覆膜砂殼型工藝在標動鉤緩裝置鑄鋼件上的應(yīng)用研究

劉健明，賈旭，李偉，曹松，姜偉航

（1.中車戚墅堰機車車輛工藝研究所有限公司，江蘇常州 213011；2.江蘇朗銳茂達鑄造有限公司，江蘇江陰 214445）

殼型鑄造是20世紀40年代由德國人發(fā)明的，后得到廣泛應(yīng)用，生產(chǎn)的鑄件表面光潔度高，尺寸精度高，同時生產(chǎn)方便，生產(chǎn)效率高，應(yīng)用前景較好。覆膜砂是通過特殊工藝配方技術(shù)生產(chǎn)出的具有優(yōu)異高溫性能（高溫下強度高、耐熱時間長、熱膨脹量小、發(fā)氣量低）和綜合鑄造性能的新型覆膜砂。覆膜砂殼型鑄造目前廣泛應(yīng)用于復(fù)雜薄壁鑄鐵件（如汽車發(fā)動機缸體、缸蓋等）、部分閥殼類、曲軸類以及高質(zhì)量要求的優(yōu)質(zhì)鑄鋼件（如機車控制箱殼體、集裝箱箱角等）[1]。

隨著目前中國高鐵技術(shù)迅猛發(fā)展，軌道交通鑄鋼件產(chǎn)品的質(zhì)量要求越來越高，目前我司長期采用傳統(tǒng)的酯硬化水玻璃砂造型工藝，所生產(chǎn)的鑄鋼件夾砂、裂紋缺陷較多，表面一致性差，外觀表面質(zhì)量很難達到軌道交通關(guān)鍵零部件的要求。因此，研究一種更為先進的鑄造工藝方法（如覆膜砂殼型工藝）是一種必然的需求和趨勢。

1 產(chǎn)品鑄造工藝及質(zhì)量問題

安裝座是標準動車組鉤緩裝置的關(guān)鍵零部件，起到連接2節(jié)車廂的作用，屬于框架結(jié)構(gòu)鑄鋼件，材料為調(diào)質(zhì)C級鋼，鋼水流動性差，焊接性差，材質(zhì)及機械性能要求如表1所示，毛坯重量為66kg。產(chǎn)品尺寸公差CT11級，表面粗糙度要求Ra50。

表1 化學(xué)成分及機械性能要求

原鑄造工藝為外模、坭芯均采用酯硬化水玻璃砂制作，一型四件，砂芯進入表干爐表干后進行落芯、合箱，中頻感應(yīng)爐熔煉澆注。實際生產(chǎn)過程中，水玻璃砂受環(huán)境因素影響較大，水玻璃及有機酯加入量難以控制，砂型極易吸潮產(chǎn)生蠕變造成鑄件氣孔等鑄造缺陷，影響鑄件尺寸精度。同時水玻璃砂砂型退讓性差，表面散砂較多，鑄件型腔裂紋缺陷較多（見圖1所示），鑄件粘砂、沖砂、夾砂問題較為嚴重（見圖2所示），同時型砂潰散性差，鑄件清理難度也非常大。鑄件經(jīng)大面積焊補打磨后，外觀表面一致性極差，表面粗糙度只能達到Ra100。因產(chǎn)品表面質(zhì)量要求較高，試驗前經(jīng)連續(xù)2個月統(tǒng)計，水玻璃砂工藝生產(chǎn)的鑄件一次交檢合格率差，2018年4月、5月共生產(chǎn)交付鑄件356件，約有50%左右的鑄件需要進行退貨返修，鑄件產(chǎn)品合格率為85%。

圖1 型腔裂紋缺

圖2 夾砂類缺陷

2 覆膜砂殼型工藝

2.1 覆膜砂殼型工藝試驗

將原有模具底板上的模型實體全部去除，外型及內(nèi)腔坭芯全部由覆膜砂殼型坭芯代替（見圖3），字牌芯也采用覆膜砂制作，覆膜砂型芯刷涂料后放入表干爐，150～200℃條件下烘烤1～2h后造型使用。澆注系統(tǒng)采用成型耐火管，減少沖砂。同時，調(diào)整內(nèi)澆道位置，避免鋼水由中間注入造成沖芯。

圖3 覆膜砂殼型工藝

改進后鑄件表面質(zhì)量改善明顯，但衍生出一個新的質(zhì)量問題，內(nèi)澆口處100%存在熱裂紋缺陷,如圖4所示。為解決澆口裂紋，通過調(diào)整內(nèi)澆口尺寸大小、增大過渡圓角、設(shè)置防裂筋等多種方式進行了試驗，但均以失敗告終。最后決定將澆注系統(tǒng)調(diào)整為上型，并設(shè)置冒口座，鋼水由冒口底部注入，同時增設(shè)為2道內(nèi)澆道，降低鋼水充型時間，減少沖砂。澆注系統(tǒng)在風割工序全部去除，因此，澆口裂紋缺陷得以徹底解決。

圖4 澆口熱裂紋

2.2 二次工藝優(yōu)化

為進一步提升鑄件質(zhì)量，進行了二次工藝優(yōu)化。首先，優(yōu)化了冒口工藝，由普通保溫冒口改為發(fā)熱冒口，提高冒口的補縮效率。因覆膜砂殼型工藝生產(chǎn)的鑄件尺寸精度高，因此將底平面加工余量由12mm調(diào)整為8mm，減少鑄件局部加工余量。其次，在內(nèi)腔坭芯內(nèi)側(cè)增設(shè)加強筋，如圖5所示，提高坭芯強度的同時，可有效防止高溫下坭芯膨脹開裂造成鑄造缺陷或造成鑄件內(nèi)腔開檔部位變形。

圖5 坭芯加強筋

3 過程控制

3.1 覆膜砂型砂、型芯控制

試驗所選用的覆膜砂為某廠高強度低發(fā)氣干態(tài)類覆膜砂，抗拉強度比普通覆膜砂高30%以上，發(fā)氣速度比普通覆膜砂慢3s以上[2]。工藝試驗過程中同時試驗對比了其他4個廠家的鑄鋼覆膜砂，但所生產(chǎn)出來的鑄件分別出現(xiàn)：粘砂嚴重難以清理；型芯強度低，漲芯造成鑄件報廢；型芯發(fā)氣量大，鑄件表面密集型氣孔等問題。因此通過多次試驗確定了適合我司生產(chǎn)的覆膜砂性能參數(shù)[3]，見表2所示。同時編制了型芯驗收技術(shù)規(guī)范，造型前由檢查人員對覆膜砂型殼進行外觀檢查，防止型芯質(zhì)量問題引起鑄件鑄造缺陷。

表2 覆膜砂性能參數(shù)

3.2 涂料控制

試驗初期覆膜砂型芯采用的是醇基鋯英粉涂料涂刷，因醇基涂料容易產(chǎn)生滴掛及涂料淤積，同時刷涂效果人為因素影響較大，清理打磨后，型芯表面質(zhì)量較差。改進后，型芯采用水基涂料流涂/浸涂的方式上涂料，型芯表面質(zhì)量非常美觀，如圖6所示。

4 效果驗證

通過覆膜砂殼型工藝改進后，在2018年7月到2018年9月共生產(chǎn)交付728件安裝座鑄件，鑄件外觀表面質(zhì)量優(yōu)良（見圖7），可達到較高的表面光潔度，粗糙度滿足Ra50要求，鑄件磁粉探傷、射線探傷、尺寸驗證等均滿足要求，鑄件一次交檢合格率達到90%以上，鑄件合格率達到98%（見表3），質(zhì)量提升效果明顯。

圖6 涂料效果

圖7 覆膜砂工藝鑄件外觀質(zhì)量

表3 鑄件一次交檢合格率提升效果驗證

因鑄件由覆膜砂殼型、殼芯形成，有效的防止了鑄件氣孔、沖砂、夾砂、粘砂、裂紋等鑄造缺陷，大大減少了鑄件的清理打磨焊補工作量，鑄件質(zhì)量提升的同時極大的提高了生產(chǎn)效率。

5 結(jié)論

（1）覆膜砂是鑄造生產(chǎn)過程中重要的原材料，采用覆膜砂殼型工藝可以提升鑄件的表面粗糙度，大大提高鑄件的表面質(zhì)量。

（2）覆膜砂殼型工藝需要同時考慮澆注系統(tǒng)優(yōu)化、冒口工藝優(yōu)化等多種手段，同時需要做好型芯、型砂、涂料等過程控制才能獲得較好的鑄件質(zhì)量。