一種桿形抗磨鑄鐵件鑄造工藝設(shè)計(jì)與生產(chǎn)實(shí)踐

俞樹吉，朱學(xué)梅

（中車戚墅堰機(jī)車有限公司，江蘇常州 213011）

公司生產(chǎn)的一種桿形鑄件（如圖1 所示），輪廓尺寸為φ40 mm×326 mm，其材質(zhì)為髙鉻鑄鐵Cr20，該鑄鐵為典型抗磨白口鑄鐵，主要特點(diǎn)是硬度較高，組織為強(qiáng)韌的金屬基體支撐著高強(qiáng)度的碳化物。由于熱導(dǎo)率低、塑性差、收縮大，熱裂和冷裂傾向較大，抗磨白口鑄鐵的鑄造性能較差[1]。原工藝采用精密鑄造工藝生產(chǎn)該抗磨鑄鐵鑄件，但原工藝產(chǎn)品廢品率較高，經(jīng)統(tǒng)計(jì)約為20%，另外精密鑄造工藝生產(chǎn)工序較多，生產(chǎn)周期較長，導(dǎo)致生產(chǎn)該鑄件石蠟、型砂等原材料消耗多，工藝出品率不理想，生產(chǎn)成本較高，生產(chǎn)效率低。所以本次設(shè)計(jì)決定采用覆膜砂殼型鑄造工藝。

圖1 桿形抗磨鑄鐵鑄件三維結(jié)構(gòu)圖

1 鑄造工藝設(shè)計(jì)

1.1 鑄造工藝

桿形鑄件材質(zhì)為髙鉻鑄鐵Cr20，故鑄件線收縮率設(shè)計(jì)為2%，根據(jù)該產(chǎn)品結(jié)構(gòu)及尺寸按照模數(shù)法計(jì)算桿形鑄件需補(bǔ)縮部位模數(shù)為M件=1/4×4.5 cm=1.125 cm，由此可計(jì)算冒口模數(shù)為M冒=（1.1～1.2）×M件=1.15×1.125 cm=1.24 cm，根據(jù)結(jié)構(gòu)并結(jié)合實(shí)際可將球形冒口（比表面積相同的情況下球形冒口體積最小）運(yùn)用到工藝設(shè)計(jì)中，為此按照球形冒口對(duì)鑄件熱節(jié)補(bǔ)縮的原理開展工藝設(shè)計(jì)，從而計(jì)算球形冒口D=7.44 cm，由此確定球形冒口尺寸為SR=1/2×6×M冒=3.75 cm，球形冒口設(shè)計(jì)在桿形鑄件的尾部，如圖2 所示，有利于鐵水凝固過程實(shí)現(xiàn)自下而上的順序凝固。

圖2 桿形鑄件鑄造工藝三維結(jié)構(gòu)圖

1.2 鑄造方法

砂型（芯）采用覆膜砂殼型工藝生產(chǎn)制作，在40 kg熱射芯機(jī)上使用金屬模制作砂型（型），每型采用左、右兩片拼合而成，砂型設(shè)計(jì)4 件/型，砂芯設(shè)計(jì)為4 件共用1 塊砂芯（如圖3 所示），其作用為形成桿形鑄件頭部內(nèi)腔結(jié)構(gòu)。運(yùn)用專用串聯(lián)工裝組芯造型方式進(jìn)行砂型（芯）的組配，每件鑄件均設(shè)有球形冒口，每型桿形鑄件相互間采用φ40 mm 橫澆道連接，砂型之間由φ40 mm 串聯(lián)澆道連接，現(xiàn)行工藝方案設(shè)計(jì)6個(gè)砂型（芯）拼合為1 個(gè)澆注組，1 個(gè)澆注組澆注48根桿形鑄件，設(shè)置1 個(gè)澆口杯用于鐵水的引導(dǎo)，如圖4 所示。

圖3 桿形鑄件砂型（芯）三維結(jié)構(gòu)圖

圖4 砂型（芯）組芯示意圖

1.3 熔煉工藝

采用中頻感應(yīng)電爐熔化鐵水，鐵水化學(xué)成分按照w（C）2.8～3.0%，w（Si）≤0.6%，w（Mn）0.5～0.8%，w（P）≤0.02%，w（S）≤0.04%，w（Cr）20.0～21.0%控制，鐵水出爐溫度按照1 500 ℃±10 ℃控制，澆注速度（25 s～30 s）/澆注組，將熔煉合格的鐵水倒入專用鐵水澆注包，采用吊包方式（原工藝采用抬包澆注，1 包鐵水分3 次澆注3 個(gè)模殼）進(jìn)行鐵水澆注，澆注過程按照“慢-快-慢”節(jié)奏進(jìn)行，澆滿后應(yīng)及時(shí)予以點(diǎn)沖澆口1 次～2 次，待鐵水凝固超過8 h 即可進(jìn)行拋丸清理作業(yè)等。

1.4 工藝模擬

為了進(jìn)一步驗(yàn)證工藝的可靠性，采用ProCAST虛擬仿真軟件對(duì)桿形鑄件工藝進(jìn)行數(shù)值仿真模擬計(jì)算，經(jīng)仿真模擬計(jì)算未發(fā)現(xiàn)鑄件內(nèi)部存在縮孔的現(xiàn)象（如圖5 所示），由此可見該工藝有一定的可操作性，為后續(xù)實(shí)際生產(chǎn)提供了有利支撐。

圖5 工藝仿真模擬圖

2 工藝試驗(yàn)及驗(yàn)證

通過桿形鑄件工藝設(shè)計(jì)并制作熱芯盒金屬型，待熱芯盒制作完畢按工藝要求制作覆膜砂砂型（芯），采用中頻感應(yīng)電爐熔化鐵水，實(shí)際出爐溫度1 509 ℃，采用500 kg 澆注包分4 次澆注完成1 爐鑄件（4 個(gè)澆注組為1 爐），實(shí)測(cè)澆注速度30 s、28 s、29 s、28 s.后期對(duì)澆注完成的鑄件進(jìn)行切割清理，球形冒口根部及桿形鑄件尾部未發(fā)現(xiàn)疏松縮孔等鑄造缺陷（如圖6 所示），為進(jìn)一步驗(yàn)證工藝的可靠性對(duì)桿形鑄件采用線切割進(jìn)行解剖檢查，鑄件內(nèi)部組織致密，未發(fā)現(xiàn)疏松等鑄造缺陷（如圖7 所示）。后續(xù)對(duì)鑄件及澆冒口實(shí)物稱重計(jì)算該產(chǎn)品鑄造工藝出品率為70.5%，相比原精密鑄造工藝產(chǎn)品鑄造工藝出品率提高了5%.

圖6 球形冒口解剖實(shí)物

圖7 鑄件解剖實(shí)物

根據(jù)訂單情況后續(xù)將試制的桿形鑄件發(fā)外進(jìn)行機(jī)加工進(jìn)一步驗(yàn)證工藝可靠性。經(jīng)加工單位機(jī)加工發(fā)現(xiàn)桿形鑄件毛坯加工余量合理，未發(fā)現(xiàn)加工“黑皮”等缺陷，由此說明桿形鑄件尺寸合格，但是發(fā)現(xiàn)部分鑄件加工后表面存在不同程度的氣孔缺陷（如圖8），經(jīng)統(tǒng)計(jì)該氣孔缺陷比例約為90%，由于髙鉻鑄鐵的特殊性產(chǎn)品沒有修補(bǔ)等措施，由此導(dǎo)致產(chǎn)品批量性報(bào)廢。

圖8 氣孔缺陷

針對(duì)該產(chǎn)品加工后產(chǎn)生氣孔缺陷的問題，進(jìn)一步分析該氣孔缺陷應(yīng)為皮下氣孔，分析原因?yàn)楦材ど坝灭そY(jié)劑含有有六亞甲基四胺，受熱分解時(shí)生成NH3、CN，這兩種氣體的化學(xué)結(jié)合能較低，易分解呈原子狀態(tài)，卷入金屬液后，在鑄件凝固時(shí)易形成氣孔。另外覆膜砂自身發(fā)氣量較大，導(dǎo)致澆注過程中型內(nèi)氣體未能及時(shí)有效排除，從而使鑄件產(chǎn)生一定程度的皮下氣孔缺陷。

為了有效解決桿形鑄件產(chǎn)生皮下氣孔問題，后續(xù)采取措施進(jìn)行了針對(duì)性試驗(yàn)改進(jìn)，具體為組配砂型（芯）前對(duì)砂型（芯）進(jìn)行整體醇基涂料浸涂，浸涂后及時(shí)點(diǎn)燃干燥以預(yù)先使NH3、CN 分解排除且充分排除覆膜砂型內(nèi)殘留水分，另外內(nèi)表面浸涂涂料有利于防止氣孔缺陷的產(chǎn)生，對(duì)改進(jìn)后生產(chǎn)的桿形鑄件經(jīng)機(jī)加工驗(yàn)證氣孔問題已有效解決。

3 結(jié)論

1）球形冒口的運(yùn)用有效地解決了桿形鑄件補(bǔ)縮問題，有利于鑄造工藝出品率的提高，減少原材料的消耗。

2）覆膜砂型內(nèi)腔或表面采用醇基石墨涂料浸涂，可以在提高鑄件表面光潔度的同時(shí)防止鑄件皮下氣孔缺陷的產(chǎn)生。