阀体铸造工艺

LanzhouUniversityofTechnology2020/2/4阀门铸造工艺兰州理工大学材料科学与工程学院LanzhouUniversityofTechnology报告人：阎峰云教授/博导工业流程控制工艺及阀门应用技术讲座2014.8.2～6苏州LanzhouUniversityofTechnology2020/2/4主要内容铸造概述铸造工艺简介及发展合金元素对钢的铸造性能影响铸件的质量控制铸造CAE技术服务平台简介，，，，。LanzhouUniversityofTechnology2020/2/41、铸造概述一）何为铸造：将液体金属浇到具有与零件形状相适应的铸型空腔中，待其凝固后，以获得一定形状尺寸和表面质量的零件的产品，称之为铸造。三大要素：合金、造型、浇注凝固最大优势：可以成形复杂零件LanzhouUniversityofTechnology2020/2/4二）铸造发展（以造型方法为主）铸造：工艺古老，历史悠久，曾经辉煌。青铜器的失蜡铸造。20世纪30年代开始使用气动机器和人工粘土砂工艺生产。1933年出现水泥砂型，1967年出现水泥流态砂型；1944年出现冷硬覆膜树脂砂壳型；1955年出现热法覆膜树脂砂壳型，1958年出现呋喃树脂自硬砂型；1947年出现CO2硬化水玻璃砂型，1968年出现了有机硬化剂的水玻璃。近50年来，用物理手段制造铸型的新方法，如：磁丸造型，真空密封造型法，消失模造型等。基于金属型的各种铸造方法。如离心铸造、高压压铸、低压铸造、液态挤压等LanzhouUniversityofTechnology2020/2/4三）铸造特点适应性广，灵活性大。所有的金属材料产品。铸造不受零件的重量、尺寸和形状限制。重量可从几克到几百吨，壁厚由0.3mm到1m，形状可以是十分复杂的零件。所用的原辅材料大多来源广，价格低廉，如废钢、砂等。铸件可通过先进的铸造工艺方法，提高铸件的尺寸精度和表面质量，使零件做到少切割和无切割。铸件综合成本低，投资少，上马快。铸造部分企业工艺落后，机械化程度低，生产效率低。铸件的尺寸精度低、表面质量差、企业效益差。高耗能、高污染、高劳动强度。铸造属于高危行业，工作苦、脏、累。行业效益差，人才流失严重。铸造工序较多，流程长，对产品质量难以控制、废品率较高，铸件成本大幅上升。LanzhouUniversityofTechnology2020/2/42、铸造工艺简介及发展根据产品结构、大小及技术要求制定铸造方式。通常分为两种：砂铸和特种铸造。砂铸：有粘土砂、树脂砂（呋喃、碱性酚醛、聚尿烷等）、壳型铸造水玻璃砂(CO2法、真空CO2置换（VRH）、热空气法、硅酸二钙和赤泥等粉状硬化剂的自硬砂、有机酯硬化〕。特铸：有熔模铸造（失蜡铸造）、陶瓷型铸造、磁性铸造、真空密封造型、消失模铸造、金属型铸造、压力铸造（高、低、差）、离心铸造、真空吸铸等。企业根据所具备的生产条件确定铸造方式。LanzhouUniversityofTechnology2020/2/4一）砂型铸造工艺1、型砂型（芯）砂质量对铸件质量有很大的影响，如：夹砂、砂眼、粘砂气孔、裂纹等缺陷的产生常是由于型砂质量不合格所致。型砂性能对铸件质量有重大影响。型砂应具备如下性能：（1）强度在外力作用下，其不易被破坏的性能称为强度。在铸型制造、搬运以及浇注时，不发生变形、损坏。否则造成塌箱、冲砂和砂眼等缺陷。（2）透气性型砂由于各砂粒间存在空隙，具有能使气体透过的能力称为透气性。对应型芯的发气性。（3）耐火度型砂在高温金属液作用下不软化、熔化的性能。当耐火度不足时，形成粘砂，轻则使切削时加快刀具磨损。重则使铸件报废，为弥补型砂耐火度不足，在铸型型腔表面刷一层涂料。（4）退让性型（芯）砂具有随着铸件的冷却收缩而被压缩其体积的性能，浇注后，型砂高温强度愈低，退让性愈好，铸件所受机械阻力也小。铸件内应力减小；反之收缩受阻，内应力大，甚至产生裂纹。上述主要是铸型的工作性能。还有回用性、溃散性、流动性和可塑性等工艺性能，对于树脂砂还有微粉、灼烧减量、碱性树脂的残碱量、原砂的酸耗值等。LanzhouUniversityofTechnology2020/2/42、型砂的分类：按照粘结剂的不同，型砂可分为：（1）粘土砂（2）水玻璃砂（3）树脂砂(4)油砂及合脂砂。树脂砂工艺是铸造工艺上的一次大变革，它采用“树脂”作为粘接剂，使铸造工艺在各个方面都上了一个台阶。树脂砂工艺的种类很多如壳芯，热芯盒、冷芯盒，自硬砂等等。呋喃树脂自硬砂工艺不仅适用大批量的机械化生产，同时也适用于单件、多品种、小批量生产，它同传统粘士砂比较它具有如下优点：生产铸件尺寸精度高，表面粗糙度低，节省能源，提高劳动生产，改善工劳动件，旧砂回率高，污染小等。该工艺自上世纪八十年代引入中国（兰石、兰高阀，自贡机床），尤其是生产线投入，相关技术原材料问题的解决。在我国发展很快，尤其在机床、造船、重机、电工等行业，所使用都取得较好的成果。局限性，在浇注碳钢薄壁铸件时，因其高温强度较高，故极易产生裂纹缺陷。高端阀门有问题，同时也有一个铸件表面渗碳问题，对生产超低碳不锈钢最好不要采用该工艺。2020/2/493、造型方法：造型方法分为手工造型和机器造型：手工造型适用于单件，小批量生产。按砂箱特征可分为：两箱、三箱、地坑、脱箱几种。按模型特征可分为：整模、挖砂、假箱、活块、分模、车板等。4、砂型铸造工艺设计正确而有效的控制铸件凝固是获得优质铸钢件的头等重要条件。工艺措施如：浇注系统、冒口和冷铁、工艺补正量等。阀门铸钢件由于其壁厚不均匀，应该采取顺序冷却、顺序凝固的原则，以减少内应力、缩孔和缩松等缺陷。⑴控制铸钢件顺序凝固的工艺措施：1）设计合理分型位置、浇注位置和浇注系统。2）冒口设计在铸件最后凝固的部位，在起到补缩作用的同时，延缓冒口周围钢水的凝固，造成顺序凝固的条件。保温冒口应用。3）浇注操作时，当钢水上升至冒口高度1/4时，改从冒口顶上浇注，其作用可以增加钢水压头，还可以提高冒口温度。LanzhouUniversityofTechnology2020/2/44）铸钢冒口尺寸的确定：其方法有模数法；比值法和热节圆法。目前工厂里为了满足便捷的设计要求，常用的是热节圆法，来确定冒口的尺寸。5）铸件收缩率的选定：铸钢件在凝固冷却的过程中，其体积和尺寸都会收缩减小，由液态凝固为固态的收缩量一般以长度的改变量--线收缩率来表示（%）。影响铸造收缩率的因素很多，主要有金属合金的种类、铸件结构和尺寸长度，另外造型材料、型芯的紧实程度等也影响铸件产生非自由收缩率。钢种缩尺碳钢WCBZG2520/1000不锈钢CF8CF8MZG0Cr18Ni9ZG0Ci18Ni12Mo2Ti20-25/1000铬钼钢ZGCr5MoC520-25/1000耐热钢WC6WC918-22/1000铸铁HT25010/1000LanzhouUniversityofTechnology2020/2/4（2）典型的砂型铸造生产流程型芯砂配制冷铁芯骨准备涂料准备炉料配制钢水溶炼钢水成份化验检查铸造工艺设计模样制作造型制芯刷涂料烘干型芯下芯合箱浇注落砂清砂切割浇冒口缺陷焊补铸件热处理精整完工LanzhouUniversityofTechnology2020/2/4（3）几种砂铸工艺1）湿型砂：粘结剂为膨润土。有一定的湿态强度，砂型退让性较好。造型生产效率高，成本低，便于中小件大批量生产。缺点是：铸件易产生气孔、夹砂、粘砂等缺陷，内在质量不高。多用于低压铸铁阀门。铸钢件阀门极少用。铸钢件湿型砂的配比及性能表序号配比（%）性能用途新砂旧砂膨润土碳酸钠糊精纸浆含水量%透气性AFS湿压强度KPa粒度组别加入量1101009/110.20.2/0.43.8/4.3100/20056/77小铸钢件用砂215505030.40.6/1.24/4.710050/75机器造型用砂干型砂：国家明令禁止要淘汰！！！LanzhouUniversityofTechnology2020/2/42）水玻璃砂以水玻璃为粘结剂。多采用CO2硬化（普通CO2硬化，VRH法，热CO2）气硬化法造型和造芯的各种优点，但存在型壳溃散性差，铸件清砂困难以及旧砂再生、回用率低的缺点。最大特点：成本低，发气性低。水玻璃CO2硬化砂配比及性能表：序号配比%性能用途新砂水玻璃碱溶液15-20%膨润土含水量%湿透气性湿压强度KPa硬化强度MPa粒度级别加入量1151008-90.74-54-5≥10025-30≥1.5大铸件2301006.5-7.54.5-5.5≥3005-15铸钢件型芯砂3211004-4.5LK-2溃散剂水0.4-0.6≤3.5≥150≥1.0LanzhouUniversityofTechnology2020/2/4普通水玻璃CO2法大件。水轮机球阀阀体，碳钢ZG230-400H重14T（东方电机）原砂采用28/55目95%石英砂加约1%粘土混匀,然后加人水玻璃混匀水玻璃比重控制在1.8-2.5，浓度在50-52度模数控制：夏秋2.2-2.4,冬春2.4-2.6混碾时间:干混2min,湿混8min湿透气性250,湿压强度0.07-0.15kg/cm2；干拉强度15kg/cm2（220~250℃烘干）LanzhouUniversityofTechnology2020/2/4VRH-CO2水玻璃砂工艺参数真空度:1995~2660Pa之间;水玻璃模数:2.05~2.20,密度:1.50~1.54g/cm3;水玻璃加入量:面砂2.5%~4.0%,背砂1.5%~2.5%;CO2用量:CO2吹气压力0.04MPa左右,延时90~140s问题：1）铸型强度及表面稳定性在VRH-CO2法中,日本工艺,面砂水玻璃加入量3.0。面砂在3.5%左右,背砂在2.5%左右,铸型强度及表面稳定性较好。气温对硬化有很大影响。2）溃散性问题比传统水玻璃砂溃散性有所提高。溃散性的大小与水玻璃加入量及开箱时间有关。一般控制在铸型温度＜200℃。3）阀体裂纹问题：薄壁与壁厚不均匀的大口径阀体易于产生裂纹。LanzhouUniversityofTechnology2020/2/4酯硬化水玻璃砂优点水玻璃加入量低(一般2.5%～3.5%),强度高。型砂工艺性能优良,冬季硬透性好,硬化速度通过粘结剂和固化剂种类的调整可调。型芯砂溃散性好,铸件出砂清理容易。旧砂易于干法再生,回用率≥80%。铸件质量和尺寸精度可与树脂砂工艺相似。型芯砂热塑性好,发气量较低,可防止铸件产生裂纹和气孔等缺陷。原砂的适用范围广,可以用硅砂、铬、铁矿砂或镁橄榄石砂等。在各种自硬砂工艺中,其生产成本低,工作环境好。问题：1）对水玻璃要求高，改性水玻璃研发，2）对气温敏感。LanzhouUniversityofTechnology2020/2/43）呋喃树脂自硬砂造型以呋喃树脂为粘结剂。固化剂为无机、有机或混合酸。流动性好，易于紧实；溃散性好，铸件的型砂易于清理；铸件尺寸精度高，表面光洁度好，可以大大提高铸件质量。缺点：对于原砂的质量要求高，生产现场有轻微的刺激性气味，而且树脂的成本也较高。呋喃树脂自硬砂混合料配比及混制工艺：原砂呋喃树脂加入量占原砂重量比固化剂加入量占呋喃树脂重量比硅烷加入量占呋喃树脂重量比100%1-2%30-50%0.1-0.3%树脂自硬砂最好采用连续式混砂机。各种原料的加入顺序如下：原砂+固化剂（对甲苯磺酸水溶液）-（120～180S）-树脂+硅烷-（60～90S）-出砂LanzhouUniversityofTechnology2020/2/41）树脂中加入0.3%的硅烷。2）固化剂的浓度为70~80%，加入量（占树脂）随室温与砂温而变。如室温、砂温在10~15℃，固化剂加入量为605；室温、砂温15~20℃，固化剂加入量为50%；如室温＜15℃，砂温可加热到20℃，固化剂加入量为50%。10in-300闸阀阀体，4