大型球磨机巴氏合金轴瓦铸造工艺中的主要问题探讨

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  摘要:球磨机是物料粉碎的关键设备,由于大型球磨机具有低速重载的特点,对轴瓦的性能要求很高。巴氏合金具有良好的化学稳定性和抗咬合能力、顺应性,以及很小的摩擦系数,容易加工熔炼,是一种优秀的软质耐磨合金,使用巴氏合金铸造轴瓦可以很好的满足生产工作的要求。本文对大型球磨机巴氏合金轴瓦铸造工艺中的相关问题展开探讨,分析如何对轴瓦铸造工艺进行优化和改进,提升轴瓦加工铸造的效果。
  关键词:大型球磨机;巴氏合金轴瓦;铸造工艺;工艺优化
   中图分类号:TG249.4                                    文献标识码:A                                  文章編号:1674-957X(2021)11-0042-02
  0  引言
  在矿山、冶金机械等行业领域,虽然近年来锌基、铜基轴承合金的研究越发深入,应用也越发广泛,然而巴氏合金因其良好的性能和易加工的特点,依然在大型球磨机轴瓦铸造中占据重要地位。巴氏合金轴瓦的铸造工艺直接影响轴瓦质量,关系到球磨机设备的稳定安全运行,在实际生产加工过程中,往往会出现局部脱瓦等问题,需要对原有工艺进行持续改进和优化,提升巴氏合金轴瓦的加工性能。
  1  巴氏合金轴瓦铸造工艺模拟
  大型球磨机设备载荷的特点是低速重载,往往伴有一定的冲击性,对轴瓦性能提出了很高的要求。巴氏合金轴瓦在铸造过程中,可能出现由于轴瓦本体壁厚不均,巴氏合金的凝固过程并非按顺序凝固方式,往往会在铸件壁厚较厚部位形成缩孔,影响合金浇铸的品质。为了改善巴氏合金铸造的性能,可以利用数值模拟技术,对巴氏合金轴瓦铸造的过程进行模拟分析,预测可能出现的问题,为工艺改进提供科学依据,从而科学制定铸造工艺方案,缩短工艺调试周期,降低工艺优化投入的时间和成本。
  1.1 工艺模型
  大型球磨机巴氏合金轴瓦的原始工艺采用两件联铸的方式,两半轴瓦凝固过程一致,可以只研究半轴瓦的凝固过程来掌握轴瓦铸造过程中存在的客观规律。
  借助三维造型软件,将巴氏合金轴瓦工艺图转化为三维图,建立工艺模型,将相关的参数数据导入华铸软件,对轴瓦凝固过程进行模拟,预测铸造过程中可能出现的问题,为工艺优化提供依据。
  1.2 温度场模拟
  模拟软件包括前处理、计算分析和后处理三个模块。前置处理对工艺模型进行网格剖分,在确保最薄处有两个网格的基础上确定剖分网格大小,避免形成完全面接触或完全线接触网格。例如巴氏合金轴瓦工艺尺寸最小厚度为42.5mm,采用10mm为网格大小尺寸。
  计算分析模块对轴瓦铸件凝固温度场进行模拟分析,先设置温度场的物性参数和界面参数,根据巴氏合金轴瓦制造要求设置环境温度、液相线温度、固相线温度、合金凝固系数、辐射系数、运动粘度等参数数据,以及计算界面的铸件/空气、铸件/铸型、铸件/冷却通道、空气/铸型、空气/冷却通道、铸型/冷却通道等参数。初始温度分布均匀后进行计算,每分钟对铸件各单位温度分布数据进行存储,50min后结束计算。
  后置处理的任务在于将计算分析的数据结果进行图形处理,实现可视化展示,便于直观观察凝固过程中的温度场分布等情况,判断铸件可能出现缩孔等缺陷的位置和分布特点,为后期工艺改进提供直接的依据。
  2  巴氏合金轴瓦铸造工艺分析
  巴氏合金以锡或铅作为基体,悬浮锑锡和铜锡的硬晶粒,和铅基合金相比,锡基合金拥有更好的热胀性和耐蚀性,适用于高速轴承的生产制造。大型球磨机的转速较低,对锡基合金的要求并不高,无论是锡基还是铅基合金都能满足需求,且锡基合金价格较高,通常选用铅基合金。巴氏合金轴瓦铸造工艺大体可以分为准备阶段、合型、合金熔化、合金浇注和验收五个环节。
  2.1 准备工作
  在巴氏合金轴瓦铸造的准备阶段,需要采取清洗、预热、涂挂锡衬等准备措施,确保铸件清洁,符合铸造加工的要求,避免存在质量隐患问题,影响铸造加工效果。
  清洗工作主要是对轴瓦本体进行清洁处理,采用砂轮打磨方式去除轴瓦内孔表面上的氧化皮、污垢;采用碱洗的方式,使用煮沸的氢氧化钠溶液反复刷洗瓦面,去除瓦面上残留的油污,再使用清水冲洗掉瓦面上的残留碱液;用低浓度的工业硫酸或盐酸,对瓦面进行冲洗后,再使用热水反复清洗;对不挂锡部分涂刷糖浆石英粉保护剂,对螺孔位置使用石棉绳堵死。通过这些方式,将轴瓦内孔表面上的污染物清除干净,确保瓦面清洁,为后续制造奠定良好的基础。
  在清洗作业完成后,需要把清洁干净的轴瓦放到电炉中预热。预热温度的设置需要考虑合金性质差异,以锡为主的锡衬零件的预热温度控制在270-300摄氏度,以铅为主的锡衬零件温度可以酌情降低到230-260摄氏度。如果使用远红外烘干炉预测,电热管功率不足,达不到设定温度,可以增设电阻丝补充加热,满足加热工艺的规范要求。
  在预热完成后,即涂刷熔剂,熔剂由氯化锌、氯化铵、氯化锡和水组成,使用玻璃干燥器配制,一般每平米瓦面控制用量在5kg左右。涂擦熔剂后,需要及时涂擦锡条挂锡,挂锡时要尽量薄且均匀,避免残留过多锡在瓦面上,锡衬厚度尽量控制在0.1-0.3mm即可。挂锡后温度如果过低,需要重新放进电炉内预热,控制温度到250摄氏度以上,方可合型。
  2.2 合型
  合型工艺要求轴瓦浇注的型腔必须做好密封措施,避免出现合金泄漏的问题。通常需要先将预热后的轴瓦本体放到工作台上作下型,薄钢板制成弧形的上型,侧面使用石棉板封挡,外侧使用厚钢板压实严密,并使用螺栓将钢板紧固,对缝隙部位使用石棉绳封堵,避免合金跑漏。   由钢板制造的半圆形有退刀槽和斜浇口,还有底板和靠板的成型模具,在模具靠板两端存在两个脱模用的孔。装配前在模具表面涂刷糖浆石英粉,确保焊缝等部位涂刷平滑均匀。在组装过程中,要注意零件、模具、接触面使用石棉绳填平压紧,并在四周用石棉绳堵牢。
  2.3 合金熔化
  在电炉中进行合金熔化作业,使用木炭覆盖住上面,避免氧化。使用的工具均涂刷涂料,进行烘干。锡基合金熔化温度在480-520摄氏度,铅基合金熔化温度在420-460摄氏度。考虑到气候因素,在夏季可以采用最低温度,而在冬季应选用最高温度进行熔化。由于巴氏合金铸造划分为冷加工,巴氏合金铸造过程中的操作人员可能由于对合金冶炼工艺不了解,直接把巴氏合金熔器放在焦炭炉上熔化,没有在液面上加覆盖剂,工具没有刷涂料并烘干,影响轴瓦铸造质量。因此,应改用电炉熔炼,在合金熔化后使用精炼剂进行精炼,如果存在返炉料还需要二次精炼,第一次精炼在熔炼后5min,第二次精炼建议在浇注下5min,精炼剂用量控制在巴氏合金總量的万分之一到万分之二。在浇注作业前,需要捞干净熔炼合金作业过程中产生的渣子。
  2.4 合金浇注
  巴氏合金的熔点不高,浇注作业需要根据轴瓦的大小选择浇包的数量,通常小瓦浇注可以只使用一个浇包,而大瓦可以同时两个浇包在同侧浇注。如果不在同侧浇注,可能导致气体不易排出,影响浇注作业质量,同时,在浇注过程中应使用涂刷有涂料的铁棒挡渣。
  在浇注作业过程中,为了提高作业效率,加快合金的凝固过程,提高瓦背与合金层的粘合强度,在浇注满后应用经过预热的铁棒缓慢搅动合金液体,使合金液体呈现粥状。同时,可以在作业时向瓦背空腔注入冷水,最初出水孔会产生大量热蒸汽,等到水流出后可以停止注入冷水。或是在瓦背用吹风冷却,也可以加快粘合效率。
  2.5 验收
  铸造加工完成后,需要对巴氏合金轴瓦质量进行验收。在颜色上,以淡黄色为合格标准,暗银色最佳。用铁棒敲击瓦背,声音脆亮为合格,不存在杂音,表明没有脱瓦或缩孔问题,如果声音沙哑且存在严重杂音,说明存在局部脱壳现象,没有熔焊牢固,需要修补甚至重新浇注。
  3  巴氏合金轴瓦铸造工艺控制
  3.1 模拟结果分析
  轴瓦是圆筒形构造,中间部位的筒壁较薄,上下两端法兰结构厚大,铸造工艺会在法兰结构部位形成热节。通常筒壁会先于两端凝固,两端热节处的液态合金无法得到补缩,形成缩孔和缩松。采用水冷方式,可以加快合金液体的凝固,减少热节处液态合金的量,减少缩孔。然而水冷也提前阻断对底部热节的补缩通道,当阻隔补缩通道后水冷时间延长无法改善热节处的缩孔体积。结合模拟软件的测试结果,在水冷时不能时间太短,不然难以起到对铸件底部的强化冷却作用,可能导致缩孔等问题。同时也不能水冷时间过长,无法对凝固效果提供帮助,还会增加资源的浪费。因此,单纯依靠水冷无法彻底消除缩孔和缩松的问题。
  巴氏合金轴瓦铸造工艺浇注过程中会形成一个顺序凝固,可以发挥冒口的补缩作用。然而,调节水冷时间和流速无法完全达到这一效果,需要根据铸件结构和工艺特点,在铸型底部放置下冷铁强化下端法兰结构部位的凝固,形成由下而上温度升高的温度场,实现自下而上的顺序凝固。采用外冷铁工艺,理论上可以消除孤立液相,避免缩孔和缩松的形成,然而实践过程中发现仍存在缩孔和缩松现象,原因在于巴氏合金自身的特性,需要结合合金材料的密度偏析特点,加快热节处冷却速度,缩短合金液体冷却时间,在液态合金进入型腔后来不及产生密度偏析就开始凝固。
  3.2 铸造工艺优化
  第一,巴氏合金轴瓦铸造工艺中,巴氏合金与瓦背的粘合是至关重要的环节,需要形成一个连续且成分渐变的合金层,保证机械性能逐渐变化,避免因突然变化而形成应力集中问题。因此,做好准备阶段的清洗等工作,保证轴瓦本体清洁,严格控制碱洗、酸洗和挂锡工艺,对于铸造质量具有重要影响。
  第二,可以在瓦背内侧开燕尾槽,增加巴氏合金与瓦背的粘合表面,提高粘合强度。同时,还可以采取其他的机械方法来增加粘合性能。
  第三,合理的浇注温度应考虑合金液相线温度,温度过低会导致流动性差,充型能力下降,合金液中的渣子和气体难以上浮,而温度过高会导致过氧化。如果采用铅锡混合焊锡的挂锡方式,可以适当提高温度,使底锡与巴氏合金均匀混合。而如果是纯锡,应尽量调低浇注温度。同时,还应考虑季节气候等因素的影响。浇注作业过程中,如果温度偏低达不到要求,可以使用乙炔焰烘烤瓦背,并确保冒口部位最后凝固。
  第四,冷却从瓦背开始,结晶会沿着瓦背垂直方向出现,可以使结晶粘在粘合层,从而形成牢固的中间层,便于合金液中的渣子和气体上浮,提高衬层合金质量。而冷却速度会对晶粒大小造成影响,快速冷却可以避免大结晶或严重的偏析问题,但过快冷却导致合金层的温差显著,可能导致合金组织不致密,补缩不容易,因此需要多次尝试,得出最佳的冷却速度。
  4  结语
  综上所述,大型球磨机轴瓦铸造需要严格把控清洗作业、浇注温度、冷却速度、凝固顺序等关键环节,相比来说,水冷方式优于一般的风冷或空冷。在巴氏合金轴瓦的铸造工艺中,可以采用水冷和放置冷铁的方式,合理控制冷却速度和冷却时间,并科学设定浇注温度等工艺参数,确保铸造质量。
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