阀门铸件的常见缺陷分析与改善

颂德歌功

        阀门铸件是铸件中的主导产品之一，市场年需求量很大。但由于生产原料涨价，使生产成本大幅提高；生产效率相对其他铸件来说较低及废品率较高等因素，严重影响了阀门铸件的产出。某厂2005年生产阀门铸件2000多t，综合废品近170t，废品率8％以上。我们通过对该厂阀门铸件产生缺陷的情况进行数据分析，找出了主要的致废原因，并对其进行系列改善，取得了良好效果，确保了阀门铸件生产的合格率，提高了产品质量。

1、改进前阀门铸件废品情况统计

2005年，某厂生产阀门铸件2083.05t，内废率为3.54％、外废率为4.58％。造成阀门铸件废品的缺陷类型统计为内费和外废

      造成阀门内废的缺陷相对比较集中，主要缺陷是砂眼、夹砂、渣孔和气孔，共产生废品60.79t，占内废总量的82.44％。
　　造成阀门外废的缺陷相对比较分散。主要缺陷有缩孔、缩松、砂眼、夹砂、渣孔、气孔和尺寸不良，共产生废品75．46t，占外废总量的79.10％。
　　从表1和表2综合来看，造成阀门废品的主要原因是缩孔、缩松、渣孔、砂眼、夹砂和气孔，合计致废149.04t，占废品总量的88.17％。
　　

2、废品主要缺陷的成因分析

1.气孔   

        这是金属凝固过程中未能逸出的气体留在金属内部形成的小空洞，其内壁光滑，内含气体，对超声波具有较高的反射率，但是又因为其基本上呈球状或椭球状，亦即为点状缺陷，影响其反射波幅。钢锭中的气孔经过锻造或轧制后被压扁成面积型缺陷而有利于被超声检测所发现。   

  2.缩孔与疏松   

        铸件或钢锭冷却凝固时，体积要收缩，在最后凝固的部分因为得不到液态金属的补充而会形成空洞状的缺陷。大而集中的空洞称为缩孔，细小而分散的空隙则称为疏松，它们一般位于钢锭或铸件中心最后凝固的部分，其内壁粗糙，周围多伴有许多杂质和细小的气孔。由于热胀冷缩的规律，缩孔是必然存在的，只是随加工工艺处理方法不同而有不同的形态、尺寸和位置，当其延伸到铸件或钢锭本体时就成为缺陷。钢锭在开坯锻造时如果没有把缩孔切除干净而带入锻件中就成为残余缩孔（缩孔残余、残余缩管）。   

  3.夹渣   

        熔炼过程中的熔渣或熔炉炉体上的耐火材料剥落进入液态金属中，在浇注时被卷入铸件或钢锭本体内，就形成了夹渣缺陷。夹渣通常不会单一存在，往往呈密集状态或在不同深度上分散存在，它类似体积型缺陷然而又往往有一定线度。   

  4.夹杂   

        熔炼过程中的反应生成物（如氧化物、硫化物等）-非金属夹杂，或金属成分中某些成分的添加料未完全熔化而残留下来形成金属夹杂，如高密度、高熔点成分-钨、钼等。   

  5.偏析   

        铸件或钢锭中的偏析主要指冶炼过程中或金属的熔化过程中因为成分分布不均而形成的成分偏析，有偏析存在的区域其力学性能有别于整个金属基体的力学性能，差异超出允许标准范围就成为缺陷。   

  6.铸造裂纹   

        铸件中的裂纹主要是由于金属冷却凝固时的收缩应力超过了材料的极限强度而引起的，它与铸件的形状设计和铸造工艺有关，也与金属材料中一些杂质含量较高而引起的开裂敏感性有关（例如硫含量高时有热脆性，磷含量高时有冷脆性等）。在钢锭中也会产生轴心晶间裂纹，在后续的开坯锻造中如果不能锻合，将留在锻件中成为锻件的内部裂纹。   

  7.冷隔   

        这是铸件中特有的一种分层性缺陷，主要与铸件的浇铸工艺设计有关，它是在浇注液态金属时，由于飞溅、翻浪、浇注中断，或者来自不同方向的两股（或多股）金属流相遇等原因，因为液态金属表面冷却形成的半固态薄膜留在铸件本体内而形成一种隔膜状的面积型缺陷。   

  8.翻皮   

        这是炼钢时从钢包向锭模浇注钢锭时，因为浇注中断、停顿等原因，先浇入的液态金属表面在空气中迅速冷却形成氧化膜，在继续浇注时新浇入的液态金属将其冲破翻入钢锭体内而形成的一种分层性（面积型）缺陷，它在后续的钢锭开坯锻造中是无法锻合消除的。   

  9.各向异性   

        铸件或钢锭冷却凝固时，从表面到中心的冷却速度是不同的，因而会形成不同的结晶组织，表现为力学性能的各向异性，也导致了声学性能的各向异性，亦即从中心到表面有不同的声速与声衰减。这种各向异性的存在，对铸件超声波检测时评定缺陷的大小与位置会产生不良影响。

3、改进措施

　　(1) 熔化设备对铁液成分的保障能力较差和混砂设备的稳定性不好。铁液成分受焦炭、炉型、风量、原料状况等多种因素制约；树脂砂受温度、树脂和酸加入量等因素影响。如砂子经常不经过再生和冷却床，使砂子温度很高，严重影响了砂型强度，导致铸件胀砂严重，增加了铸件产生缩孔、缩松缺陷倾向。
　　(2)型腔中的散砂和浇注过程中铁液的冲击直接导致砂眼和夹砂缺陷。
　　(3)铁液在熔化设备中总会有渣生成，浇注时铁液中的固态和液态渣随铁液一起进入型腔形成渣孔。
　　(4)在生产过程中，铁液中的氮含量随着温度的升高而增加，随着碳当量的提高而降低，当氮和氢在一起时，便容易形成气孔，这是气孔的主要来源。
　　(5)模底板刚性较差，造型前放置不平而变形，导致砂型分型面不平，合型时上下型分型面处间隙较大，造成分型面处尺寸、形状不良。
　　(6)2.2m阀体支脚处砂芯在浇注过程中向下漂移，是支脚处上下壁厚不均的主要原因。
　　

　　根据阀门铸件缺陷的成因，我们主要从以下几个方面采取了改进措施：

　　(1)适当提高铁液碳当量，利用石墨化膨胀增强材质的自补缩能力。
　　(2)舂箱时保证型砂的紧实度，提高砂型强度，促进铸件自补缩能力。
　　(3)合型前将型腔内的散砂吹干净，并对型腔内进行仔细检查。
　　(4)现场浇注后遗留下未浇注的阀体砂型，其浇口杯和出气孔要盖严实，防止散砂进入。
　　(5) 浇注前将铁液表面的固态渣清干净；提高铁液初始浇注温度，降低铁液产生二次氧化渣的倾向；阀门铸件尽量安排在开炉后初期浇注，减少包衬在多次使用后产生大量的稀薄渣；针对610mm(24in)F体阀门，对于横浇道搭接处，结合浇注时的其他参数，在进出口处均安置过滤网，并将多片搭接式纤维过滤网改进为单片式，以提高浇注系统的挡渣效果。

　　(6)原料尽量使用碳钢、普通灰铸铁或球墨铸铁回炉料；降低铁液中的合金元素如Cr、Mn等含量，减少铁液自身含气量；将下芯前的砂芯全部架空刷涂料且限期存放，以防砂芯吸潮；在阴雨天或湿度较大的季节，下芯前最好用喷灯将型腔、砂芯表面烘烤一遍，以减少砂型发气量；采用高温浇注小阀门，以利于铁液自身排气和减少铸渣产生。
　　(7)浇注1067mm(42in)F体阀门时，要求在固定混砂机前的同一个底板上舂上、下型，且底板上不得有任何杂物；不允许在别的地放，以减少变差来源；禁止将砂型和模底板一起吊运，防止底板产生变形。
　　(8)浇注2.2n，阀体时，在支脚砂芯的芯头上放适量的树脂砂，并尽快合型。
　　　　
　　采取上述改进措施后，全年共生产阀门2413.78t，内废率为1.15％、外废率为1.73％，综合废品率为2.88％。阀门铸件改进前与改进后产生的废品率相比，内废率下降了2.39个百分点，外废率下降了2.85个百分点，综合废品率下降了5.24个百分点，效果显著。