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摘要
简述了球墨铸铁吸沙泵的工作环境、用途及结构特点，详述了该吸沙泵泵体铸件的铸造难点及铸造工艺。在生产过程中，通过造型、制芯的工艺难点突破，选取合适的材质，采取适当的球化孕育处理工艺，生产出高质量的大型水泵类铸件，为同行业泵体铸件的生产提供参考。
吸沙泵主要起河道疏浚、清淤固堤作用，输送介质可达40%以上，在沿海围海造地等抽沙吹填工程中得到广泛使用。它主要由泵体、泵盖、叶轮、护板、托架和轴承组件等组成。由于电机采用油室密封方式，需要防止高压水和杂质进入电机内腔，所以吸沙泵铸件不得有疏松、缩孔缺陷。
该吸沙泵的泵体单重46 600 kg，外形尺寸为5 800 mm×3 480 mm×2 200 mm，主要壁厚为75 mm，最厚处达355 mm，材质为QT500-7。铸件上表面有一圈螺纹孔与泵盖配合，要求孔内不得有疏松缺陷。该铸件由于形状不规则且质量要求严格，铸造难度大，其三维结构见图1。经过工艺分析及评估，采用呋喃树脂砂+泡沫模具来进行铸型制作，泡沫模具也叫保利龙模具，以下简称保模铸造。图片
图1 泵体零件三维图
1 泵体保模铸造工艺方案
保模与木模有很大不同，在模具设计过程中不用考虑起模斜度和定位，只需增加机械加工余量和铸造收缩率即可。由于该泵体圆弧较多，模具制作过程复杂，先将模具分割成若干模块（用机床加工），再将各分块拼接在一起，组装好的模具尺寸精度高，但由于保模在造型时的砂型紧实度差，导致型腔表面光洁度较差，浇注时容易将砂粒带入型腔而产生夹砂。
1.1 模具工艺
保模与铸件形状完全相同，在零件图的基础上加上机械加工余量、铸造收缩率后制作模具。根据三维图将模具拆分为若干模块，一方面保证切割操作和节约泡沫板材，另一方面保证方便拼接组装，确保组装后模具的尺寸精度。泡沫板材通过“数控雕刻+电阻丝切割”两种方式进行下料制模，再粘接组装成泵体模具。制作好的模具刷两遍石墨涂料，涂刷方式采用刷涂，每次涂料厚度为0.2 mm。
1.2 工艺设计
本泵体轮廓尺寸大、铸件壁较厚且重量较重，采用底注双层阶梯式浇注系统（图2），局部重要部位使用外冷铁和内冷铁，防止内部缩松。利用设置冒口及排气孔保证补缩、排渣及排气。图片
图2 浇注系统布置图
1.2.1 浇注系统设计
通过对本铸件的形状以及内部结构分析，采用阶梯式浇注系统，分为上、下两层，下面浇注系统主要用于充型，上层横浇道主要用于缓冲，上层浇注系统的引进位置在距离铸件底面1 740 mm处，便于合模和下砂芯操作以及下芯后检验相关的壁厚尺寸。
铁液压头按照式（1）计算得出：
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式中：Hp为铁液压头，H箱为砂箱高度，H杯为浇杯高度，C为铸件高度，浇注时间按照式（2）计算得出：
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式中：t为浇注时间，GL为浇注重量。
A阻按照式（3）计算得出：
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式中：μ取0.4，ρ取7.3 kg/mm3，g为重力加速度9.8 m/s2。
采用三包浇注，每包A阻均可算出，A直=A阻/0.8，根据现场直浇道规格，得出修订后的A直，A横=A直×1.2，A内=A直×0.8，之后得出各浇道的尺寸。
1.2.2 冷铁设计
本泵体铸件壁厚较厚，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、石墨粗大缺陷，故需采用冷铁缩短其凝固时间。对于模数小于9 cm的铸件，一般采用铸铁外冷铁，而其中心厚度大于300 mm，故需使用成形内冷铁，使凝固时间控制在50 min以内，球化率达到80%以上。由于泵体与泵盖装配面需打一圈螺纹孔，不能有缩松，因此在此处放一圈外冷铁。在轴承安装处放置冷铁，避免缺陷产生。
1.2.3 冒口及排气设计
球墨铸铁件的缩孔体积，在普通砂箱条件下，要比灰铸铁件要大，故一般设置冒口。顶部选用6个Φ180 mm保温发热冒口套，均匀布置在轴承座端面上，通过保温材料的隔热效果，能够延缓冒口中金属液与砂型、空气等外部环境的传热，延长金属液的凝固时间，从而增强冒口对铸件的补缩作用。两个Φ140 mm普通冒口，放在便于加工找平的底脚上，用以补偿金属液冷却时产生的体积收缩，防止铸件产生缩孔、缩松，并兼有排气、集渣、引导充型的作用。
对于此厚大铸件，除了在筋条处开设出气通道，还在铸件顶部表面上的相应高点处设置排气通道，保证浇注初期就能及时将型腔内的气体排出。
2 造型工艺控制
树脂加入量为1.2%。首先将泡沫模具置于造型平台上，由于上下型对称，先造一箱，再造另一箱。选择四箱造型，这是便于在合型时，可以观察到每层砂芯的配合程度。共6副芯盒，内部放入芯骨填满树脂砂并捣实，其中一个最大砂芯为特制砂芯，在中心层处两个砂芯合并为一个砂芯。芯骨有两种，其中最大砂芯的芯骨采用铸造的方法铸出，其余砂芯芯骨为50mm×60mm焊接芯骨。砂芯外部刷锆英粉涂料，涂料的波美度为65~70。
最底层分型面使用木挡板、水玻璃砂、树脂砂围砂，中间分型面使用焊接挡板、水玻璃砂、树脂砂、角铁围砂，宽度方向两侧焊接防涨箱钢板。
3 球化孕育处理
球化处理是球铁铸件生产的关键工序之一，其处理工艺直接影响球墨铸铁的性能。球化剂采用DY-7F重稀土球化剂，加入量为1.05%，接种剂采用CALBALLOY接种剂，加入量0.4%，孕育剂采用YFY- 1A高效孕育剂，加入量0.15%，通过多次孕育的方式保证球化孕育效果。
由于泵体重量大，为得到所需要的性能要求，加强铁液抗衰退能力，对铁液进行预处理，出铁前加入0.4%的预处理剂，目的是为了增加形核核心，提高铁液的内在质量和流动性。出铁液时采用投掷方式，加入0.4%接种剂，浇注时采用随流方式，用放流斗加入0.15%孕育剂。
4 熔炼、浇注工艺控制
采用三包浇注，浇注时要求大流量快速不断流，浇注温度选择1 330~1 350℃。球化前铁液成分为3.4%~3.5%C、1.5%~1.6%Si、0.35%~0.45%Mn、P≤0.0 4%、S≤0.0 3%；球化后成分控制为3.2%~3.4%C、2.3%~2.5%Si、0.35%~0.45%Mn、P≤0.0 4%、S≤0.0 2%、0.6 5%~0.7 5%C u、0.035%~0.055%Mg残。浇注前放置4个10 t压铁，用钢管垫起。
5 冷却、开箱
浇注结束后，利用树脂砂良好的保温性和溃散性，让铸件在铸型内缓慢冷却，以达到消除应力时效退火的目的，根据厚大球铁铸件经验，浇注240 h后开箱落砂，去除顶部浇冒口系统。提前两天多次松箱，开箱温度控制在300℃以下。
6 铸件的力学性能及金相组织
生产的泵体铸件见图3。对试块进行金相和力学性能试验，试验结果见表1，金相组织结果见图4。要求抗拉强度420 MPa，伸长率5%，球化级别不低于3级，即球化率大于80%，实际试块满足要求。
表1 附铸试块的金相和力学性能数据
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图3 泵体铸件（与泵盖铸件组装在一起）
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图4 泵体附铸试块的金相组织
7 结论
通过对厚大球墨铸铁件泵体的首件制作，在生产过程中对浇冒口系统的有效性和合理性进行了验证，进一步完善了集充型、排气、集渣、补缩于一体的浇冒口系统设计，解决了厚大断面球铁容易产生缩孔、缩松等缺陷问题。对于泵体铸件，由于铸件壁厚较厚，凝固时间长，且铸件质量要求高，生产工艺上有很大难度，通过严格的工艺控制，选择合适的原材料，适当的球化孕育处理工艺及预处理技术，生产出了高质量的大型球墨铸铁泵体铸件。
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