摘要：刀闸阀铸件结构复杂，壁厚分布不均匀，理论上容易产生热应力变形缺陷；铸件内腔毛坯尺寸公差为CT7，普通手工树脂砂造型工艺很难满足此公差要求。在采用平作立浇工艺、激冷覆膜砂制芯、控制铁液浇注温度和化学成分等措施的基础上，研究了铸件收缩量和浇注温度、铸件壁厚的关系。铸件收缩量与浇注温度成反比，与铸件壁厚成正比例关系。根据研究结果采取针对性改进措施，有效地解决了铸件变形问题，保证铸件内腔尺寸公差满足图纸设计要求。
关键词：刀闸阀；阀体；铸铁件；树脂砂手工造型 灰铸铁刀闸阀铸件变形问题的解决

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Solving of Deformation of Grey Iron Knife Gate Valve Body Casting
Abstract： Knife gate valve body casting has complicated structure and big difference in wall hickness. Thermal deformation defect is easy to occur in theory. Casting inside cavity tolerance isCT7, which is difficult to achieve by normal resin bonded sand hand molding method. Based onhorizontal molding and vertical pouring technology, chilling resin coated sand core making, pouring temperature and chemical composition controlling, etc, relationships between casting contraction and pouring temperature & casting wall thickness were studied. Castings contraction is in inverse proportion to pouring temperature while direct proportion to wall thickness. The deformation defect was effectively solved according to above conclusion. Casting inside cavity tolerance can meetdesigning requirements.
Key words：knife gate valve; valve body; iron casting; resin bonded sand hand molding

    刀闸阀铸件，材料为HT250，铸件质量30 kg，轮廓尺寸为520 mm×372 mm×148 mm，大壁厚78 mm，小壁厚10 mm，铸件结构及尺寸见图1。阀门工作时，闸板在宽度方向上通过盘根与阀体配合以起到密封作用。为保证阀体关闭时的密封要求，图纸要求腔322 mm公差为（0，1.5 mm），相当于EN ISO 8062CT7级。铸件采用树脂砂手工造型、热芯盒制芯及3 t中频炉熔炼工艺生产。铸件精加工后用三坐标检测内腔尺寸。
1 改进前的质量问题
     由于内腔尺寸公差等级高，铸件内腔尺寸极容易超差，尺寸超差有两种结果：①内腔尺寸小于下公差，装配时闸阀闸板无法安装到位，阀体直接报废；②内腔尺寸大于上公差，装配时阀板比较容易安装，但阀体密封性水压测试时，压力上升到12 bar时，阀体泄露，不能满足密封性检测要求。出现该缺陷后，曾试着从改变内浇道引入方式、内腔芯盒采取反变形等各种方式来解决，但并没有达到预期效果；采取纯数理统计的方法，寻找铸件变形规律，从而采取改进措施的方式也未能凑效，整个试制过程长达数年，铸件合格率在10%左右。2010年共测量15件，三坐标测量的铸件内腔尺寸见表1。铸件尺寸全部超差，这些数据在阀体中的测量位置如图2所示。

   分析这些数据发现，在图2所示的测量位置范围内，铸件内腔尺寸（322 mm） 要么两头小中间大，要么两头大中间小，呈无规律性的变化。
2 内腔变形问题质量改进方法
2.1 铸件内腔变形问题原因分析
    液态合金在凝固和冷却过程中，在固态收缩阶段（从凝固终止温度Ts到室温间的收缩） 铸件体积收缩随温度下降呈线性关系。这个关系决定了铸件的“缩尺”大小。铸件体积随温度变化曲线见图3[1]。
   该阀体壁厚差异较大。内腔砂芯轮廓尺寸为460 mm×322 mm×14 mm。阀体部位（壁厚78 mm）与法兰部位（壁厚20 mm） 通过壁厚为10 mm的空腔相连接。由于铸件结构的复杂性，造成铸件各部分冷却速度不同，线收缩程度大小各异。而常规铸造工艺设计时采用同一个缩尺的方法不能满足CT7的要求。所以，该问题需要从研究浇注温度和壁厚对铸件收缩量的影响程度方面来解决。
2.2 工艺改进过程及结果分析
2.2.1 工艺改进过程简介
     为研究浇注温度对铸件收缩量的影响，在试制时，首先选择恰当的铁液化学成分，保证碳当量在4.20%~4.40%，共晶度在0.90~1.05，这样的成分在保证流动性同时，又降低了铸件的缩孔倾向。有资料表明，对于树脂砂铸件，铸件缩孔量随共晶度的不同，其值在4%~0.5%范围内变化，见图4[1]。
      其次，采用平作立浇和激冷覆膜砂制芯工艺，缩短铸件浇注时间，平衡铸件冷却时温度场分布。为此，工艺上将内浇口从原壁厚78 mm部位移到薄壁10 mm处；内腔芯采用北京某公司生产的激冷高强度低发气覆膜砂，这种砂具有较好的激冷性能，能在一定程度上起到替代冷铁的作用。使用该种覆膜砂可避免铸件缩松或晶粒粗大现象，提高铸件质量和成品率。
     再次，在铸件炉号的基础上，增加浇注序列号。现场浇注时，在浇包内用KW-602型钨铼快速热电偶测温枪测量并记录每个铸件的实际浇注温度。采用上述方法，共浇注了3件铸件，铸件抛丸打磨后，用游标卡尺测量得到数据见表2。工艺改进结果分析利用表2的数据，可以得到铸件在不同位置的浇注温度与缩尺之间的关系，见图5。
   分析图5缩尺和浇注温度之间的关系曲线，可以得出：①铸件收缩量和浇注温度成反比例关系，浇注温度越高，铸件收缩量越小（表2，浇注温度1 352 ℃时缩尺平均值为1.20%，1 418 ℃时缩尺平均值为1.10%。激冷覆膜砂在1 000℃时的热膨胀率为0.9%~1.2%，浇注温度越高，砂芯膨胀量越大，相应地铸件内腔尺寸变大，铸件收缩量变小）；②铸件收缩量和铸件壁厚成正比例关系，铸件壁越厚，铸件收缩量越大（表2，厚壁处81#和83#尺寸收缩量大，平均值超过1.20%；薄壁处82#尺寸收缩量小，平均值为1.01%）。根据铸件尺寸的偏差倾向来选择浇注温度范围，在不修理热芯盒金属模具的情况下，达到满足图纸设计要求的目的。表2中82#尺寸均超过公差上限323.5 mm，其他尺寸在公差范围322~323.5 mm之内。采用图5的分析结果，选择1 350 ℃至1 380 ℃的较低浇注温度，铸件收缩量会变大，铸件尺寸相应地变小至满足图纸公差要求范围内。
2.2.3 工艺改进结果重复性验证
采用与试制时相似工艺条件，在1 350 ℃至1 380 ℃的浇温范围内，重新浇注了4件。测量铸件尺寸得到表3数据。
第2批测量数据与第1批数据具有很高的重复性。证明了试制阶段结论的正确性：82#尺寸的缩尺由表2中的大1.06%增大到1.07%，铸件大值由表2的324 mm减小为323.78 mm。其他尺寸均在公差范围322~323.5 mm之内。考虑到现场浇注过程中，1 350~1 380 ℃温度控制的难度及不同季节气温对浇注温度的影响，在此阶段，对热芯盒金属模具82#尺寸作了反变形处理，修改模具后转入正常批量生产，铸件尺寸满足图纸公差要求。
3 结论
（1） 对于铸件质量为30 kg，尺寸为520mm×371mm×148 mm的灰铸铁闸阀类铸件，采用树脂砂手工造型、覆膜砂热芯盒射芯、中频电炉熔炼工艺可以满足铸件尺寸CT7公差要求。
（2） 对于壁厚差异大，结构较为复杂（2） 对于壁厚差异大，结构较为复杂的刀闸阀类铸件，铸件收缩量与浇注温度成反比例关系，与铸件壁厚成正比例关系。
（3） 对于刀闸阀类铸件，采用平作立浇工艺、激冷覆膜砂制芯、控制浇注温度及铁液化学成分等措施可有效消除铸件热应力变形问题。
参考文献：
[1] Staf henderieckx. Volume acc to temperature for ferrous metals. doc