编辑导语：介绍了高速冲床球墨铸铁圆盘铸件的化学成分、造型工艺、浇注系统与冷铁、球化与孕育处理、熔炼浇注等工艺方案。采用AnyCasting软件对充型和凝固过程的进行了模拟分析。通过生产验证获得了金相组织和力学性能满足要求的铸件。分析认为，对于冲床类铸件化学成分应控制碳当量4.0%~4.2%、硅2.1%~2.3%、锰≤0.5%，残余镁含量0.035%~0.055%，稀土0.01%~0.02%;采用多次孕育，选取钇基重稀土球化剂，缩短凝固时间;采用底注多内浇道分散设置，保证铁液充型平稳，冷铁加强关键部位冷却，减少缩松缺陷，提高铸件的组织致密度和力学性能。
圆盘铸件是高速冲床至关重要的部件，高速冲床的主体由飞轮圆盘组成，其周面上设有若干方槽，主要起减重作用，圆盘底部设有6个工艺孔，与筋板连接处为圆弧段，为了确保冲床冲压力度始终均匀，延长其使用寿命，圆盘不能变形。
圆盘毛坯质量38 000 kg，三维结构见图1所示，铸件总高度1 700 mm，圆盘外径4 800 mm，最大尺寸5 820 mm，主要壁厚为220 mm，轴承座孔根部壁厚最大，属于热节区域。圆盘材质为QT500-7，单铸试棒要求力学性能为抗拉强度大于420 MPa，屈服强度大于320 MPa，断后伸长率大于5%。铸件下表面有一圈螺纹孔，与盖配合，要求孔内无疏松缺陷。因铸件空腔面积大，铸造工艺困难。
球墨铸铁具有较大的氧化倾向，为保证铁液充型平稳防止湍流、减少夹渣和气孔等缺陷，大型铸件一般采用底注式、半封闭式浇注系统，另外圆盘铸件模数较大，理论上通过保证树脂砂砂型强度、加强铁液随流孕育等措施，可达到无冒口铸造。根据碳当量CE决定C和Si的含量，一般来说选择C含量为3.5%左右。P是正偏析元素，又是促进碳化物形成元素，含量应尽可能低，要求P≤0.02%。不同的S含量，所需的Mg残量是不同的，只有低的S含量才能保证在较低的Mg残含量(0.035%~0.055%)下获得2级以上的球化效果，一定要保证原铁液的S<0.015%，最好控制在0.01%以下。
消耗Mg类，如Ti、S、O、Te、Se等元素。消耗Mg或在石墨球长大过程中直接干扰Mg的球化作用;正偏析碳化物形成元素，如Mn、Cr、Mo、V、P等。对于大断面球墨铸铁来说，加入微量干扰元素(如Sb、Bi等)，不但对球化没有影响，还能增加石墨球数和球化率，消除碎块状石墨，一般加入量控制在0.005%~0.01%，因超过此含量，则其破坏球化的作用又表现出来。
采用呋喃树脂砂，三箱造型，分型方式如图2所示。浇冒口系统工艺设计示意图见图3。
为保证圆盘底面的材料致密性，同时使得铁液充型平稳，减少冲砂风险，将底面置于下箱，金属液通过内浇道从圆盘底面注入。为减少浇注系统与砂型的碰撞，使用随型横浇道。
大模数球墨铸铁的凝固时间长，常会降低石墨球化率，或导致石墨畸变、石墨漂浮、石墨粗大等缺陷，故需采用冷铁缩短其凝固时间。圆盘热节主要集中在底部，如图3所示，由于结构限制，不适合放置冒口，于是在工艺设计时，以冷铁为主，针对厚大断面球墨铸铁件的铸造，冷铁的使用非常关键，不仅可以加强冷铁附近区域铸件的冷却，改善金相组织，防止石墨衰退，另外在充型时，不断降低相接触铁液的温度，让铁液的液态收缩提前，从而得到浇注系统的及时补缩，尽量减小铸件在浇注系统凝固后的收缩量。
采用球墨铸铁大件工艺设计原则，浇注铁液的质量约为40 000 kg，最终选取的浇注系统各单元截面比例约为A直：A横：A内=1：1.2：0.8，用以保证铁液大流量、平稳。
厚大断面球墨铸铁件，因其球化衰退导致产生石墨畸变及碎块状石墨，数据表明Mg残含量提高至0.05%~0.07%，结果并不理想，Mg残含量的增加反而使球墨铸铁的缩松与夹渣废品显著上升。因此，厚大断面球墨铸铁最后凝固的球化衰退不能用Mg的逃逸衰退来解释，其主要原因是与球墨铸铁中的S含量有关，S含量越高球化衰退越快，反之越慢，因此将S含量控制在较低水平是抗球化衰退的重要措施，在保持一定的Mg残含量的情况下，将球化后S含量控制在0.006%~0.01%。对于圆盘铸件，采用冲入法球化。球化剂选用钇基重稀土球化剂，主要元素及加入量见表2所示。
厚大断面球墨铸铁件的多次孕育与中小球墨铸铁件孕育有3点不同：一是出铁孕育时孕育量大;二是浇包是20~60 t的大包，孕育后难以搅拌;三是浇注时由于铁液量多达几十吨，随流孕育难度大。孕育是防止厚大断面球墨铸铁石墨畸变、出现碎块状石墨的有效措施。孕育时需要注意两个问题：一是原铁液中S的含量不能过低，应大于0.006%，铁液中O的含量不能过低，应大于0.001%，否则影响孕育效果;二是控制Si总的含量不可过高，因为球化剂中的Si含量一般为45%左右，孕育剂中的Si含量大于70%。采用多次孕育处理，选用含Ba高效投掷孕育剂和长效随流孕育剂，主要元素及加入量见表3所示。
低温浇注能缩短厚大球墨铸铁件凝固时间，改善其石墨形态，在实际生产中，为了获得低的浇注温度而又不至于加长铁液保持时间引起孕育衰退，采用倒包等措施使铁液快速降温。圆盘的熔炼温度控制在1 500~1 550 ℃，过热静置5~8 min，净化铁液，出炉温度控制在1 430~1 460 ℃，为缩短凝固时间，同时减小液态收缩，可适当降低浇注温度，但过低的浇注温度不利于铁液中的夹渣和气体等上浮，甚至形成冷隔，因此综合考虑将浇注温度定为1 300~1 330 ℃。
采用AnyCasting软件对铸造工艺进行充型和凝固过程的模拟，模拟结果显示铁液进入型腔后，充型无较明显飞溅，较为平稳;充型40%时，铸件内铁液平均速度为51 cm/s，趋于平稳，无冲砂风险;充型结束时，氧化夹杂风险降低;铁液温度下降50 ℃，温差较小，无冷隔风险。
图4为充型顺序的仿真结果，从图中可以看出，金属液充填12 s时，内浇道进水口处存在孤立液相岛，有喷溅倾向，此处与内浇道末端时间相差24 s，较为安全。充型43 s时，铁液到达型腔各位置时间较为均匀，充型平稳。
(a)金属液充填12s时的模拟结果 (b)金属液填充43s时的模拟结果
图5为充型速度场的仿真结果，从图中可以看出，充型14%时，内浇道进水口处速度160 cm/s，速度适中，充型40%时，铸件内平均速度为51 cm/s，速度趋于平稳，无冲砂风险。
(a)充型14%时的速度场 (b)充型40%时的速度场
图6为充型过程中氧化物的仿真结果，从图中可以看出，充型17%时，轴承座孔工艺台氧化物含量4.2 g/cm3，存在氧化夹杂风险，充型结束时，铸件上表面氧化物含量3.58 g/cm3，氧化夹杂风险降低。
(a)充型17%时的氧化物 (b)充型100%时的氧化物
图7为充型温度场的仿真结果，从图中可以看出，充型至26%时铁液温度下降30 ℃，充型结束时铁液温度下降50 ℃，温差较小，无冷隔风险。
(a)充型26%时的温度场 (b)充型100%时的温度场
按照上述工艺过程进行试制，获得铸件的化学成分、力学性能和组织的检测结果见表4、表5和图8。
(a)腐蚀前金相
试验结果显示，附铸试块性能达到技术要求，首件经机加工验证无缺陷，铸件成品如图9所示，并通过工艺过程评定后，最终对其铸造工艺进行固化。
(1)对于冲床球墨铸铁圆盘铸件，合适的化学成分(质量分数)为碳当量4.0%~4.2%、硅2.1%~2.3%、锰≤0.5%，残余镁含量控制在0.035%~0.055%，稀土元素控制在0.01%~0.02%。(2)采用多次孕育，选取钇基重稀土球化剂，出炉温度控制在1 430~1 460 ℃，缩短凝固时间，可以改善石墨球分布及形态。(3)针对大型球墨铸铁件，尽量采用底注多内浇道分散设置，保证铁液充型平稳，冷铁加强关键部位冷却，消除或减轻缩松缺陷，提高铸件的组织致密度和力学性能。
