(球化剂引入的稀土)，增强了脱硫效果，相应地降低了球化剂的加入量；

球化剂为稀土镁合金：Mg 6.3％，RE 1.1％，Si 41％，Ca 2.0％，Ba 2.5％，Al0.65％，MgO 0.60％，余量为铁；球化剂加入量1.1％。

孕育剂的加入量为原铁液质量的0.85％，孕育剂为硅钡孕育剂，其元素质量百分比为Si 72％，Ca 1.0％，Ba 2.0％，Al 0.70％，S0.015％，余量为铁。

得到铁液的成分及质量百分比为C 3.47％，Si 2.45％，Mn 0.20％P 0.028％，S0.0098％，Mg 0.035％，RE0.009％，Sb0.0072％，CE＝4.30，其余为铁；

(5)将铁液扒渣、静置，当温度降至1330℃时将铁液浇注至铸型以形成铸件。浇注同时用孕育粉进行随流孕育，加入量0.12％。待铸件冷却后，得到本发明的球墨铸铁缸筒铸件。

铸件附铸试块(70mm×70mm×105mm)的物理性能如表1、表2所示：

表1 铸试块力学性能

表2 铸试块金相组织

项目	球化率	石墨大小
			标准值	≥90％	5～8
实测值	95	7.1

从上述两个检测的表格数据可知，本申请的方法铸造的铸件，具体的获得的铸件具有非常优异的力学性能，同时从金相组织可以看出具有高的球化率、石墨大小合适；且从附图13所示的铸试块金相组织可以看出本申请的铸件没有铸造缺陷。

实施例2

(1)称取以下质量百分比的原料：生铁35％，废钢35％，回炉料30％，增碳剂：生铁、废钢、回炉料总量的1.0％；

(2)将全部的生铁、废钢放入熔炼炉内，然后加入配方总量1.0％的增碳剂；加热使得炉料熔化，待炉料熔清后加入FeSi75-C硅铁，硅铁的加入量为生铁、废钢及回炉料总质量的0.75％，得到原铁液，将原铁液继续加热到1450℃；获得的该原铁液的成分及质量百分比为C 3.50％，Si 1.50％，Mn 0.20％，P 0.025％，S 0.020％，其余为铁；

(3)采用冲入法进行球化，球化包一侧的球化堤坝内先加球化剂并紧实，加入原铁液质量的0.0080％纯锑，再加粒径为3～8mm的孕育剂并紧实。

球化剂为稀土镁合金：Mg 6.3％，RE 1.1％，Si 41％，Ca 2.0％，Ba 2.5％，Al0.65％，MgO 0.60％，余量为铁。球化剂加入量1.2％，爆镁反应持续时间200s。

孕育剂的加入量为原铁液质量的0.80％，孕育剂为硅钡孕育剂，其元素质量百分比为Si 72％，Ca 1.0％，Ba 2.0％，Al 0.70％，S 0.015％，余量为铁。

得到铁液的成分及质量百分比为C 3.40％，Si 2.50％，Mn 0.20％P 0.025％，S0.010％，Mg 0.037％，RE0.008％，Sb0.0075％，CE＝4.25，其余为铁；

(5)将铁液扒渣、静置，当温度降至1275℃时将铁液浇注至铸型以形成铸件。浇注同时用孕育粉进行随流孕育，加入量0.10％。待铸件冷却后，得到本发明的球墨铸铁缸筒铸件。

铸件附铸试块(70mm×70mm×105mm)的物理性能如表3、表4所示：

表3铸试块力学性能

表4铸试块金相组织

项目	球化率	石墨大小
			标准值	≥90％	5～8
实测值	95.5	7

从上述两个检测的表格数据可知，本申请的方法铸造的铸件，具体的获得的铸件具有非常优异的力学性能，同时从金相组织可以看出具有高的球化率、石墨大小合适；且从附图14所示的铸试块金相组织可以看出本申请的铸件没有铸造缺陷。

从上述实施例可知，本申请的铸造系统和铸造方法制备的铸件，没有气泡、夹渣等铸造缺陷。

Claims (10)

1.一种大型厚断面缸筒球铁件的铸造方法，其特征在于：该方法包括：

(1)砂型铸造：首先将铸件的铸造结构进行搭接形成铸件型腔和与铸件型腔连通的浇注机构；其中所述的铸件型腔包括型腔本体、型腔本体通过分段的A部铸型、B部铸型、C部铸型和D部铸型构成；其中型腔本体包括圆筒状的第一本体，设置于第一本体端部的外径大于第一本体的第二本体；在第二本体的前端设置有环状凸台，该环状凸台的外径小于第二本体的外径、内径与第一本体的内径相等；

A部铸型作为构成第二本体和环状凸台的下砂箱，按照型腔的造型将下砂箱放砂制箱完成；然后将芯壳放在A部铸型的平面上，再放砂直接在A部铸型上制作出形成铸件内孔的整个砂芯；此过程，浇注结构也放入型砂中固定；

然后将B部铸型、C部铸型分别穿过砂芯放在A部铸型上，D部铸型放在C部铸型上，A部铸型、B部铸型、C部铸型、D部铸型之间通过放封箱泥条和砂箱外框上钢板和螺栓夹紧固定防止漏铁水；

(2)铁液制备：称取以下质量百分比的原料：生铁35％～45％，废钢30％～35％，回炉料25％～30％，增碳剂：生铁、废钢、回炉料总量的0.6％～1.0％(重量百分比)；

先将全部的生铁、废钢放入熔炼炉内，然后加入增碳剂；加热使得炉料熔化，待炉料熔清后加入FeSi75-C硅铁，硅铁的加入量为生铁、废钢及回炉料总质量的0.4～1.2％，得到原铁液；将原铁液继续加热到1440-1500℃，获得的该原铁液的成分及质量百分比为C 3.45％～3.65％，Si 1.40％～1.55％，Mn0.10％～0.25％，P≤0.035％，S≤0.025％，其余为铁；

(3)球化：采用冲入法进行球化，球化包一侧的球化堤坝内先加球化剂并紧实，再加入原铁液质量的0.006％～0.010％纯锑，最后加粒径为3-8mm的孕育剂并紧实；控制球化反应起爆时间和爆镁反应持续时间，出铁量达到球化处理铁液量的70％～80％时开始起爆反应，爆镁反应持续时间150s～210s，球化剂加入量为原铁液总量的1.0％～1.3％；孕育剂的加入量为原铁液质量的0.5％～0.9％；

球化和孕育之后得到铁液的成分及质量百分比为：C 3.30％～3.50％，Si 2.35％～2.65％，Mn 0.10％～0.25％，P≤0.035％，S 0.008～0.012％，Mg 0.025～0.045％，RE0.007～0.010％，Sb 0.0075％，CE＝4.10～4.40，其余为铁；

(4)将铁液扒渣、静置，当温度降至1270℃～1360℃时将铁液浇注至铸造结构中以形成铸件；浇注同时用孕育粉进行随流孕育，孕育粉的加入量为原铁液总量的0.1％～0.12％；待铸件冷却后，得到本发明的球墨铸铁缸筒铸件。

2.根据权利要求1所述的大型厚断面缸筒球铁件的铸造方法，其特征在于：

步骤(2)所述的增碳剂为元素质量百分比为C≥98％，S≤0.05％，N≤0.01％，灰份≤0.3％，挥发份≤0.3％，粒度为0.5-3mm的增碳剂；

步骤(3)的冲入法进行球化，球化包一侧的球化堤坝内先加球化剂并紧实，再加粒径为3mm～8mm的孕育剂并紧实；步骤(3)的球化剂为稀土镁合金：Mg 5.5％～6.5％，RE 0.8％～1.2％，Si 38％～42％，Ca 1.5％～2.5％，Ba 2.0％～3.0％，Al≤1.2％，MgO≤0.70％，余量为Fe；步骤(3)控制球化反应时间在150s～210s内完成；步骤(3)的孕育剂为硅钡孕育剂，其元素质量百分比为Si 71％～73％，Ca 0.7％～1.3％，Ba 1.6％～2.4％，Al≤1.2％，S≤0.02％，余量为铁；

步骤(4)的孕育粉为硅钡孕育剂，其元素质量百分比为Si 71％～73％，Ca 0.7％～1.3％，Ba 1.6％～2.4％，Al≤1.2％，S≤0.02％，余量为铁。

3.一种大型厚断面缸筒球铁件的铸造方法采用的铸造结构，其特征在于：该结构包括铸件型腔和与铸件型腔连通的浇注机构，所述的铸件型腔包括型腔本体、该型腔本体由A部铸型、B部铸型、C部铸型和D部铸型分段构成；所述的型腔本体包括圆筒状的第一本体，设置于第一本体端部的外径大于第一本体的第二本体；在第二本体的前端设置有环状凸台，该环状凸台的外径小于第二本体的外径、内径与第一本体的内径相等；所述的A部铸型包括构成第二本体和环状凸台的下砂箱，下砂箱内设有砂芯，所述的B部铸型和C部铸型顺次连接并套合于砂芯外、以构成第一本体；所述的D部铸型设置于C部铸型上、包括封堵第一本体上端面的上砂箱。

4.根据权利要求3所述的大型厚断面缸筒球铁件的铸造方法采用的铸造结构，其特征在于：所述的砂芯中沿轴向设置有多块冷铁，所述的冷铁距离第一本体内壁的距离小于距离砂芯中轴的距离。

5.根据权利要求4所述的大型厚断面缸筒球铁件的铸造方法采用的铸造结构，其特征在于：所述的冷铁距离第一本体内部的距离为10mm～50mm；所述的冷铁均沿着轴向方向竖向排列，且沿着砂芯的周向均匀分布多列、相邻列中的冷铁间距为0mm～25mm。

6.根据权利要求4所述的大型厚断面缸筒球铁件的铸造方法采用的铸造结构，其特征在于：所述的B部铸型、C部铸型均为球墨铸铁模具构成；且球墨铸铁模具的壁厚为第一本体壁厚的0.8～2.0倍；所述的B部铸型、C部铸型的配合面设置有容置封箱泥条的半圆槽和凹凸配合面；所述的B部铸型、C部铸型的内孔单边设置3mm～5mm的拔模斜度。

所述的B部铸型、C部铸型的内壁上涂覆厚度为0.6mm～2.0mm的、25％石墨涂料+75％锆英粉涂料混制而成的水基涂料；且B部铸型、C部铸型使用前预热至200～400℃；所述的上砂箱内设施有多个安全冒口，且直浇道的上端口与安全冒口等高或者高于安全冒口。

7.根据权利要求3所述的大型厚断面缸筒球铁件的铸造方法采用的铸造结构，其特征在于：所述的浇注机构包括直浇道和内浇道；所述的直浇道包括第一直浇道和第二直浇道，第一直浇道和第二直浇道通过横向过渡浇道连通，且第一直浇道和第二直浇道与第一本体轴向平行设置，所述的内浇道位于第二本体的下方、包括与第二直浇道连通的第一内浇道，第一内浇道的两端通过第二内浇道与第三内浇道连通、且第三内浇道的出料口与环状凸台的端面连通。

8.根据权利要求3所述的大型厚断面缸筒球铁件的铸造方法采用的铸造结构，其特征在于：

所述的第一直浇道包括大径直浇道部和小径直浇道部，所述的大径直浇道部和小径直浇道部通过变径直浇道过渡连接，且大径直浇道部位于小径直浇道部的上方；

所述的第二内浇道为变径内浇道，该变径内浇道的大径端与第一内浇道连通，该变径内浇道的小径端通过三通内浇道与第三内浇道连通；

所述的ΣA大径直浇道部∶ΣA第二直浇道∶ΣA第三内浇道＝1∶0.55～0.85∶1.20～5.00。

9.根据权利要求8所述的大型厚断面缸筒球铁件的铸造方法采用的铸造结构，其特征在于：

所述的第二内浇道为两条，分别位于第一内浇道的两端；所述的第三内浇道为两条且平行设置、并与第二内浇道通过三通内浇道垂直连通，每条第三内浇道均设置两个出料口，分别与环状凸台连通。

10.根据权利要求8所述的大型厚断面缸筒球铁件的铸造方法采用的铸造结构，其特征在于：所述的直浇道、内浇道均为耐火陶瓷制备的浇道；所述的直浇道、内浇道的横截面均为圆形面。

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