大型铸钢件工艺设计的关键技术
武汉钢铁重工集团铸钢车间 孙凡
摘要：简要介绍大型铸钢件的铸造工艺设计的铸件的工艺性分析、铸造工艺方案选择、铸造工艺参数的选定、铸件成形的控制、铸件的热处理技术、铸造工艺装备的设计、铸件的后处理技术及计算机数值模拟技术等关键技术。
1 零件的工艺性研究
铸造工艺设计时，首先要仔细地阅读和研究铸件的制造或采购技术条件、质量要求。如探伤要求，表面质量要求，机械性能要求，特殊热处理要求等，其次，要研究零件的结构特点，如质量要求高的表面或主要的加工面，主要的尺寸公差要求等，再次，研究材料化学成分，特别是铸造合金中含碳量，合金元素含量作用和机理。这些对下一步的工艺设计有直接影响。需格外重视，做好零件的工艺性研究，能为工艺设计奠定良好的开端。 1.1 材料的工艺性分析
在大型铸件的制造中，材料的物理性能和机械性能，对工艺参数的选定、浇冒口和冷铁设置、热处理技术、铸件的后处理技术等都有重大影响。深入了解铸造合金中含碳量，合金元素含量对铸态组织形态的影响，对力学性能的影响，了解材料的凝固方式，收缩倾向，冒口补缩效果，了解材料的热导率，热应力倾向等，对工艺设计有重要意义。
在砂型条件下，随着合金中碳的质量分数量增加，结晶温度范围扩大。低碳钢为逐层凝固方式，中碳钢为中间凝固方式，高碳钢为体积凝固方式凝固，但改变冷却条件，可以改变结晶温度范围，从而改变合金的凝固方式。由于凝固方式的不同，窄结晶温度范围的合金，容易形成细小的晶粒组织，补缩性好，热烈倾向小；反之，宽结晶温度范围的合金，容易形成粗大的晶粒组织，补缩性差，热烈倾向大。因此，高碳钢的厚大部位，要采取强制冷却工艺缩小结晶温度范围，改善晶粒组织。合金中的碳、锰、铬等元素的含量增加，可以提高强度，提高淬透性，却降低导热性，直接影响铸件各部位冷却、加热的温度差，因此，合金钢较容易造成高的残余应力。工艺上要减少各部位浇注后冷却、热处理加热的温度差。合金在相变时，各种组织组成相的比体积不同，会产生相变应力，其中，马氏体的比体积最大，马氏体相变最容易产生较大的相变应力。碳、锰、铬等淬透性元素含量高的合金钢，冷割冒口时极易产生裂纹，原因就是导热性差热应力大，产生马氏体转变导致相变应力大，必须热割冒口， 1.2 铸件结构的工艺性分析
对于需要铸造的零件，必须检查它的结构是否符合铸造工艺的基本要求。因为有时对铸件的结构，作很小的改动，并不影响铸件的使用性能, 但却大大地简化了铸造工艺，有利于提高铸件质量。在铸造生产中 , 对铸件结构的基本要求有以下几点：铸件的壁厚应大于铸件允许的最小壁厚，以免产生浇不足等缺陷。
铸件的尺寸越大，合金液充满铸型也就越困难 ,铸件允许的最小壁厚也应越大。铸件的壁厚应尽可能地均匀，否则铸件容易产生缩孔和裂纹。壁厚相差悬殊 , 在厚的部分容易形成缩孔，在厚薄交接处 容易形成裂纹。尽量避免铸件上部 ( 指铸件在浇注位置 ) 有较大的水平面，最好带有合理的斜度，以有利于气体和熔渣等的排出，减少形成气孔和渣眼的可能。铸件的结构应保证泥芯能牢固地安置在铸型里。铸件的结构应使造型时减少分型面和砂芯，简化造型操作，有利于后处理。
2 工艺方案的确定
在选定铸造工艺方案时，必须考虑铸造车间的具体条件，如铸造设备运转情况、生产能力，铸件的结构和尺寸、技术要求以及生产数量等。下面就铸造工艺方案选择的主要原则，进行初步讨论。 2.1 浇注位置的选择
铸件浇注位置的选择, 对铸件质量、造型方法、砂箱尺寸、机械加工余量等都有着很大的影响。在选定浇注位置时应以保证铸件质量为主，一般应注意下面的几个原则：应将铸件上质量要求高的表面或主要的加工面，放在铸型的下面。或者置于铸型的侧面或倾斜放置进行浇注。应把截面较厚的部分放在铸型的上部或侧面。这样便于在铸件的厚壁处放置冒口，造成良好的顺序凝固，有利于铸件补缩。薄壁部分放在铸型的下部，或者置于铸型的侧面立着或倾斜着浇注，这样有利于金属的充填。对于具有大平面的铸件，应将铸件的大平面放在铸型的下面，这样可使铸件的大平面不容易产生夹砂等缺陷。对于带有泥芯的铸件，应使泥芯能放置牢固并在合箱时便于检验。长、宽、高三个方向高度方向尺寸应最小，减少偏析和跑火机率，有利于补缩。 1.3铸型分型、分模面的选择
铸型分型面、分模面选择得正确，可以简化造型操作，提高劳动生产率，使铸件尺寸准确 , 减少废品等。在选择时，一般应注意下面几点：尽量把铸件的大部分或全部放在同一铸型内，从而减少因错箱造成的尺寸偏差，还可使高度减低，便于合箱。应使铸件的加工面及加工基准面，放在同一个铸型内。由于加工面与加工基准面都处在同一个型内，当铸件的加工面很多，又不可能都与基准面放在分型面的同一侧时，则应尽量使加工的基准面与大部分的加工面放在分型面同一侧。从而减少因错箱造成的加工余量不够。应使铸模容易从铸型中取出，并尽量减少活块模、高大的吊砂和弯曲的分型面等。尽量减少泥芯的数量。这样可以省去制造和安放泥芯的工作，也可减少由此造成的误差及产生的披缝，降低铸件的制造成本。铸件的不加工表面应尽量避免有披缝，提高铸件的外观质量。 3.工艺参数的设计
铸造生产的工艺方案决定以后 , 还应根据产品零件图的形状、尺寸和技术要求 , 选定好各种铸造工艺参数。铸造工艺参数是由金属种类和铸造方法等的特点决定的。其内容主要包括铸造收缩率、机械加工余量、拔模斜度、铸造圆角和芯头尺寸等，还有工艺补正量和分型负数等。选择铸造工艺参数时必须根据实际的生产情况，灵活运用。 3.1铸造收缩率
对于铸钢件在铸型内凝固和冷却过程中收缩和变形规律的掌握，是保证获得铸件基本外形轮廓和尺寸精度的关键技术。影响铸件收缩率的因素较多，主要的有：铸型的退让性，铸件的材料，铸件的结构。铸型的退让性好，铸件的收缩率增大。随着铸件的尺寸增大，铸型的退让性变差，铸件的收缩率也就减小。铸件的结构复杂，收缩困难，铸件的收缩率减小。铸件的材料的不同，收缩率不同。同一成分浇注的铸钢件，因结构形状不同，收缩率不同，同一个铸件，由于结构上的原因，其轴向与径向或长、宽、高三个方向的收缩率可能不一致。对于尺寸要求较精确的铸件，各个方向应给以不同的收缩率。其中以自由收缩时的收缩率最大。所以铸造收缩率要结合实际情况来选择。
在实际生产中，一般的铸件，特别是尺寸不大的铸件，各个方向都用同一的收缩率，尽管这样会造成一些误差，但由于误差一般不大，而这样大大便于铸模的加工制造。
3.2 机械加工余量
加工余量是参照机械加工余量表和结合生产实际情况而确定的。加工余量应当合理地选定。加工余量过大，不仅浪费金属，增加机械加工工作量 , 有时还会因截面变厚，热节变大，使铸件晶粒粗大, 甚至造成缩孔或缩松。加工余量过小，不能把铸件的 加工表面全部切净，使零件达不到要求的精度和光洁度。
加工余量的大小与铸造金属的种类、生产条件以及铸件尺寸和加工面部位等有关。铸件的尺寸大，变形往往也大，加工余量需要大一些，铸件上面 ( 指浇注时位置 ) 与底面和侧面相比，表面质量较差，加工余量也需要大一些。小的孔槽一般不宜铸出。否则，不但使造型工艺复杂，而且会因孔槽的偏斜 , 给机械加工带来困难。 3.3 拔模斜度
拔模斜度取法有三种：增加壁厚法、加减壁厚法、减少壁厚法。拔模斜度选取时不应超出铸件的壁厚公差要求。由于大件的起模往往需要借助机械装置，设置不当时，过小容易损坏工装或型芯，过大影响铸件形状结构或加工余量。为了方便芯盒起模, 要把铸模的垂直壁做成向起模面扩大的斜度，需要与配合的型芯一致，拔模斜度过大最好做成劈模，避免过大的拔模斜度。铸件要加工的侧面，一般按增加铸件壁厚的方法确定。铸模在起模方向如已有足够的结构斜度，便不再加拔模斜度。金属模的拔模斜度可比木模稍小些。 3.4 铸造圆角
铸造圆角是不可忽视的工艺因素，因尖角砂在浇注时容易造成冲砂、砂眼和粘砂等缺陷，而且转角没有圆角过渡的铸件会因容易产生较大的铸造应力而裂开。没有圆角过渡的铸件的强度也较低，因尖锐的棱角部分在结晶时会形成强度较低的薄弱面，因这时薄弱面是垂直于受力方向的，当铸件受力时，很容易从薄弱面处裂断。铸件如果做有圆角，就改善了这种情况。 3.5 工艺补正量
工艺补正量是用于补正由于铸造收缩率选用不当或其它工艺原因造成铸件局部尺寸的偏差。 大型铸件的工艺补正量有时非常重要，结构复杂、尺寸较大，影响因素多，形状和尺寸变化很难把握，补正量的选取往往起到纠正挽救的特殊效果。其设置经验性很强，需要长期摸索和积累。
3.6 分型负数
由于修型和烘干过程中砂型的变形，引起分型面不能严密贴合 , 为了防止浇注时产生跑火，合箱时需在分型面上放上耐火泥条或石棉绳，这样就增加了型膛的高度。为了使铸件尺寸 符合要求 , 在铸模上需减去相应的高度，这个减去的尺寸称为分型负数。分型负数随砂型尺寸增大而增加，其值约为 l-5 毫米。要使铸件的形状和尺寸符合要求，除了要正确设计上述的铸造工艺参数外，还需要有严格的工艺操作规程来保证。例如，砂型紧实度要符合要求，木模要干燥，起模时松模不能过大，修型时不能过分光压，合箱时放入的泥条不要过高等，而铸模的磨损，涂料上得过厚，砂型和泥芯受热膨胀等都会使铸件尺寸变小，铸模的变形和结构松动，也会影响铸件的形状和尺寸。
上面就一些主要铸造工艺参数进行讨论。在选定工艺参数时要注意下面两点：（1）影响铸造工艺参数的因素很多，一定要结合实际来选定，并作必要的修正。（2）各个铸造工艺参数之间是有联系的，要综合考虑，相互配合，不断修正，例如，铸件收缩量的误差，可用机械加工余量来补偿。
工艺参数确定以后，要精确计算铸件的浇注重量，浇注重量对下一步的工艺设计和生产操作有重大影响，是浇、冒口设计，熔炼、浇注的基础数据，最好采用三维软件进行计算。 4 铸件成形的控制
主要包括浇、冒系统，冷铁设计。控制充型过程和凝固过程，在铸造生产过程中起着重要的作用。许多的铸造缺陷都与上述两个过程直接相关，如缩松、缩孔、卷气、冷隔、夹渣等。是铸造工艺的关键技术之一。 4.1 液态金属充型过程控制
液态金属充型过程控制将影响浇注的成败和铸件质量，大型铸件的浇注工艺应满足大流量、快速平稳充型的基本要求。大型铸件的浇注多采用多包多浇道同时浇注，充型过程控制的关键是：（1）严格控制钢液的浇注温度和补浇钢液的温度，（2）协调好各包、各浇口的开启步调时间和顺序，（3）严格控制浇注时间，（4）要设置防止残砂、钢渣、引流砂进入型腔的措施，如防砂帽、溢流口、缓流浇道等。
4.2 铸件的结晶、凝固与收缩控制
对于大型铸钢件，保证铸件凝固顺序和补缩效率，这是控制铸造缺陷，获得优质大型铸钢件的重要条件。需要合理设置冒口的尺寸、数量、位置，考虑到充分补缩的要求，通常需要设置足够的冒口补贴，并配合适当的挂砂冷铁，挂砂冷铁设计时，冷铁布置、挂砂层厚度、挂砂层附着强度等工艺因素对控制凝固顺序，防止缺陷均有重大影响。为提高冒口补缩效果，除尽量采用保温、发热冒口，高校发热覆盖剂外，还需要补浇冒口。对大型铸钢件而言，冒口补浇工艺一方面可以提高冒口补缩效率，另一方面可以解决熔炼能力不足而采用的多炉、多阶段浇注的问题。多炉、多阶段浇注工艺设计时，要充分考虑各炉钢水的出炉时机，控制各炉钢水的出炉温度和化学成分，控制各阶段、各浇包开启时间，控制浇注温度和浇注时间。补浇冒口的钢水的熔炼要求视前阶段冒口高度而定，但要满足快速高温的要求。 4.3 计算机模拟技术
要获得优质铸件，必须控制铸件的凝固过程。铸件凝固是在铸型内的高温状态下进行的，难以直接观察。长期以来，主要凭经验或以实测资料为依据进行控制铸件的凝固过程的工艺设计。大型铸件凝固过程的温度场难以实测，而且实际生产条件也不允许通过实验得出铸件的合理工艺方案后才进行工艺设计和正式生产。因此，通常作法主要是凭经验指导铸件的生产。
随着计算机技术的发展，生产过程的数值模拟技术已应用于铸造过程并取得了成功，具有代表性的工作是基于凝固过程数值模拟的缩松、缩孔预测和冒口优化。计算机模拟凝固过程，可以帮助工程技术人员在计算机上进行模拟计算。通过模拟计算，可在实际铸造前对铸件可能出现的缩孔缩松缺陷及大小、部位和发生的时间进行有效的预测。以不断改进工艺，有效控制凝固过程，达到缩短产品试制周期，降低生产成本，确保铸件质量的目的，使铸造生产由凭经验走向科学理论指导。
铸件充型过程的数值模拟近年来在模型建立、算法实现、计算效率的提高和工程实用化方面取得了一些重要突破，并重点研究了充型流动对凝固进程的影响。建立了铸件充型和凝固过程的流动和传热模型，实现了流速场和温度场的耦合模拟，预示着已经可能利用数值模拟的方法对复杂铸件充型过程进行数值仿真。
5 铸造工艺装备的设计
铸件生产所使用工艺装备的设计。工艺装备包括模样、模板、芯、盒、砂箱、 量具、夹具、样板等。大型铸件一般生产批量小，形状差异大，工装通用性较差，许多工装需要综合考虑、专门设计，如芯铁、冷铁等。冷铁设计通常还要专门设计挂砂工艺及要求。 6 预备热处理技术
大型铸件在浇注冷却过程中，铸件壁厚相差悬殊的不同部位，壁厚尺寸大的同一部位的表面及心部，冷却过程温差很大，会产生很大的热应力，尺寸大，形状复杂的铸件不同部位冷却速度不同，收缩的时间不同，相互之间产生很大的机械应力，型、芯复杂，型、芯对铸件的收缩有较强的阻碍，也造成很大的机械应力，这样，铸件完全冷却后不可避免的在铸件内部产生较大的铸造残余应力。高碳钢、合金钢中的碳、锰、铬等元素的含量增加，可以提高强度，却降低导热性，加大铸件各部位冷却的温度差，因此，高碳钢、合金钢中的铸造残余应力更大。
另外，大型铸件截面厚大，冷却时速度较慢，通常铸态组织晶粒粗大，偏析严重，极大影响力学性能，为了保证后续的后处理，满足设计要求，一般铸件都需在浇注冷却后进行适当的热处理，通常称为预备热处理，预备热处理的目的：一是消除或减少铸造应力，二是改善组织，获得足够的力学性能，如强度、塑韧性等。一般的预备热处理规范有：退火、正火、正火+回火等。
预备热处理的关键技术是装炉时机和升温速度，大型铸件因为工期的要求，往往不能等到冷却到常温再打箱，造成打箱后较高温度情况下快速冷却，使铸件应力增高，需要及时装炉进行热处理；装炉后升温要适宜，此时的升温类似铸件的冷却，不同部位，同一部位的表面及心部，存在温差和膨胀的差异，从而，形成新的应力，这种新的应力称为热处理应力，这种热处理应力与原有铸造应力相互作用、相互影响，极为危险，使铸件发生变形、开裂的机率大为增加，不能升
温过快，但从快速生产和节约能源的角度要求，不能升温过慢，需要设计适宜的升温速度。热处理的技术也是极为复杂和精确的，也需要长期的经验积累和丰富的理论知识。 7 后处理技术
铸件在型内应有足够的冷却时间，防止产生变形、裂纹等缺陷，为防止产生过大的铸造应力，可在浇注后，铸件凝固基本凝固完成时，松弛型、芯，使铸件最大限度地自由收缩。
冒口切割是铸件后处理的最重要的环节，绝不能忽视。冒口根部在工艺热节和流通效应的影响下，是整个铸件组织最差、热应力最大的部位。在进行常温气割冒口时，由于割口处温度较高，与周围温差较大，产生一定的热应力，加上本身又存在较大的残余应力，当两种应力的方向正好相同时，应力便会叠加，应力得到进一步加强，如果应力超过合金的强度极限，则产生裂纹。绝大多数的铸件采用热割冒口的工艺，热割冒口可预防裂纹。尤其高碳钢、合金钢中的碳、锰、铬等元素的含量高，导热性差，淬透性高，进行常温气割冒口时，热应力更大，并且很容易发生相变，如果相变则会产生相变应力，产生裂纹的风险更高，必须采用热割冒口的工艺。热割冒口可在铸态冷却过程中进行，到一定温度时（400℃以上，避免弹塑性转变温度区间400℃～600℃），迅速清理冒口部位进行切割，切割后继续冷却，直至打箱清理，再热处理，这种工艺的好处是可以降低能耗，缩短工期，坏处是产生缺陷的风险大。大型件价值很高，应尽量控制风险，最好采取在退火后进行热割冒口的工艺。无论何种工艺都应特别注意热割温度和割后的保温缓冷。 结语
大型铸件的工艺设计是一个复杂的系统过程，需要设计人员具备深厚的理论知识和丰富的实践经验。设计过程中要考虑工艺因素较多，这些因素不是独立的，往往相互作用、相互影响，因此，在设计之初，就要通盘考虑，全面筹划，不能顾此失彼。
大型铸件的工艺设计不可能面面俱到，要有主有次，以铸件制造的难点、重点为基础，制定合理的工艺方案，各个工艺因素相互配合、相互补充。
大型铸件多为重大技术装备的重要零件，对其性能及质量要求严格，大型铸件批量较小，生产过程复杂，工期漫长，价值很高，工艺试验和改进困难，一些在小件中不显眼的因素，在大件中有显著的影响。设计时以稳妥慎重为原则，在没有充分依据和保证的前提下，宜采取保险的工艺方案。
大型铸钢件工艺
