鑄鋼件表面質(zhì)量提升工藝改進(jìn)研究

賈 旭，劉健明，姜偉航

（1．中車(chē)戚墅堰機(jī)車(chē)車(chē)輛工藝研究所有限公司，江蘇常州 213025；2．江蘇朗銳茂達(dá)鑄造有限公司，江蘇江陰 214445）

近年來(lái)隨著新型城鎮(zhèn)化和工業(yè)化的發(fā)展，國(guó)家出臺(tái)了《鐵路“十三五”發(fā)展計(jì)劃》，繼續(xù)優(yōu)化和完善路網(wǎng)布局，運(yùn)營(yíng)里程和城市軌道交通運(yùn)營(yíng)里程逐年提升，車(chē)輛需求逐年增加，軌道交通關(guān)鍵鑄件的訂單需求逐年增加。“一帶一路”和“中國(guó)制造2025”強(qiáng)國(guó)戰(zhàn)略的實(shí)施，軌道交通安全、可靠性要求逐年提升，作為裝配在影響車(chē)輛運(yùn)行安全的鑄鋼件，如車(chē)鉤、安裝座、制動(dòng)盤(pán)、軸箱體等，表面質(zhì)量要求逐年提高，提出諸如“鑄件的整個(gè)區(qū)域不允許存在澆不足、冷隔、裂紋、褶皺等缺陷”等標(biāo)準(zhǔn)較高的要求[1]。筆者公司原有的水玻璃砂工藝生產(chǎn)的鑄鋼件已無(wú)法滿(mǎn)足日益提高的鑄件表面質(zhì)量要求，筆者通過(guò)選取典型產(chǎn)品進(jìn)行試驗(yàn)研究，摸索提升表面質(zhì)量的工藝方案。

1 產(chǎn)品鑄造工藝及表面質(zhì)量情況

1.1 產(chǎn)品鑄造工藝簡(jiǎn)介

密接式車(chē)鉤屬于典型的薄壁框型鑄件，主要壁厚12mm，鑄件中間空腔結(jié)構(gòu)由一個(gè)整體坭芯形成，如圖1所示。鑄件材質(zhì)為公司自主研發(fā)的低碳合金鋼ZG18MnNiV。采用酯硬化水玻璃砂進(jìn)行造型、制芯，砂型表面均采用醇基鋯英粉涂料進(jìn)行刷涂。砂型通過(guò)表干爐烘干后進(jìn)行合箱，12h內(nèi)完成澆注。鋼水采用中頻感應(yīng)爐進(jìn)行熔煉，使用低注式鋼包進(jìn)行澆注，初始澆注溫度不低于1565℃。

圖1 密接式車(chē)鉤坭芯

1.2 表面質(zhì)量情況

密接式車(chē)鉤采用水玻璃砂工藝進(jìn)行造型、制芯，鑄件澆注后內(nèi)腔表面存在皺褶、氣坑等表面缺陷，如圖2所示。在后處理工序中需要進(jìn)行大量的打磨、修補(bǔ)，耗費(fèi)較多的材料、人工，一方面導(dǎo)致成本增加，另一方面增加產(chǎn)品的交付周期。隨著質(zhì)量要求的不斷提升，目前的鑄件內(nèi)腔表面質(zhì)量已不能滿(mǎn)足客戶(hù)的要求。

圖2 鑄件內(nèi)腔表面質(zhì)量

2 試驗(yàn)方案

主要采用鉻鐵礦砂、堿酚醛樹(shù)脂砂、酚脲烷自硬樹(shù)脂砂、覆膜砂等不同型砂作為車(chē)鉤內(nèi)腔坭芯的成型材料，外模制作工藝不變，其余鑄造工藝參數(shù)（澆冒口、冷鐵、澆注溫度等）保持不變，通過(guò)鑄件澆注試驗(yàn)，查看鑄件的表面質(zhì)量情況。

2.1 酚脲烷自硬樹(shù)脂砂方案

原砂采用筆者公司使用的硅砂，粒度40/70目，SiO2含量不小于96%，樹(shù)脂采用國(guó)內(nèi)某知名廠(chǎng)家生產(chǎn)的酚脲烷自硬樹(shù)脂，樹(shù)脂共2種組份，Ⅰ組份型號(hào)為NP-101HB、Ⅱ組份型號(hào)為NP-102HB，催化劑型號(hào)為NP103。按照推薦比例進(jìn)行型砂混制，具體如下：樹(shù)脂Ⅰ組份占原砂重量的0.75%，樹(shù)脂Ⅱ組份占原砂

重量的0.65%，催化劑占樹(shù)脂Ⅰ組份的1%，鐵紅加入量為原砂的3%。

坭芯制作過(guò)程：首先進(jìn)行原砂稱(chēng)重，放入碗型混砂機(jī)，準(zhǔn)備樹(shù)脂Ⅰ組份和Ⅱ組份。將催化劑加入Ⅰ組份后放入混砂機(jī)中，啟動(dòng)后放入Ⅱ組份，混制時(shí)間30s?；旌煤筮M(jìn)行坭芯制作，坭芯制作完成后第二天表面刷2遍涂料，吊進(jìn)表干爐進(jìn)行烘烤，時(shí)間20min左右。然后進(jìn)行落芯、合箱。按照熔煉工藝進(jìn)行澆注，試驗(yàn)鑄件的澆注順序?yàn)榈诙浜妥詈笠幌洹?/p>

2.2 鉻鐵礦水玻璃砂方案

原砂采用鉻鐵礦砂，粒度50/100目，采用改性水玻璃、有機(jī)酯進(jìn)行混制。根據(jù)公司規(guī)定的配比進(jìn)行型砂混制，具體如下：水玻璃占原砂重量的2.5%，有機(jī)酯占水玻璃重量的15%。

坭芯制作過(guò)程：首先進(jìn)行原砂稱(chēng)重，放入碗型混砂機(jī)，準(zhǔn)備改性水玻璃和有機(jī)酯，將有機(jī)酯放入混砂機(jī)中，啟動(dòng)后混制時(shí)間30s，接著放入水玻璃進(jìn)行混制30s，混好后進(jìn)行坭芯制作。坭芯制作完成后第二天表面刷2遍涂料，吊進(jìn)表干爐進(jìn)行烘烤，表干溫度200℃，時(shí)間40～50min。然后進(jìn)行落芯、合箱，按照工藝要求進(jìn)行澆注，試驗(yàn)鑄件的澆注順序?yàn)榈诙浜妥詈笠幌洹?/p>

2.3 寶珠砂水玻璃砂方案

原砂采用寶珠砂，角形系數(shù)1.06，耐火度≥1800℃，密度（1.95～2.05）g/cm3，主要成分為 Al2O3和SiO2，熱膨脹率0.13%，原砂粒度40/50目，寶珠砂的水分為0.16%。寶珠砂40、50兩篩集中度達(dá)到93%，粒度較為集中，具體數(shù)據(jù)見(jiàn)表1。粘結(jié)劑和固化劑采用筆者公司使用的改性水玻璃、有機(jī)酯。根據(jù)公司規(guī)定的配比進(jìn)行型砂混制，具體如下：水玻璃占原砂重量的2.5%，有機(jī)酯占水玻璃重量的15%。

表1 寶珠砂粒度分布

坭芯制作過(guò)程：首先進(jìn)行原砂稱(chēng)重，放入碗型混砂機(jī)，準(zhǔn)備水玻璃和有機(jī)酯，將有機(jī)酯放入混砂機(jī)中，啟動(dòng)后混制時(shí)間30s，接著放入水玻璃進(jìn)行混制30s，混好后進(jìn)行坭芯制作。坭芯制作完成后第二天表面刷2遍涂料，吊進(jìn)表干爐進(jìn)行烘烤，表干溫度200℃，時(shí)間1h。然后進(jìn)行落芯、合箱，按照工藝要求進(jìn)行澆注，試驗(yàn)鑄件的澆注順序?yàn)榈诙浜妥詈笠幌洹?/p>

2.4 堿性酚醛樹(shù)脂砂方案

原砂采用筆者公司使用的硅砂，粒度40/70目，樹(shù)脂采用國(guó)內(nèi)某知名廠(chǎng)家生產(chǎn)的鑄造用堿性酚醛樹(shù)脂及固化劑，樹(shù)脂型號(hào)為JF-103D，固化劑型號(hào)HQG20。按照比例進(jìn)行型砂混制，具體如下：樹(shù)脂組份占原砂重量的1.5%，固化劑占樹(shù)脂重量的25%。

坭芯制作過(guò)程：首先進(jìn)行原砂稱(chēng)重，放入碗型混砂機(jī)，準(zhǔn)備樹(shù)脂和固化劑。先將固化劑放入碗型混砂機(jī)中，啟動(dòng)后混制30s，再放入樹(shù)脂，再次混制30s后放砂進(jìn)行坭芯制作。坭芯制作完成后第二天表面刷2遍涂料，吊進(jìn)表干爐進(jìn)行烘烤，表干溫度150℃，表干時(shí)間1h。然后進(jìn)行落芯、合箱，按照工藝要求進(jìn)行澆注，試驗(yàn)鑄件的澆注順序?yàn)榈诙浜妥詈笠幌洹?/p>

2.5 覆膜砂方案

為縮短產(chǎn)品的試驗(yàn)周期，采用3D打印的SLS（選區(qū)激光燒結(jié)）、SLA（立體光固化成形）等工藝[2]進(jìn)行坭芯的快速制作，節(jié)省了模具設(shè)計(jì)、制作及驗(yàn)證的時(shí)間。覆膜砂選用適用于鑄鋼件的高強(qiáng)度低發(fā)氣干態(tài)類(lèi)覆膜砂,抗拉強(qiáng)度比普通覆膜砂高30%以上，發(fā)氣速度比普通覆膜砂要慢3s以上[3]。覆膜砂的粒度分布見(jiàn)表2，性能參數(shù)見(jiàn)表3。坭芯制作完成后第二天表面刷2遍涂料，吊進(jìn)表干爐進(jìn)行烘烤，表干溫度200℃，時(shí)間40～50min。然后進(jìn)行落芯、合箱，按照工藝要求進(jìn)行澆注，試驗(yàn)鑄件的澆注順序?yàn)榈诙浜妥詈笠幌洹?/p>

3 試驗(yàn)結(jié)果

鑄件澆注后按照工藝規(guī)定的時(shí)間進(jìn)行開(kāi)箱，開(kāi)箱后震動(dòng)落砂機(jī)進(jìn)行清砂，內(nèi)腔未掉落砂塊使用機(jī)械工具進(jìn)行輔助清理，清理后使用吊掛式拋丸機(jī)進(jìn)行拋丸處理，觀(guān)察鑄件的內(nèi)腔表面情況，各種試驗(yàn)方案的內(nèi)腔表面質(zhì)量如下圖3～6所示。

通過(guò)以上圖片的對(duì)比可以看出，使用覆膜砂坭芯方案生產(chǎn)的密接式車(chē)鉤內(nèi)腔表面質(zhì)量情況明顯優(yōu)于其他試驗(yàn)方案生產(chǎn)的鑄件，鑄件的表面一致性達(dá)到了較高的水平，表面粗糙度優(yōu)于Ra50μm，達(dá)到改進(jìn)表面質(zhì)量的目的。

表2 覆膜砂粒度分布

表3 覆膜砂性能參數(shù)

圖3 酚脲烷自硬樹(shù)脂砂方案

圖4 鉻鐵礦水玻璃砂方案

圖5 寶珠砂水玻璃砂方案

圖6 覆膜砂方案

4 工藝方案實(shí)施及推廣

為驗(yàn)證工藝方案的穩(wěn)定性，進(jìn)行產(chǎn)品的小批量試驗(yàn)。結(jié)合前期覆膜砂試驗(yàn)的情況，進(jìn)行覆膜砂模具的設(shè)計(jì)及制作。坭芯制作完成后需在200℃條件下烘烤1.5h，表面刷涂料一遍。清除芯頭部位涂料淤積，進(jìn)行落芯、合箱，共澆注密接式車(chē)鉤試驗(yàn)20件。鑄件開(kāi)箱后進(jìn)行清砂、切割澆冒口、拋丸等工序，查看鑄件內(nèi)腔表面質(zhì)量情況，無(wú)澆不足、冷隔、裂紋、褶皺、氣孔等表面缺陷。車(chē)鉤表面處理后進(jìn)行磁粉探傷、射線(xiàn)探傷，均滿(mǎn)足要求。經(jīng)過(guò)尺寸檢查與加工驗(yàn)證，鑄件尺寸均滿(mǎn)足要求。

覆膜砂方案在密接式車(chē)鉤鑄件上的成功運(yùn)用，給公司其他產(chǎn)品起到了引導(dǎo)作用。覆膜砂方案被公司推廣應(yīng)用于安裝座、鉤尾座、地鐵車(chē)鉤、軸箱體等軌道交通產(chǎn)品，獲得了較好的效果，不僅提升了表面質(zhì)量，同時(shí)保證了尺寸精度。

5 結(jié)論

（1）使用覆膜砂作為鑄鋼件的砂型材料，不僅可以解決鑄鋼件的冷隔、褶皺等表面鑄造缺陷，而且可以提升表面粗糙度，較好地提高鑄鋼件的表面質(zhì)量。

（2）3D打印技術(shù)的應(yīng)用可以快速的進(jìn)行坭芯的制作，節(jié)省傳統(tǒng)鑄造方法中模具設(shè)計(jì)及制作的時(shí)間，明顯地縮短工藝試驗(yàn)周期。