酯硬化水玻璃自硬砂薄壁鑄鋼件工藝研究

賈 旭，潘連明，周子龍，李 偉，杜天彬

（江蘇朗銳茂達(dá)鑄造有限公司，江蘇江陰 214445）

酯硬化水玻璃自硬砂薄壁鑄鋼件工藝研究

賈 旭，潘連明，周子龍，李 偉，杜天彬

（江蘇朗銳茂達(dá)鑄造有限公司，江蘇江陰 214445）

用于動車、地鐵等車輛轉(zhuǎn)向架、鉤緩連接系統(tǒng)、制動系統(tǒng)的鑄鋼件，內(nèi)在要求和外觀品質(zhì)都較高。鑄件大多為薄壁件，主體壁厚在10～25 mm之間。在生產(chǎn)過程中出現(xiàn)裂紋、冷隔、氣孔等鑄造缺陷，根據(jù)酯硬化水玻璃自硬砂的工藝特點，通過采取相應(yīng)的措施，生產(chǎn)出了合格的鑄件。

薄壁鑄鋼件；工藝特點；鑄造缺陷；鑄造工藝措施

江蘇朗銳茂達(dá)鑄造有限公司生產(chǎn)的軌道交通和工程機械用鑄件主要特點是薄壁、形狀復(fù)雜，內(nèi)腔結(jié)構(gòu)較多，框型結(jié)構(gòu)較多，內(nèi)部品質(zhì)要求較高；鑄件大多有受力部位，非加工面較多，尺寸要求較高；由于鑄件孤立熱節(jié)較多，壁厚懸殊較大，容易產(chǎn)生裂紋。

軌道交通產(chǎn)品要求較好的綜合力學(xué)性能，不僅要求較高的強度，而且要有良好的塑性和韌性。軌道交通產(chǎn)品的材料多為低合金鋼，主要有ZG18MnNiV、ZG28SiMnNiV、B級鋼、C級鋼、E級鋼等；工程機械產(chǎn)品的材料主要有ZG230-450、ZG310-570、25CrMo、35CrMo、35CrMnSi、G18NiMoCr3-6等。

生產(chǎn)鑄件的主要方法為酯硬化水玻璃砂機器造型，外模采用回用砂制作，坭芯采用新砂制作，根據(jù)產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)特點和技術(shù)要求進(jìn)行坭芯內(nèi)芯骨的設(shè)計，外模、坭芯制作完成后表面刷涂鋯英粉涂料。采用中頻爐進(jìn)行熔煉，漏包澆注，利用測溫儀控制出鋼溫度，通過鎮(zhèn)靜時間控制澆注時間，通過光譜儀分析爐前化學(xué)成分和出鋼前化學(xué)成分，調(diào)整各種合金加入量。

生產(chǎn)中鑄件出現(xiàn)的主要缺陷表現(xiàn)為裂紋、氣孔、冷隔、褶皺、憋氣等。

1 薄壁鑄鋼件工藝特點

1.1 產(chǎn)品的技術(shù)要求

生產(chǎn)的軌道交通產(chǎn)品主要有密接式車鉤、尾框、夾鉗、支持架、軸箱體、安裝座、定位轉(zhuǎn)臂等系列產(chǎn)品；工程機械類鑄鋼件主要有箱體、鎬臂、中間體等系列產(chǎn)品。大部分鑄件主體壁厚12 mm，鑄件結(jié)構(gòu)復(fù)雜，產(chǎn)品多為框體類結(jié)構(gòu)，小部分產(chǎn)品為管狀筒體結(jié)構(gòu)，中間為空心結(jié)構(gòu)，大平面有許多安裝及吊掛結(jié)構(gòu)，局部壁厚與主體壁厚相差較大；部分產(chǎn)品為焊接件，鑄件的加工部位較多，尺寸的相互關(guān)聯(lián)性較大，尺寸要求高，鑄件的形狀復(fù)雜，產(chǎn)品的受力部位多，結(jié)構(gòu)上有許多加強筋，形成許多“T”型、“L”型、“Y”型及“十”字型等結(jié)構(gòu)，孤立的熱節(jié)部位較多，特別是軌道交通類產(chǎn)品，內(nèi)部品質(zhì)要求較高，鑄件整體進(jìn)行射線探傷，關(guān)鍵區(qū)域基本都在ASTM E446的П級要求，其他區(qū)域基本都在ASTM E446的Ⅳ級要求；軌道交通類產(chǎn)品表面品質(zhì)要求越來越高，不僅要求鑄件內(nèi)在品質(zhì)過關(guān)，而且鑄件外觀品質(zhì)美觀，對于用酯硬化水玻璃砂砂型鑄造生產(chǎn)薄壁鑄鋼件的工藝設(shè)計提出更高的要求；另外，部分關(guān)鍵受力產(chǎn)品的強度要求較高，而且部分產(chǎn)品的使用工況在北方，產(chǎn)品的低溫性能要求高，其中部分產(chǎn)品要求在-40℃的條件下，低溫沖擊韌性值不小于27 J。

1.2 型砂特點

主要使用酯硬化水玻璃石英砂進(jìn)行造型、制芯，使用連續(xù)式混砂機生產(chǎn)。水玻璃無色、無臭、無毒，在混砂、硬化、澆注過程中沒有刺激性或有毒氣體排出，與樹脂砂相比，成本更低、更加環(huán)保。與傳統(tǒng)的CO2硬化水玻璃砂相比，水玻璃加入量少（加入量降至3%以下），型砂強度較高，冬季硬透性好，芯砂潰散性較好，鑄件出砂容易，舊砂可以干法再生，型砂的熱塑性好，發(fā)氣量較低，可以減少鑄件裂紋、氣孔出現(xiàn)的幾率，鑄件的品質(zhì)和尺寸精度可以達(dá)到樹脂砂的水平。

有機酯水解后析出酸和醇，酸促使聚硅酸鈉變成硅溶膠，有利于水玻璃迅速固化；醇對水有很強的親和力，能起到容積化的作用使水玻璃脫水，脫水后的水玻璃有強而韌的特征，是型砂獲得強度的主要原因[1]。型砂獲得強度是以未反應(yīng)的水玻璃脫水的物理硬化為主，以生成的硅溶膠的化學(xué)硬化為輔，兩個相輔相成的過程。

使用的原砂是福建水洗砂，SiO2含量≥98%，顆粒大小在40～70目，粘結(jié)劑采用改性水玻璃，模數(shù)在1.8～2.5之間，加入量為原砂含量的2%～3%，有機酯主要為二醋酸乙二醇酯、三醋酸甘油酯，含脂量≥97%，加入量為水玻璃含量的10%～20%。酯硬化水玻璃砂的硬化速度隨著環(huán)境溫度的改變、水玻璃模數(shù)的不同、有機酯的種類不同會發(fā)生變化。要根據(jù)季節(jié)及溫度的變化，及時調(diào)整水玻璃及有機酯的加入量及種類，控制硬化速度。如果硬化速度過快，型砂的可使用時間縮短，型砂的終強度降低；如果硬化速度過慢，型砂的終強度也會降低。型砂控制不好，會造成外模下沉、坭芯蠕變。型砂強度低，還會造成夾砂等缺陷。

2 薄壁鑄鋼件工藝設(shè)計方案

薄壁鑄鋼件由于鑄件壁厚較薄，鑄件凝固較快，鋼液沖型速度較快，充滿型腔時間較短，容易出現(xiàn)憋氣、澆不足、冷隔等缺陷；另一方面，由于鑄件結(jié)構(gòu)復(fù)雜，坭芯較多，鋼液在凝固收縮過程中受到砂型的阻力，容易產(chǎn)生鑄造裂紋；薄壁件還容易產(chǎn)生變形，造成鑄件尺寸超差，嚴(yán)重的造成鑄件報廢，所以要設(shè)置合理的拉筋減少鑄件的變形。鑄件的工藝設(shè)計在保證補縮的情況下，要綜合考慮以上情況。

2.1 鑄造模擬分析

在前期的工藝設(shè)計過程中，利用鑄造模擬軟件可以很好地預(yù)測鑄件在凝固收縮過程中可能出現(xiàn)的縮松、縮孔等收縮類缺陷，利于工藝設(shè)計的改進(jìn)，代替?zhèn)鹘y(tǒng)的試驗后修改工藝再試驗的過程，加快試制周期，獲得內(nèi)在品質(zhì)較好的合格鑄件，提高一次試驗的成功率。目前，鑄造企業(yè)使用較多的軟件有Procast、MAGMA，根據(jù)設(shè)計的工藝對鑄件進(jìn)行模擬分析和工藝優(yōu)化。首先，采用pro/e、UG等造型軟件建立鑄件的三維模型，根據(jù)工藝添加加工余量，并構(gòu)造冒口、冷鐵和澆注系統(tǒng)。然后通過造型軟件將模型轉(zhuǎn)為模擬軟件要求的格式文件，然后將文件輸入到Procast、MAGMA軟件中，進(jìn)行網(wǎng)格劃分，選擇材料，輸入初始數(shù)據(jù)和邊界條件，進(jìn)行充型、凝固過程的計算。根據(jù)計算結(jié)果分析鋼液沖型速度、平穩(wěn)程度，觀察鋼液的凝固過程，觀察縮松、縮孔缺陷出現(xiàn)的部位。根據(jù)分析結(jié)果對工藝參數(shù)進(jìn)行修改，直到得到滿意的結(jié)果，然后進(jìn)行模具的設(shè)計和制作。

低地板輕軌用獨立輪軸橋鑄件是低地板車輛走行部分最為關(guān)鍵的部件之一，是車輛主要的承載和走行部件，其品質(zhì)的好壞直接決定著行車安全。為縮短產(chǎn)品開發(fā)周期，同時保證鑄件內(nèi)部品質(zhì)，在進(jìn)行工藝設(shè)計的過程中采用鑄造模擬軟件MAGMA進(jìn)行針對性地驗證、指導(dǎo)，改進(jìn)工藝設(shè)計。圖1（左)是根據(jù)第一次工藝設(shè)計方案進(jìn)行模擬得到的結(jié)果，在如圖所示的部位有縮孔缺陷。然后根據(jù)模擬結(jié)果改進(jìn)工藝，重新設(shè)計冒口補貼，進(jìn)行鑄造模擬，得到圖1（右）所示的結(jié)果，內(nèi)部沒有縮孔缺陷。根據(jù)最終工藝進(jìn)行模具設(shè)計、工藝試驗，對澆注出來的鑄件進(jìn)行X射線探傷檢查，內(nèi)部品質(zhì)滿足ASTM E446的П級要求，符合技術(shù)條件要求，后對產(chǎn)品進(jìn)行解剖，內(nèi)部組織致密，產(chǎn)品開發(fā)成功。

圖1 鑄造模擬軟件的應(yīng)用

2.2 分型面的選擇、坭芯的設(shè)計

薄壁鑄鋼件多以箱體結(jié)構(gòu)居多，為提高產(chǎn)品的強度，設(shè)計者往往在這些產(chǎn)品上設(shè)計有較多的加強筋，增加了產(chǎn)品的復(fù)雜程度，這就使多數(shù)產(chǎn)品在生產(chǎn)時會有較多的砂芯，合理的分型方法和砂芯設(shè)計對保證產(chǎn)品尺寸和減少裂紋的產(chǎn)生有著重要的作用。一般來說，薄壁鑄鋼件的分型方法根據(jù)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)而定，但其砂型和砂芯的設(shè)計要注意如下幾方面：

(1)砂芯設(shè)計時要充分考慮其退讓性，要盡可能減少鑄件收縮阻力，以減少裂紋的產(chǎn)生。對于內(nèi)腔較大的砂芯可在內(nèi)腔設(shè)計稻草、煤渣等退讓物，也可以做成空心結(jié)構(gòu)。圖2是一種工程機械產(chǎn)品，左圖是產(chǎn)品的主體截面，右圖圓圈內(nèi)是實際生產(chǎn)時產(chǎn)生的裂紋，圓筒的壁厚為15 mm，而邊緣伸出的板厚48 mm，板和圓筒交接的部位產(chǎn)生貫通性的和圓筒軸線平行的裂紋，后期進(jìn)行改進(jìn)將坭芯內(nèi)部掏空，缺陷問題得到解決。

圖2 坭芯退讓性設(shè)計

(2)砂型、芯的設(shè)計要充分考慮排氣措施。外模一般在分型面設(shè)計扁平的排氣槽，引出氣體；砂芯在制作時要在芯頭部位扎盡可能多的氣眼。對于被鋼液包住的箱體結(jié)構(gòu)內(nèi)腔砂芯，由于薄壁件產(chǎn)品凝固速度快，型腔內(nèi)氣體很難在短時間內(nèi)排出箱外，可以在坭芯加入排氣繩，以保證排氣通道暢通。高速動車組用密接式車鉤結(jié)構(gòu)復(fù)雜，是由7個坭芯組成，圖3（上）是主體坭芯，形成鑄件的主體結(jié)構(gòu)，為加強排氣效果，芯骨采用圓形鋼管，鋼管上均勻打一些小孔，在上面纏草繩，并用專用的出氣繩從芯頭引氣。

圖3 坭芯排氣措施

(3)砂芯結(jié)構(gòu)設(shè)計要便于操作，尺寸較大的砂芯分兩半制作，做完之后將兩半坭芯粘在一起。在制作的過程中在沿著分芯面的芯頭方向開設(shè)排氣道，利于氣體的排出。

2.3 補縮系統(tǒng)的設(shè)計

鋼液流動性相對較差，在澆注薄壁鑄鋼件時充型相對困難，薄壁鑄鋼件在凝固過程中，散熱速度較快，設(shè)計澆冒口時，在滿足順序凝固原則的同時，還要兼顧同時凝固的原則。結(jié)構(gòu)復(fù)雜的鑄件在凝固過程中會出現(xiàn)一些孤立的液相區(qū)，這些部位沒有鋼液進(jìn)行補縮，在這些部位可放置冷鐵，使其迅速凝固，減少缺陷的形成。設(shè)計過程中應(yīng)注意以下幾點：

(1)冒口設(shè)計位置一般都分布在鑄件壁厚相對較厚的部位和熱節(jié)部位，冒口位置使整個鑄件收縮應(yīng)力分布基本均勻，在設(shè)計時采用模數(shù)法和補縮液量法進(jìn)行計算。

(2)澆注系統(tǒng)采用開放式設(shè)計，澆注系統(tǒng)各單元截面積一般采用下面比列：∑F直∶∑F橫∶∑F內(nèi)=1∶（1.1～1.2）∶（1.15～1.25），充型過程平穩(wěn)不會產(chǎn)生紊流、卷氣等，減少鑄件表面皺褶、冷隔等缺陷。

(3)在設(shè)計內(nèi)澆口時可以考慮從冒口出引入，既可以減少鋼液對砂型的直接沖刷，也可以解決內(nèi)澆口處的縮孔問題，需要注意的是當(dāng)內(nèi)澆口處的冒口設(shè)計成保溫冒口時，應(yīng)將冒口座做高，防止鋼液直接沖刷保溫冒口套，造成鑄件內(nèi)部夾渣。

(4)澆注系統(tǒng)應(yīng)從鑄件側(cè)面或者底部引入，減少鋼液進(jìn)入型腔內(nèi)的落差，減少鋼液對砂型的沖刷，同時防止造成鋼液的紊流，減少表面缺陷的產(chǎn)生。

(5)對于扁平狀或者筒狀鑄件，可以借鑒雨淋式澆注系統(tǒng)的設(shè)計，設(shè)計多道內(nèi)澆口，使鋼液在沖型過程中較為平穩(wěn)，并且能夠在短時間內(nèi)充滿型腔，避免產(chǎn)生澆不足、冷隔等缺陷。

2.4 其他工藝參數(shù)的設(shè)計

(1)設(shè)計縮尺時，外模和坭芯數(shù)值一般取不同值，外模縮尺2%左右，坭芯的縮尺1.8%左右甚至更小，對于長高比較大的鑄件，長度方向的縮尺要比寬度、高度方向的縮尺要小。

(2)對于開口鑄件，設(shè)置拉筋能夠防止鑄件的變形，同時增加工藝補正量。

(3)防裂筋的設(shè)置是有效防止裂紋出現(xiàn)的手段，防裂筋的厚度一般為壁厚的1/3～1/2左右，防裂筋的長度為其厚度的10倍左右，間隔為其厚度的20倍左右。

(4)對于一些孤立的熱節(jié)，設(shè)計成型外冷鐵，能夠很好地解決此部位的縮孔縮松缺陷，對于“T”型或“十”型結(jié)構(gòu)形成的交接部位的熱節(jié)，使用鉚釘類外冷鐵，能很好的解決類似結(jié)構(gòu)的缺陷問題。圖4是公司生產(chǎn)的一種箱體，主體壁厚15 mm，鑄件有許多“T”型或“十”型結(jié)構(gòu)，生產(chǎn)過程中在熱節(jié)部位產(chǎn)生了肉眼可見的縮孔，如圖4(左）圓圈所示，改進(jìn)后將圖4（右）中所示的鉚釘放在產(chǎn)生缺陷的部位，順利地解決問題。

圖4 鉚釘?shù)氖褂?/p>

(5)合理地設(shè)置出氣眼，能夠有效地將型腔內(nèi)氣體順利排出，出氣眼一般設(shè)置在鑄件的最高部位或者容易形成憋氣的部位，在澆注系統(tǒng)正對的方位一般要設(shè)置出氣眼。

2.5 型砂容易出現(xiàn)的問題及防治

在用酯硬化水玻璃砂生產(chǎn)鑄鋼件的過程中，主要出現(xiàn)以下問題：

(1)在造型、制芯的過程中出現(xiàn)蠕變、塌落現(xiàn)象，主要出現(xiàn)在夏季。

(2)型砂強速度過低。

出現(xiàn)①類問題的主要原因是夏季溫度高濕度大，型砂的可使用時間短。通過調(diào)整有機酯的種類及水玻璃的模數(shù)[2]，提高水玻璃的模數(shù)，使用中酯和慢酯的組合，在溫度大于30℃以上時，采用中酯和慢酯的組合，慢酯占有機酯加入量總量的10%～30%，嚴(yán)格控制原砂、水玻璃的品質(zhì)，每天開工前進(jìn)行原砂、水玻璃、有機酯流量的檢測，同時改善砂箱，增加箱檔加強強度，解決了此類問題；出現(xiàn)②類問題的主要原因是有機酯的硬化速度慢，采用中酯和快酯的組合，解決了此類問題。

3 結(jié)束語

(1)利用鑄造模擬軟件能夠縮短產(chǎn)品的開發(fā)周期，對鑄造工藝設(shè)計能夠起到指導(dǎo)作用，確保鑄件內(nèi)部品質(zhì)，提高研制的成功率。

(2)合理地設(shè)計砂型、砂芯，能夠減少薄壁鑄鋼件的氣孔、裂紋等缺陷。

(3)合理地設(shè)計澆注系統(tǒng)，可以很好地減少薄壁鑄鋼件的冷隔、澆不足等缺陷。

(4)酯硬化水玻璃砂的強度要根據(jù)溫度的變化相應(yīng)地調(diào)整水玻璃、有機酯的種類及含量，減少蠕變、下沉等缺陷。

[1] 中國機械工程協(xié)會鑄造分會，鑄造手冊：第4卷 造型材料[M].北京：機械工業(yè)出版社.2003.

[2] 李遠(yuǎn)才，等.鑄造造型材料實用手冊[M].北京：機械工業(yè)出版社.2009.

[3] 江梅枝， 劉劍兵，張俊法， 等. 新型酯硬化水玻璃自硬砂及其再生應(yīng)用[J]. 中國鑄造裝備與技術(shù),2000(3).

[4] 杜水憲,馬先民,印鵬飛,等.新型酯硬化水玻璃砂無箱造型生產(chǎn)線[J]. 中國鑄造裝備與技術(shù),2003(1).

Technology research of ester-cured sodium silicate sand for thin-walled steel casting

JIA Xu,PAN LianMing,ZHOU ZiLong,LI Wei,DU TianBin
（CSR Jiangsu Leadrun Manden Casting Co.,Ltd.,Jiangyin 214445,Jiangsu,China）

As important components of motor train and subway vehicle bogie system、coupler and draft gear system、 braking system， the inner and surface quality level of steel casting was higher. Most of them were thinwalled casting. The wall thickness of casting mainly was the range of 10 mm to 25 mm. In the production process some defects came out such as crack, cold shut, gas porosity. According to the technological characteristics of ester-cured sodium silicate sand,the corresponding measures are taken to produce qualifi ed casting.

thin-walled steel casting; process characteristics; casting defects; casting technology measures

TG245；

A；

1006-9658（2016）05-0030-04

10.3969/j.issn.1006-9658.2016.05.008

2016-03-03

稿件編號:1603-1269

賈旭（1983—），男，工程師，主要從事鑄鋼件材料研究及工藝設(shè)計.