超薄壁鑄鋼底架的生產工藝

鄭馨秋，姚建柱

1.鑄件簡介

大型超薄壁鑄鋼底架（結構見圖1），應用于120t平板火車。類似結構的產品以往都是焊接結構，存在的主要問題是在使用過程中，由于長期受到各種活件壓力的作用，上平面的鋼板變形，焊縫位置開裂。為了提高產品的使用壽命，公司要求整體鑄造。材質為ZG230-450，輪廓尺寸為13000mm×3000mm×（250～600）mm（鑄件高度由250mm過渡到600mm），平均壁厚為30mm。鑄件凈重27.3t。造型方法采用樹脂砂地坑造型。澆注溫度控制在1585～1595℃。

2.生產工藝難點

（1）由于鑄件壁厚太薄，此件采用呋喃樹脂砂造型生產。首先由于鑄件凝固過程中熱應力及機械阻礙應力的影響，可能產生嚴重的裂紋而導致產品報廢。其次由于鑄件受力不均勻，致使鑄件嚴重變形。

（2）鑄件各圓角位置可能由于產生嚴重粘砂缺陷而致使鑄件報廢。

（3）澆注過程中由于鑄件超長且壁厚太薄而產生嚴重的冷隔、澆不足等缺陷。

（4）造型過程中，由于砂芯較多，鑄件壁厚較薄，塞嚴芯縫手工操作困難，澆注過程中可能由于鋼液沿芯縫鉆鋼引起漂芯致使鑄件報廢。內腔所有砂芯只能向下排氣，如果下排氣不暢會引起熗火事故，致使鑄件報廢。

3.工藝分析及應對措施

（1）鑄件產生裂紋缺陷主要受到應力的影響。首先，鑄件壁厚不均勻，鑄件凝固過程中由于各部位溫度降低速度不一致，致使各部位的收縮不一致，從而產生內應力。在圓角過渡位置，熱節相對較大而冷卻緩慢，該位置主要受拉應力的作用；熱節之間的連接筋板壁較薄而冷卻較快，該位置受壓應力的作用，當鑄件的內應力超過金屬自身的抗拉強度時便產生裂紋。其次，鑄件凝固收縮比砂芯收縮大，在凝固過程中由于砂芯阻礙鑄件收縮，會導致鑄件產生裂紋。

由于鑄件各部位收縮產生內應力而引起整體變形；受到外力作用而使鑄件變形。鑄件在打箱時受到起吊力與摩擦力的作用而變形。

為了防止裂紋缺陷，首先在各熱節位置放置內冷鐵，根據《鑄鋼工藝編制規范》選取適當直徑的圓鋼筋，盡可能實現同時凝固，從而保證鑄件各部位受力均勻，既減小裂紋傾向，又減小鑄件變形傾向；其次明確要求型腔內所有與鋼液接觸的尖角部位都圓滑過渡，并在所有轉角位置距鑄件表面100mm處放置草繩束作為疏松層材料，減小鑄件收縮時受到砂型的阻力。

圖1 鑄件三維結構

其他要求：在工藝設計方面，首先嚴格控制澆注溫度與速度，保證鑄件溫度均勻；設計起吊軸時，在對稱位置設置多個吊軸，保證鑄件各部位受到的起吊力均勻。在操作方面，為了減小收縮阻力，澆注后30min左右撤除上箱壓鐵；為了防止裂紋與變形，嚴格控制鑄件起坑溫度＜300℃；為了防止由于起吊力變形，嚴禁單側撬工件；為了減小鑄件起吊的摩擦力，在起吊工件前，清除鑄件及澆注系統周圍的型砂。

（2）粘砂缺陷主要受到澆注與造型條件等多方面因素的影響：①澆注溫度太高，澆注時型腔內的液態金屬與空氣接觸的表面形成氧化物，其對硅砂鑄型濕潤，容易被鑄型所吸收，進一步與硅砂作用形成硅酸鐵，因此形成化學粘砂。②澆注速度過快，鋼液湍流的沖刷力太大而損壞型腔表面造成粘砂。③型砂的強度不夠或制芯時未舂實，致使砂芯自身的緊實度低，型砂顆粒之間的間隙大，鋼液滲透表面型砂而粘砂。④熱節較大的位置，由于型壁長時間在持續高溫的條件下表面型砂熔融而粘砂。

為了減少粘砂缺陷的產生，首先從澆注條件上要求金屬液在規定的時間內以適當的速度充滿型腔。要求澆注溫度控制在1585～1595℃，型腔內液面上升速度控制在10～12mm/s；其次要求制芯操作時在熱節較大的各轉角位置面砂采用耐火度高，高溫條件下熱膨脹系數小，以及化學性質穩定的鉻鐵礦樹脂砂，并且要求型腔表面均勻涂刷鋯砂粉醇基涂料，涂料層的厚度大于2mm。

（3）減少冷隔、澆不足等缺陷的產生，保證鑄件成形，工藝提高了鋼液澆注溫度，加快了澆注速度。雖然鋼液澆注溫度高與澆注速度快，增大了粘砂缺陷的傾向，但同時也增大了鋼液的充型能力，減少產生冷隔、澆不足等缺陷的趨勢；其次，要求澆注前預熱型腔。此鑄件使用樹脂砂造型時，澆注前向型腔內鼓熱風3～4h，加熱溫度為150～180℃，不僅有利于減少型腔表面附著的水蒸氣，干燥型腔表面，而且有利于提高鑄型溫度，增加砂型自身蓄熱，減少充型的鋼液與型壁接觸后的熱量損失，從而加大鋼液的充型能力。

（4）防止芯縫鉆鋼而引起漂芯事故。按照傳統工藝，如果每個單獨空腔形成一塊砂芯，內腔芯共70塊。芯子多，芯縫多，操作困難且增大鉆鋼與熗火的危險。工藝設計時劃分芯界，打破常規，把幾塊芯串聯在一起（見圖2），并要求做成整體芯盒，減少芯縫。另外，在舂硬砂床時，要求表面的型砂內摻鐵豆，型砂與鐵豆的重量比例為4＞1，砂層厚度約40mm，保證鉆縫的鋼液遇冷迅速凝固。為了防止漂芯，工藝設計要求制芯時在各芯的芯頭位置預留焊點，下芯后焊接固定連成一體，且合箱前在各芯上方放置φ12mm的硬頂柱。

為了保證下排氣通暢，首先在舂硬砂床內臥出排氣系統，將5根直徑為120mm且周身鉆孔后纏草繩的無縫鋼管，按照約600mm間距平行放置，且適當放置草繩。芯內所有的排氣草繩或尼龍繩分層放射狀分布放置，各層間距200～250mm，各層的接頭形成一束并最終引到芯頭外。

4.結語

鑄件一次澆注成功（見圖3），鑄件表面及各轉角位置沒有裂紋、粘砂缺陷，也沒有冷隔、澆不足等缺陷；鑄件毛坯表面質量及實際尺寸均達到圖樣要求。實踐證明，采取的預防措施取得成功，可為大型薄壁鑄件制造工藝提供借鑒與參考。

圖2 砂芯結構

圖3 鑄件毛坯