一種桿形抗磨鑄鐵件鑄造工藝設計與生產實踐

俞樹吉，朱學梅

（中車戚墅堰機車有限公司，江蘇常州 213011）

公司生產的一種桿形鑄件（如圖1 所示），輪廓尺寸為φ40 mm×326 mm，其材質為髙鉻鑄鐵Cr20，該鑄鐵為典型抗磨白口鑄鐵，主要特點是硬度較高，組織為強韌的金屬基體支撐著高強度的碳化物。由于熱導率低、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該抗磨鑄鐵鑄件，但原工藝產品廢品率較高，經統計約為20%，另外精密鑄造工藝生產工序較多，生產周期較長，導致生產該鑄件石蠟、型砂等原材料消耗多，工藝出品率不理想，生產成本較高，生產效率低。所以本次設計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構圖

1 鑄造工藝設計

1.1 鑄造工藝

桿形鑄件材質為髙鉻鑄鐵Cr20，故鑄件線收縮率設計為2%，根據該產品結構及尺寸按照模數法計算桿形鑄件需補縮部位模數為M件=1/4×4.5 cm=1.125 cm，由此可計算冒口模數為M冒=（1.1～1.2）×M件=1.15×1.125 cm=1.24 cm，根據結構并結合實際可將球形冒口（比表面積相同的情況下球形冒口體積最小）運用到工藝設計中，為此按照球形冒口對鑄件熱節補縮的原理開展工藝設計，從而計算球形冒口D=7.44 cm，由此確定球形冒口尺寸為SR=1/2×6×M冒=3.75 cm，球形冒口設計在桿形鑄件的尾部，如圖2 所示，有利于鐵水凝固過程實現自下而上的順序凝固。

圖2 桿形鑄件鑄造工藝三維結構圖

1.2 鑄造方法

砂型（芯）采用覆膜砂殼型工藝生產制作，在40 kg熱射芯機上使用金屬模制作砂型（型），每型采用左、右兩片拼合而成，砂型設計4 件/型，砂芯設計為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腔結構。運用專用串聯工裝組芯造型方式進行砂型（芯）的組配，每件鑄件均設有球形冒口，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 串聯澆道連接，現行工藝方案設計6個砂型（芯）拼合為1 個澆注組，1 個澆注組澆注48根桿形鑄件，設置1 個澆口杯用于鐵水的引導，如圖4 所示。

圖3 桿形鑄件砂型（芯）三維結構圖

圖4 砂型（芯）組芯示意圖

1.3 熔煉工藝

采用中頻感應電爐熔化鐵水，鐵水化學成分按照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 個模殼）進行鐵水澆注，澆注過程按照“慢-快-慢”節奏進行，澆滿后應及時予以點沖澆口1 次～2 次，待鐵水凝固超過8 h 即可進行拋丸清理作業等。

1.4 工藝模擬

為了進一步驗證工藝的可靠性，采用ProCAST虛擬仿真軟件對桿形鑄件工藝進行數值仿真模擬計算，經仿真模擬計算未發現鑄件內部存在縮孔的現象（如圖5 所示），由此可見該工藝有一定的可操作性，為后續實際生產提供了有利支撐。

圖5 工藝仿真模擬圖

2 工藝試驗及驗證

通過桿形鑄件工藝設計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），采用中頻感應電爐熔化鐵水，實際出爐溫度1 509 ℃，采用500 kg 澆注包分4 次澆注完成1 爐鑄件（4 個澆注組為1 爐），實測澆注速度30 s、28 s、29 s、28 s.后期對澆注完成的鑄件進行切割清理，球形冒口根部及桿形鑄件尾部未發現疏松縮孔等鑄造缺陷（如圖6 所示），為進一步驗證工藝的可靠性對桿形鑄件采用線切割進行解剖檢查，鑄件內部組織致密，未發現疏松等鑄造缺陷（如圖7 所示）。后續對鑄件及澆冒口實物稱重計算該產品鑄造工藝出品率為70.5%，相比原精密鑄造工藝產品鑄造工藝出品率提高了5%.

圖6 球形冒口解剖實物

圖7 鑄件解剖實物

根據訂單情況后續將試制的桿形鑄件發外進行機加工進一步驗證工藝可靠性。經加工單位機加工發現桿形鑄件毛坯加工余量合理，未發現加工“黑皮”等缺陷，由此說明桿形鑄件尺寸合格，但是發現部分鑄件加工后表面存在不同程度的氣孔缺陷（如圖8），經統計該氣孔缺陷比例約為90%，由于髙鉻鑄鐵的特殊性產品沒有修補等措施，由此導致產品批量性報廢。

圖8 氣孔缺陷

針對該產品加工后產生氣孔缺陷的問題，進一步分析該氣孔缺陷應為皮下氣孔，分析原因為覆膜砂用黏結劑含有有六亞甲基四胺，受熱分解時生成NH3、CN，這兩種氣體的化學結合能較低，易分解呈原子狀態，卷入金屬液后，在鑄件凝固時易形成氣孔。另外覆膜砂自身發氣量較大，導致澆注過程中型內氣體未能及時有效排除，從而使鑄件產生一定程度的皮下氣孔缺陷。

為了有效解決桿形鑄件產生皮下氣孔問題，后續采取措施進行了針對性試驗改進，具體為組配砂型（芯）前對砂型（芯）進行整體醇基涂料浸涂，浸涂后及時點燃干燥以預先使NH3、CN 分解排除且充分排除覆膜砂型內殘留水分，另外內表面浸涂涂料有利于防止氣孔缺陷的產生，對改進后生產的桿形鑄件經機加工驗證氣孔問題已有效解決。

3 結論

1）球形冒口的運用有效地解決了桿形鑄件補縮問題，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防止鑄件皮下氣孔缺陷的產生。