概括

尾座是高压压铸机的重要部件之一，重量达16.8 t球墨铸铁用废钢的作用，最大壁厚达400 mm以上，通过数值模拟软件优化铸造工艺，采用送丝法进行球化处理和多级孕育处理，试制出厚大截面球墨铸铁尾座铸件。结果表明，尾座铸件力学性能已达到QT500-7材料标准的要求，铸件质量完全满足无损检测技术的要求。

球墨铸铁因成本低廉、工艺简单而成为一种重要的金属材料。随着工业设备向大型化、重载化发展，厚壁大截面零件与铸钢、部分锻钢等材料相比，更适合大规模生产。球墨铸铁显示出独特的优势。目前，厚壁大截面球墨铸铁零件已成功应用于端盖、风力发电机主轴、轴承座、齿轮、蝶板、平台、支撑轮等零件。

压铸机是将熔融的金属在压力下注入模具内，冷却成型的一系列工业铸造机械。开模后，获得固态的金属铸件。随着科技进步和工业生产的发展，特别是随着汽车、摩托车、家用电器等行业的发展，压铸技术取得了极其迅速的发展。压铸机主要由合模机构、压射机构、液压系统和电气控制系统等组成。

高压压铸机是我公司的重点产品，尾座作为某型高压压铸机合模机构的重要部件，是保证模具可靠开合模、影响产品精度的主要部件，它的质量对整台机器的稳定运行有着重要的影响。

该尾架材质为QT500-7，质量为16.8t，整体型面呈“开口”形，侧面型面呈“L”形。铸件尺寸为4 820 mm×3 890 mm×795 mm，最小壁厚100 mm，最大壁厚超过400 mm，对铸件的探伤要求较高。这是我公司近年来生产的大型、异形、厚壁、大截面球铁铸件之一，也是我公司生产的首件压铸机用大型球铁尾架（图1），对铸件尺寸要求严格。 未注尺寸公差按GB/T 6414-2017 CT 11级执行，所有加工表面均需按GB/T 34904-2017 3级进行100%超声波探伤，铸件必须无内部缺陷，这给制造带来了极大的难度。

图1 尾座铸件三维视图

1 铸造工艺

外模采用“一体式消失模样品+胶合板底座”制作，外模设有拉杆，成型过程中拉杆拆除，防止模型运输过程中变形。模具采用将铸件“开”平，凸出部分朝下，主体置于下箱，凸台部分做成散块。四个轴孔采用分体芯盒。

冒口采用隔热冒口，并根据铸件壁厚选用不同规格的冒口，提高铸件的收缩补偿效果，上箱设有适当的通气孔。

浇注工艺设计为底浇、敞开式，浇注系统采用瓦管，横浇道设在铸件内部，横浇道与直浇道采用十字过渡浇道连接；内浇道采用弯管，四周均匀分散铁水球墨铸铁用废钢的作用，并采用挡渣装置，提高铁水充型质量。

厚大截面球墨铸铁由于壁厚中心或热区凝固时间长，容易产生石墨漂浮、组织粗大、石墨畸变等缺陷，在铸件厚大截面区域合理布置冷却器，可以加快铸件局部冷却速度，平衡铸件壁厚差异引起的热节点效应，提高铸件凝固质量。经综合考虑，在铸件厚截面区域设置冷却器，并在胶合板底板上标注冷却器安置区域及规格。

型砂、芯砂采用酚醛改性呋喃树脂自硬砂，增强了型砂强度和砂箱刚度，降低砂型成品率，有利于石墨化膨胀自补偿效应的充分发挥，提高铸件内部致密性，抑制缩孔、气孔的出现。

铸件凝固过程数值模拟包括三维建模、网格划分、初边界条件设定、终状态设定、模拟运行与结果显示等部分。结合固相比例和凝固时间可以估算出铸件不同区域的凝固顺序。以铸件XZ和YZ方向厚断面典型区域为观测对象，从铁水充型开始到凝固状态结束选取代表性图片。在XZ方向断面处切开冒口；YZ方向断面处一侧不切​​冒口，一侧切开冒口。

铸件凝固模拟过程如图2所示。从图2a可以看出，在XZ方向上，铸件中放置冷铁的区域凝固较快，铸件凝固方向由下部厚截面区域逐渐向冒口上方转移，不存在独立液相。如图2b所示，在YZ方向上，铸件中放置冷铁的区域凝固较快，铸件凝固方向由下部厚截面区域逐渐向上方转移；左侧凝固最晚区域集中在该区域的上部，但最后凝固时间远早于右侧较厚区域的凝固时间。从模拟过程看，最后凝固区域集中在冒口处，起到了很好的收缩补偿效果，凝固顺序符合工艺预期。

图2 铸件凝固过程

铸件凝固模拟结果如图3所示。从图3可以看出，缩孔、疏松分散呈点状分布，单个面积较小，铸件质量风险较低。如果模具刚性足够、球化效果好、浇注温度合适、操作工艺控制得当，可以充分利用球墨铸铁共晶阶段石墨化膨胀的自补偿作用，铸件出现缩孔、缩松的概率较低，整体上工艺方案合理可行。

图3 铸件缩孔分布情况

2 熔炼及球化工艺

尾料化学成分见表1。炉料为Q10生铁、优质废钢及回收料。废钢中不得含有密闭容器、易燃易爆品及有毒物质。回收料采用与浇注头、废钢相同的材质，加入比例应控制在一定范围内。废钢、生铁及回收料应清洁、少锈、无油污。

表1 尾座铸件化学成分

采用30t铁水包，铁水包设有挡渣装置，使用前经充分烘烤。铁液采用30t中频无芯感应炉冶炼，冶炼时按废钢、生铁、回收料的顺序加入，液相熔化后除渣，微调成分，升温至1500℃以上过热，保温5-10分钟；然后炉内自然降温至1410-1450℃，除渣出炉。出铁前在流液中加入硅钡孕育剂。

球化处理采用喂丝法，同时进行孕育处理。球化处理开始温度为1350~1390℃。球化处理后迅速刮去铁水表面浮渣，并用隔热覆盖剂覆盖，隔绝空气，避免二次氧化和回硫。保证型腔清洁，无砂子等杂物；浇注前对型腔进行充分烘烤。采用坝式浇口箱，在浇口箱内放置硅铁孕育剂。

采用30t铁水包浇注，浇注温度1 300～1 340℃，合理安排生产工序，严格控制整个生产过程的每个环节，从球化结束到浇注完毕时间控制在25min以内，冒口处涂覆盖剂。

评价球铁质量的三大指标是球化率、石墨球大小和数量，球铁生产的目标是获得尺寸较小、数量较多、分布均匀、圆整度高的石墨球，为提高铸件质量，采用多级孕育，特别是后期孕育，可提高孕育效果。

3. 生产验证

按上述工艺生产的尾座铸件如图4所示。铸件按GB/T 34904-2017标准进行超声波探伤，铸件质量完全符合技术要求。从附铸件试样中取样进行力学性能检测和金相分析。铸件试块力学性能完全符合技术要求，见表2。附铸件试块球化率为90%，石墨尺寸为6级；基体由铁素体和珠光体组成，珠光体含量约为5%。显微组织如图5所示。

表2 尾座铸件力学性能

图4 尾座铸件毛坯图片

图5 尾座铸件金相组织

4。结论

随着大型压铸机的快速发展，压铸机铸件的需求量越来越大，一套产品质量稳定、经济可行的工艺方案，可以保证大型压铸机在其使用寿命内稳定、高效地运行，同时为后续开发其他领域的大型球铁件积累了丰富的经验。

作者：魏伟、沉闯、张雷雷、李卫东、郭庆福、刁小刚、余志斌

单位：天元二手物资