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鑄鋼相關

鑄鋼缺陷防止與解決方案

作者:佚名時間:2021-08-09

  鋼件在生產(chǎn)過程中經(jīng)常會發(fā)生各種不同的鑄造缺陷,如何預防這些缺陷,一直是鑄件生產(chǎn)廠家關注的問題。本文主要介紹了這方面的一些認識和實踐經(jīng)驗。
車間主要采用傳統(tǒng)濕型砂鑄造工藝生產(chǎn)鑄鋼件,在長期的生產(chǎn)中,發(fā)現(xiàn)鑄鋼件主要出現(xiàn)以下鑄造缺陷,砂眼,粘砂,氣孔,孔,夾砂結疤,脹砂等等。

  1.砂眼
砂眼缺陷處內(nèi)部或表面有充塞著型(芯)砂的小孔,砂眼是一種常見的鑄造缺陷,往往導致鑄件報廢。砂眼是由于金屬液從砂型型腔表面沖下來的砂粒(塊),或者在造型,合箱操作中落人型腔中的砂粒(塊)來不及浮入澆冒系統(tǒng),留在鑄件內(nèi)部或表面而造成的。
砂眼的預防措施:
(1)嚴格控制型砂性能,提高砂型芯的表面強度和緊實度,減少毛刺和銳角,減少沖砂。
(2)合箱前把型腔和砂芯表面的浮砂處理干凈,平穩(wěn)合箱,如果是明冒口或貫通出氣眼,應避免散砂從中掉人型腔,合箱后要盡快澆注。
(3)設置正確合理的澆冒系統(tǒng),避免金屬液對型壁和砂芯的沖刷力過大。
(4)澆口杯表面要光滑,不能有浮砂。

  2.粘砂

  在鑄件表面上,全部或部分覆蓋著一層金屬(或金屬氧化物)與砂(或涂料)的混(化)合物或一層燒結構的型砂,致使鑄件表面粗糙,難于清理。
粘砂多發(fā)生在型、芯表面受熱作用強烈的部位,分機械粘砂和化學粘砂兩種。機械粘砂是由金屬液滲入鑄型表面的微孔中形成的,當滲入深度小于砂粒半徑時,鑄件不形成粘砂,只是表面粗糙,當滲入深度大于砂粒半徑時,就形成機械粘砂,化學粘砂是金屬氧化物和造型材料相互進行化學作用的產(chǎn)物,與鑄件牢固地結合在一起而形成的。
粘砂的預防措施:
(1)選用耐火度高的砂,以提高型砂,芯砂的耐火度,原砂的SiO2含量在96%(質(zhì)量分數(shù))以上,而且砂粒應對粗些。鑄鋼件的澆注溫度越高,壁厚越厚,對原砂中SiO2含量的要求越高。
(2)適當降低澆注溫度和提高澆注速度,減輕金屬液對砂型的熱力學和物理化學作用。
(3)砂型緊實度要高(通常大于85)且均勻,減少砂粒間隙;型、芯修補到位,不能有局部疏松。
(4)采用在高溫下不開裂、不燒結成熔洞的涂料。

  3.氣孔
在鑄件內(nèi)部,表面或近于表面處,有大小不等的光滑孔眼,形狀有圓的,長的及不規(guī)則的,有單個的,也有聚集成片的。顏色有白色的或帶一層暗色,有時覆有一層氧化皮。由于氣體的來源和形成原因不同,氣孔的表現(xiàn)形式也各不相同,有侵入性氣孔、析出性氣孔和反應性氣孔。
侵入性氣孔體積較大,形狀近似梨形,常出現(xiàn)在鑄件上部靠近型芯壁或澆注位置處,主要是由于砂型芯中產(chǎn)生的氣體侵入金屬中未能逸出造成的,梨形氣孔小端位置表明氣體由該處進入鑄人件。
析出性氣孔多而分散,一般位于鑄件表面,往往同一爐鑄件幾乎都會出現(xiàn),主要是由于金屬在熔煉過程中吸收的氣體在凝固前未能全部析出,就在鑄件中形成許多分散的小氣孔。
反應性氣孔是由于金屬一鑄型界面發(fā)生化學反應而產(chǎn)生的氣孔,因其分布均勻且往往在鑄件表皮以下1-3mm處(有時在一層氧化皮下面)出現(xiàn),所以又稱為皮下氣孔。又由于這種氣孔多呈細長形針孔狀,其長軸與鑄件表面垂直,又可將其稱為針孔。
氣孔的預防措施:
(1)采用潔凈干燥的爐料,限制含氣量較多的爐料的使用,降低熔煉時金屬的吸氣量;澆包要烘干燙包;可以適當提高澆注溫度以利于氣體擴散。
(2)澆注時控制好壓頭和速度,保證鋼水平穩(wěn)充填砂型型腔,避免產(chǎn)生紊流,防止卷入氣體。
(3)減少發(fā)氣量,控制型(芯)砂水分及發(fā)氣原料的含量,減少砂型在澆注過程中的發(fā)氣量,不使用受潮,生銹或有油污的冷鐵和芯撐等。
(4)改善砂型的透氣性,選擇合適的砂型緊實度,提高砂型和型芯的透氣性;合理安排出氣眼,使型(芯)內(nèi)氣體能順利排出。
(5)提高氣體進入金屬液的阻力.合理設計澆注系統(tǒng),避免澆注時卷入氣體,在型(芯)表面涂刷涂料以減少少金屬一鑄型的界面作用。

  4.縮孔、縮松
在鑄件厚斷面內(nèi)部,熱節(jié)處或軸心等最后凝固的地方,形成不規(guī)則的表面粗糙的孔洞,該處晶粒粗大,往往帶有樹枝晶.孔洞大而集中的為縮孔,孔眼小而分散的稱為縮松.主要是由于鑄件在冷卻凝固時所產(chǎn)生的液態(tài)收縮和凝
固收縮遠遠大于固態(tài)收縮,且在鑄件最后凝固的地方得不到金屬液的補充造成的。
縮孔、縮松的預防措施:
(1)盡量降低注溫度和澆注速度,澆注后期的補澆要充分到位。
(2)合理設計澆冒系統(tǒng),壁厚小且均勻的鑄件要采用同時凝固,壁厚大且不均勻的鑄件采用由薄向厚的順序凝固,使鑄件得到充分補縮。
(3)在鑄件厚斷面部位,合理放置內(nèi),外冷鐵。
(4)盡量減少鑄件的熱節(jié)部位。
5.夾砂、結疤
夾砂是指在鑄件表面上,有一層金屬瘤狀物或片狀物,在金屬瘤片和鑄件之間夾有一層型砂或涂料,結疤是由于金屬液在鑄型表面局部沖去了一塊砂的地方或在發(fā)生攪拌或沸騰現(xiàn)象的地方出現(xiàn)了一塊 凸出的疤痕,脫落的砂夾在疤塊中或鑄件的其他部位中。在澆注時,濕型型腔表面的水分因受到鋼液的高溫烘烤而向砂型內(nèi)部發(fā)生遷移,形成強度較低的水分凝聚區(qū),易使型腔表面脫層而造成鑄鋼件結疤,、夾砂等缺陷。
夾砂、結疤的預防措施:
(1)嚴格控制型砂、芯砂性能。
(2)澆注時間盡量短;澆注系統(tǒng)的設計應使金屬液進入型腔時平穩(wěn)而沖擊力不大,內(nèi)澆口的布置要適當分散以避免鑄型局部過熱,同時盡快地覆蓋住下型面。
(3)大平面的板狀鑄件可采用傾斜澆注;
(4)鑄型上扎氣眼以利于水水蒸氣及其他氣體的排除,使水分凝聚區(qū)后移和        
降低其中的水分,減少氣體壓力對型腔表面的拱托作用。
(5)修型時避免用壓勺來回壓大平面,防止分層。
6.裂紋
裂紋分為熱裂和冷裂。熱裂主要由S引起,多為不規(guī)則形狀,裂口處金屬表皮氧化;冷裂主要由P引起,裂口較直,開裂處有金屬光澤,有時出現(xiàn)輕微氧化色。部分鑄件采用水爆清砂工藝,亦可導致裂紋。
裂紋的預防措施:
(1)提高砂型和砂芯的退讓性。
(2)嚴格控制爐料及鋼水中的S、P含量。
(3)鑄件壁厚盡量均勻,避免壁厚的突然改變,條件允許時,可適當設置加強筋,兩截面交接部位采用圓角連接,以減少應力集中。
(4)調(diào)節(jié)鑄件各部位冷卻速度,避免鑄件局部過熱,在厚大斷面或熱節(jié)處放置冷鐵,內(nèi)澆道適當分散,使鑄件各部位溫度趨向均勻,澆冒口當應阻礙鑄件的收縮。
(5)鑄件澆注后,開型不能過早,采用水爆清砂工藝的鑄件應掌握好溫度和時間。

  7.其他鑄造缺陷
(1)變形 長、板狀鑄件比較容易變形.某些鑄件加工后,放置一段時間后會出現(xiàn)變形。
預防措施:適當添加加強筋;適當增加加工余量;采用反變形工藝;將鑄件進行去應力退火,消除鑄件的內(nèi)應力;采用時效處理。
(2)冷隔 在鑄件上有未完全融合的縫隙或凹坑,其交界邊緣是圓滑的。
預防措施:提高澆注溫度和澆注速度;改善澆注系統(tǒng);澆注時不斷流。
(3)澆不足 由于金屬液未完全充滿型腔而產(chǎn)生的鑄件缺肉。預防措施;提高澆注溫度和澆注速度;不要斷流和防止跑火;澆注后期的點澆補縮到位。

  消失模鑄造是一種近無切削加工鑄造工藝,具有鑄件精度高、設計靈活、無砂芯、生產(chǎn)環(huán)境清潔、投資和生產(chǎn)成本低等優(yōu)點。此項技術在國內(nèi)外發(fā)展十分迅速,各項相關技術都取得了長足進步。消失模鑄造技術在鑄鋁、鑄銅、鑄鐵等材料上得到較好的應用,但在鑄鋼生產(chǎn)的應用上則相對滯后。雖然在高錳鋼、耐磨鋼等鋼種上也有成功應用的報道,但在實際的生產(chǎn)過程中,由于鑄件在澆注充型過程中,金屬液的流動前沿是熱解的消失模產(chǎn)物(氣體和液體),會與金屬液發(fā)生反應并影響到金屬液質(zhì)量,如果熱解產(chǎn)物不能順利排出,就容易引起氣孔、增碳、增氫等缺陷,使該技術的應用受到一定的限制。消失模鑄鋼件的常見缺陷就是氣孔,因此對其產(chǎn)生的原因進行分析并提出相應的防止措施,為消失模鑄造技術更好地應用于鑄鋼件的生產(chǎn)提供指導是十分必要的。

  一、產(chǎn)品現(xiàn)狀及氣孔成因

  我廠生產(chǎn)的鑄鋼件迷宮環(huán)(見圖1),材質(zhì)為ZG270-500,質(zhì)量為35kg。

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  生產(chǎn)條件:每箱10件、聚苯乙烯泡塑料的密度為22g/cm3,采用水基涂料,烘干室溫度為45℃左右,烘干時間為48h,冒口用AB膠粘接,垂直放置,直澆道45mm×45mm,橫澆道40mm×25mm,內(nèi)澆道為20mm×15mm。底注,負壓度為0.05MPa,澆注溫度為1550℃,澆注時間為13~17s,澆注3min后停止抽真空,30min后落砂。

  機加工后在補縮冒口處發(fā)現(xiàn)大量分散性氣孔,出現(xiàn)在鑄件內(nèi)部和鑄件表面上(見圖1),最大的直徑達3mm,深度達4mm,不合格品率達60%。我們對氣孔缺陷進行系統(tǒng)的整理和分析,認為形成的氣孔主要是侵入性氣孔和析出性氣孔,并對產(chǎn)生的原因進行了較深入的探討。

  氣孔的形成來源于氣體。消失模鑄造鑄鋼迷宮環(huán)上的氣孔主要是由泡沫汽化產(chǎn)生的氣體侵入金屬液析出而形成的侵入性氣孔,以及鋼液中帶入的析出性氣孔。

  1.侵入性氣孔的成因

  侵入性氣孔是消失模鑄鋼件氣孔產(chǎn)生的主要形式,其形成原因有以下幾方面。

  (1)澆注過程中,澆注時間過短,充型過快,泡沫塑料模樣不能被迅速汽化,裂解的液態(tài)產(chǎn)物進入金屬液中,鑄件凝固后,氣體不能被排出,而在鑄件中形成氣孔。

 ?。?)泡沫塑料模樣的發(fā)氣量隨澆注溫度的升高而急劇增大,圖2為澆注時氣體壓力隨澆注時間的變化,可以看出,澆注的瞬間氣體壓力急劇升高,由于鑄鋼澆注溫度較高,澆注時瞬間發(fā)氣量很大,氣體不能被及時排出,特別是鋼液在紊流狀態(tài)時將氣體卷入其中,形成氣孔。

 ?。?)粘接泡沫塑料模樣用粘結劑使用不當是形成侵入性氣孔的重要原因。實際生產(chǎn)中發(fā)現(xiàn),鑄鋼件在泡沫塑料模樣粘接處往往產(chǎn)生大量的氣孔。如果用插接或鋼釘連接泡沫塑料模樣,該處就不會產(chǎn)生氣孔。這是由于連接處使用了較多的粘結劑,無論用851強力膠還是AB膠,其密度是泡沫塑料的幾倍甚至幾十倍,其汽化速度遠比泡沫塑料慢且汽化溫度高,當膠還沒有汽化時金屬液上升而將膠裹住,在隨后的冷卻過程中不斷汽化,從而在鑄件中形成氣孔。

  (4)水分也是形成鑄鋼件氣孔的因素之一,澆注時水分的來源主要有以下幾方面:一是涂料沒有徹底烘干,或是由于水基涂料中含有CMC、聚乙烯醇、白乳膠、淀粉等有機粘結劑,如果掛有涂料的模樣烘干后不能及時澆注,就會吸收空氣中的水分。另外,涂料的膨潤土等懸浮劑多含有結構水和結合水,由于模樣烘干溫度一般只有40℃左右,其結構水和結合水一般仍存留于涂料中,這部分水分在高溫鋼液的作用下汽化;二是泡沫塑料模樣由于干燥不充分,泡沫粒珠中仍殘留較多的水蒸氣;三是來自型砂中的水分。

  2.析出性氣孔的成因

  析出性氣孔是指在熔煉過程中金屬液吸氣,在金屬凝固過程中,多金屬中析出而形成氣孔。當金屬液吸入水蒸氣時,在高溫金屬液的熱作用下,水裂解產(chǎn)生氫氣,氫氣溶解后裂解成氫原子,這些原因在金屬液的凝固過程中重新聚合,生成氫氣,無法排出,就形成了析出性氣孔缺陷。這種氣孔特點:氣壁比較光滑,有金屬光澤,氣孔比較小但數(shù)目較多。

  二、解決鑄鋼件氣孔的措施

  由以上分析可知,澆注過程中,澆注時間過短,充型過快,泡沫塑料模樣不能被迅速汽化,粘接泡沫塑料模樣用粘結劑使用不當,是造成鑄鋼件氣孔的主要原因。另外,澆注系統(tǒng)設計不合理,還有模樣、涂料及澆注等方面的因素。

  1.減少泡沫塑料模樣的發(fā)氣量,降低發(fā)氣速度

 ?。?)在保證模樣強度、剛度的前提下,盡量減少模樣的密度,從而減少發(fā)氣量;將直澆道、冒口及厚大部位做成空心塑料模樣(目前我廠采用的泡沫塑料密度為0.018~0.020g/cm3)。

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 ?。?)減少澆注系統(tǒng)的尺寸,內(nèi)澆道由原來的20mm×15mm改成15mm×15mm,使?jié)沧r間增加到20s左右。降低澆注速度從而降低聚苯乙烯的發(fā)氣速度,使產(chǎn)生的氣體通過涂料層得以及時排出而不進入鋼液。模樣充足的汽化時間也使其汽化率提高,減少了聚集在鋼液與涂料層界面的液態(tài)殘留物,避免在輪緣的側面形成氣孔。

  2.使用發(fā)氣量低的粘結劑

  粘結劑用量越少越好,最好冒口與產(chǎn)品整體一次成形,或使用插接或鋼釘連接,或粘結劑與鋼釘聯(lián)合使用。

  3.保證涂料質(zhì)量

 ?。?)選用高溫透氣性好的涂料,增加涂層的透氣性和潤濕性,降低氣隙空腔的氣壓,以保證金屬液平穩(wěn)充型。在干砂消失模鑄造中,由于使用干砂造型,干砂透氣性遠高于涂料的透氣性,涂料的透氣性主要取決于涂料透氣性的大小。當涂料透氣性較小時,涂料的透氣性遠小于模樣的熱解速度,合金液流前的氣隙中的壓力很高,合液態(tài)金屬流動前沿很不穩(wěn)定,造成卷氣與吸氣。

  (2)涂料掛涂要均勻,具有高的高溫強度,以減少涂層厚度,一般控制在0.5~1mm即可。

  (3)涂層應充分烘干,烘干的模樣應及時澆注,避免受潮。

  我們通過上述三種措施對原有的涂料進行了改進:硅砂的粒度由原來的0.071mm(200目)改成0.080mm(180目);乳膠由原來的25kg改成了20kg;纖維素由原來的4kg改為5kg。改進后的涂料增強了高溫強度與透氣性,且不易開裂。

  4.設置集渣與排氣冒口

  聚苯乙烯泡沫塑料模樣的氣體分解產(chǎn)物都要通過涂層逸出型腔,由于金屬液充型速度很快,液態(tài)熱解產(chǎn)物來不及充分裂解汽化,使液態(tài)產(chǎn)物或殘留物往往積聚在鑄件的死角或頂部,使這些部位易形成氣孔。因此,應在這些部位設置小冒口,冒口頂部涂料用細物扎多個小孔,以利于積聚的液態(tài)產(chǎn)物最后汽化時將氣體排出。冒口尺寸可根據(jù)產(chǎn)品的大小來設置,小冒口也較容易清理。實踐證明,這些小冒口可有效地消除鑄件的夾渣及氣孔缺陷。

  5.選擇正確的澆注工藝

 ?。?)澆注位置應盡量使重要的大表面處于豎直或傾斜狀態(tài),有利于金屬液的平穩(wěn)充型和塑料模樣的逐漸汽化,使氣隙壓力較小及保持平衡。

  (2)澆注系統(tǒng)優(yōu)先選用封閉式的底注、階梯澆注或側注,保證金屬液的平穩(wěn)流動及避免澆注過程中大量空氣進入型腔。

 ?。?)提高金屬液的澆注溫度,減小澆注速度,有利于泡沫塑料模樣的充分汽化和迅速地排出。實踐證明提高澆注溫度可有效地減小氣孔等一系列鑄造缺陷。鑄鋼件澆注溫度應在1600℃以上,此時應保證涂料有較高的高溫強度,否則會導致較嚴重的粘砂。

 ?。?)堅持“慢-快-慢”的澆注原則。先用小流量金屬液點通直澆道,在用大流量快速充滿澆口杯封閉直澆道,保證真空度,直到澆口杯金屬液不在下沉時為止。由澆入的鋼液量估計液面快達到鑄件頂面時,放慢澆注速度,減少金屬液流量,保證金屬液中的或可能侵入的氣體逸出涂層或從金屬液析出。

  6.澆注前應對鋼液進行充分除氣

 ?。?)清潔爐料,特別是鐵銹嚴重的爐料應經(jīng)除銹處理。

  (2)快速熔煉,縮短高溫熔煉時間。

 ?。?)充分脫氧,用鋁量一般為0.04%~0.06%,不超過0.15%。

  另外,型砂要干燥,不使用含水分或潮濕的型砂。鑄鋼件的真空負壓度一般應控制在0.05~0.06MPa為宜。

  三、結語

  通過以上綜合措施的實施,不但基本解決了鑄鋼件迷宮環(huán)的氣孔缺陷,同時還減少其他品種鑄鋼件氣縮孔現(xiàn)象,成品率達90%以上。

   

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