船用球鐵活塞裙的鑄造工藝研究

嚴 杰，查明暉，程鳳軍，王根龍

（南車戚墅堰機車車輛工藝研究所有限公司，江蘇 常州 213011）

L21/31球鐵活塞裙是我公司重點開發(fā)的一類船用活塞裙。該產(chǎn)品對材料和鑄件毛坯質(zhì)量的要求特別高，采用QT700-2制作。鑄件毛坯需要進行全表面磁粉探傷和指定重要部位的車削剝層實驗，鑄件內(nèi)部不允許有任何鑄造缺陷。鑄件厚大鋼頂部位需要進行本體性能和金相檢驗，要求其抗拉強度大于700MPa，延伸率大于2%，球化率2級，珠光體含量大于90%，碳化物含量小于5%。

1 鑄造工藝研究

1.1 澆注系統(tǒng)設(shè)計

活塞裙屬于圓筒類零件，其三維示意圖如圖1a）所示。裙體中安裝鋼頂?shù)牟课皇钦麄€鑄件的最重要部位，同時也是鑄件的最厚大部位，根據(jù)客戶的相關(guān)技術(shù)要求，需對該部位進行剝層車削和本體取樣實驗，車削范圍如示意圖1b）所示。

根據(jù)鑄件的結(jié)構(gòu)特征和技術(shù)要求，對鑄造澆注系統(tǒng)工藝提出了以下幾點要求：

1）保證鑄件的重要厚大部位不能出現(xiàn)縮松縮孔缺陷，且本體力學(xué)性能滿足客戶的技術(shù)要求；

2）該澆注系統(tǒng)還必須具備良好的排渣、排氣功能，確保鑄件內(nèi)部和外表面沒有夾雜、砂孔和氣孔等缺陷；

3）操作要相對簡單，符合大批量生產(chǎn)的要求。

針對上述的要求，最終決定采用橫做豎澆，三箱造型的方式，將鑄件鋼頂部位置于澆注位置的最頂部，頂雨淋澆注系統(tǒng)加本體環(huán)形冒口的工藝方案，同時為了保證本體力學(xué)性能和金相組織達到要求，厚大部位、重要部位放置成型冷鐵。這種澆注系統(tǒng)具有以下優(yōu)點：

圖1 活塞裙示意圖

①雨淋澆注系統(tǒng)截面比A直∶A橫∶A內(nèi)近似為3∶8∶4，橫澆道（又稱雨淋環(huán)）是橫截面最大單元，與雨淋內(nèi)澆口呈封閉狀態(tài)，這樣可以保證橫澆道從開始澆注時一直處于充滿狀態(tài)。金屬液由頂部的雨淋小孔分為多股細流連續(xù)均勻地注入鑄件型腔，對型腔的沖擊力小，同時上升的液面一直處于活躍狀態(tài)，這樣金屬液中的氣體、夾渣物由于活躍的液面能夠順利上升排出，因此排氣排渣效果較好。尺寸較小的雨淋小孔在澆鑄結(jié)束之后能夠快速凝固，能夠有效防止石墨化膨脹將未凝固的鐵液擠出來，避免縮松縮孔缺陷形成；

②從活塞裙的解剖圖（圖1）可以看出，鋼頂為最厚大部位，然后依次變薄，厚薄呈均勻過渡分布。將最厚大的部位置于最頂部，同時上面設(shè)置本體隨形冒口。頂注的方式能夠讓鑄件形成一個自上而下的溫度梯度，使鑄件呈順序凝固狀態(tài)，最后凝固的地方為冒口，將縮松縮孔缺陷以及澆鑄過程中產(chǎn)生的氧化夾雜、沖砂全部聚集于本體冒口之中，得到組織致密的鑄件，具有良好的補縮和集渣能力；

③雖然采用了三箱造型的方式，但鑄件為對稱體，外模只需要制作一半，澆注系統(tǒng)的模具結(jié)構(gòu)簡單，雨淋澆口采用專門的泥芯盒制作，造型合箱相對簡單，符合大批量生產(chǎn)的要求。

1.2 工藝模擬分析

將該工藝用凝固數(shù)值模擬軟件MAGMAsoft進行模擬計算，用來判斷工藝的合理性。圖2為鐵液充型過程不同階段的模擬示意圖。從模擬結(jié)果可以看出，充型伊始，橫澆道就處于充滿狀態(tài)，金屬液由多個雨淋小孔均勻連續(xù)注入型腔；充型過程中金屬液沒有明顯飛濺，同時上升的液面比較活躍，溫度較高。充型模擬結(jié)果證實了頂雨淋澆注系統(tǒng)的優(yōu)點，有利于氧化渣、氣體的上浮、排出。

鑄件的凝固過程模擬結(jié)果如圖3所示。結(jié)果顯示，鑄件為順序凝固，溫度場分布比較合理，但是冒口根部（和鑄件相結(jié)合的地方）的金屬液是最后凝固的。雖然是最后凝固，但不一定會出現(xiàn)縮松。主要原因是球墨鑄鐵有一個石墨化膨脹過程，如果鑄型強度足夠，膨脹形成的壓力能夠有效防止鑄件產(chǎn)生縮松、縮孔缺陷。

活塞裙采用樹脂砂造型，鑄型剛度、強度很高，完全能夠承受石墨化膨脹所形成的壓力。但是，球鐵的石墨化膨脹并不能全部抵消鐵液的液態(tài)收縮，這個還與鑄件的壁厚大小，壁厚分布是否均勻有關(guān)。在凝固模數(shù)較小（平均最小模數(shù)小于2.5 cm）的情況之下，鑄件需要外來的液體補縮，否則會形成縮松縮孔缺陷[1]。對活塞裙冒口區(qū)域進行模數(shù)計算，其模數(shù)小于2.5 cm，如果沒有外來液體的補縮情況之下，最后凝固區(qū)域會形成縮松缺陷。用MAGMASOFT軟件中的PROSITY判據(jù)進行判斷，冒口根部是會形成比較嚴重的縮松縮孔缺陷的，結(jié)果如圖4所示。

圖2 活塞裙充型過程不同階段截圖

由以上的模擬結(jié)果可以看出，雖然這種工藝能夠起到較好的排氣排渣的作用，但是并沒有完全消除鑄件的縮松縮孔缺陷。從模擬的結(jié)果可以看出，環(huán)形冒口的尺寸明顯偏小，而且高度不夠。決定將環(huán)形冒口的內(nèi)部直徑縮小，使冒口將鑄件最厚大的熱節(jié)部位全部覆蓋，同時將冒口的高度增加，促使鑄件的熱節(jié)進入冒口之中，最終消除鑄件的縮松縮孔缺陷。

圖3 活塞裙凝固過程模擬

圖4 活塞裙模擬縮松示意圖

將更改后的新工藝先進行模擬計算，判斷工藝的合理性，減少因模具修改而造成的成本增加。新工藝的充型過程與原工藝相當(dāng)，鐵液平穩(wěn)均勻地進入型腔。通過對溫度場的分析顯示，冒口加大加高之后，鑄件整體溫度場分布更加合理，最后凝固的區(qū)域由原來的冒口根部全部進入了本體冒口之中，具體如下圖5所示。

圖5 新工藝凝固過程模擬

圖6 活塞裙新工藝模擬縮松示意圖

采用PROSITY判據(jù)進行最終的判斷，形成縮松的地方位于冒口之中，原來在鑄件中出現(xiàn)的縮松已經(jīng)消失，鑄件的組織致密，具體如圖6所示。此外，鑄件冒口處的整體縮松傾向隨著冒口的加大增高而有所減小，這個可以通過模擬圖中縮松面積大小和顏色程度來判斷。新工藝的縮松面積要小，而且顏色相對較淺。產(chǎn)生這種情況的主要原因還是石墨化膨脹。球墨鑄鐵與鑄鋼不同，鑄件越是厚大，壁厚分布越是均勻，形成縮松縮孔的傾向越小，當(dāng)鑄件的凝固模數(shù)大于2.5之后，就能夠?qū)嵭袩o冒口鑄造工藝[2]。對于活塞裙來說，鋼頂部位和環(huán)形冒口形成一個均勻的環(huán)形回轉(zhuǎn)體，壁厚增加，析出的石墨量增加，石墨化的膨脹量也增多。冒口在沒有加高加大之前，環(huán)形冒口的熱節(jié)小于鋼頂部位熱節(jié)，反而在冒口根部形成了較大的接觸熱節(jié)，石墨化析出的膨脹量最終難以抵消凝固收縮，而形成了比較嚴重的縮松。當(dāng)冒口加大增高之后，從鋼頂?shù)矫翱冢诤窬鶆蚍植?，凝固模?shù)增加，而熱節(jié)也位于冒口之中，石墨析出較多，整體的縮松傾向也變小。最后將縮松縮孔全部拉入冒口之中，本體冒口去除之后就得到了完整的鑄件。

2 生產(chǎn)結(jié)果

通過對裙體毛坯全表面進行濕法熒光磁粉探傷，沒有發(fā)現(xiàn)超標(biāo)的磁痕缺陷。表明鑄件表面沒有夾渣缺陷。從模擬和實際的探傷結(jié)果證明，頂雨淋澆注系統(tǒng)具有良好的排渣排氣作用。

為了增加工藝出品率，首批產(chǎn)品采用小環(huán)形本體冒口工藝試制，隨意抽查其中2～3件進行車削剝層實驗，結(jié)果發(fā)現(xiàn)所有鑄件的冒口根部出現(xiàn)了嚴重的肉眼可見的縮松缺陷，情況嚴重的已經(jīng)延伸至鑄件內(nèi)部，實際情況與MAGMA數(shù)值模擬結(jié)果非常相近，表明該軟件模擬計算的準(zhǔn)確性，具體如圖7中箭頭標(biāo)記所示。

圖7 活塞裙原工藝首件車削剝層示意圖

隨后將模具進行修改試制了第二批產(chǎn)品，隨意抽取其中2～3件進行車削剝層實驗，冒口根部組織致密，鋼頂其他剝層區(qū)域亦沒有任何肉眼可見的縮松縮孔缺陷，如圖8所示。

圖8 活塞裙新工藝首件車削剝層示意圖

對鑄件鋼頂部位本體取樣，進行正火處理，消除該部位由于冷鐵激冷可能形成的碳化物，同時得到細小的珠光體基體組織，其金相組織和力學(xué)性能如表1所示，所有指標(biāo)均達到客戶的技術(shù)要求。

表1 鋼頂本體力學(xué)性能與金相組織

3 結(jié)論

1）采用雨淋式澆注系統(tǒng)結(jié)合環(huán)形本體冒口的鑄造工藝，能夠保證得到無縮松縮孔的鑄件。同時，頂雨淋還具備良好的排渣功能，有利于鑄件的表面質(zhì)量。

2）通過MAGMASOFT軟件對澆注過程模擬，其結(jié)果與實際一致，能夠有效預(yù)測鑄造缺陷，校核鑄造工藝，降低產(chǎn)品試制風(fēng)險。

［1］魏兵，袁森，張衛(wèi)華.鑄件均衡凝固技術(shù)及其應(yīng)用［M］.北京：機械工業(yè)出版社，1998.

［2］史蒂芬·I·卡塞.球墨鑄鐵澆口和冒口［M］.北京：清華大學(xué)出版社，1983.