緊急閥體覆膜砂鑄造工藝設計及產品實現

寧顯潤

（湖北海弘達鐵路車輛配件有限公司,湖北咸寧437000）

緊急閥體是鐵路貨車制動系統中的關鍵部件，其作用是在列車緊急制動時加快列車管的排氣，提高緊急制動時的靈敏度和可靠性，保障鐵路的行車安全。所以對鑄件的機械性能、金相等級以及內、外觀質量都要求較高。

1 緊急閥體技術要求

緊急閥體的材質為QT450-10，抗拉強度≥450MPa，延伸率≥10%，金相等級≥3級。鑄件毛坯尺寸為230mm×110 mm×100mm，最大壁厚28mm，最小壁厚2mm，毛坯重量為3.55kg，表面粗糙度為R a12.5μm，鑄件不得存在縮孔、縮松、氣孔、砂眼、冷隔、飛邊等影響產品性能、外觀的質量缺陷。圖1為緊急閥體3D鑄件圖。

圖1 緊急閥體3D鑄件圖

2 鑄件工藝設計及澆注系統設計

2.1 鑄件的結構分析

緊急閥體內腔結構比較復雜，壁厚差異較大、拐點較多，另外放風口的壁厚僅為2mm，必須提高澆注溫度來保證該處不產生冷隔缺陷，但如果提高澆注溫度必然會產生燒結粘砂等缺陷。另外，產品的位置精度較高，在加工完后會與另一個制動裝置中間體進行裝配使用。因此，綜合考慮確定該鑄件采用全覆膜砂殼型工藝生產。即可保證鑄件的尺寸精度，又可以利用覆膜砂的高強度來彌補高溫澆注后產生的缺陷，同時覆膜砂具有潰散性好等優點，易于清理，節約了成本。

2.2 鑄件的工藝設計

2.2.1 鑄件外型工藝的設計

由圖2所示，緊急閥體氣路較多，形狀較為復雜，且壁厚不均勻相差甚大，根據《鑄造工藝設計手冊》[1]最小鑄出孔直徑均在8mm以下，再考慮該產品的結構，確定所有的小內孔均為不鑄出孔。同時，根據分型面大平面朝下的分型原則，可進行水平分型如圖3所示。為保證機械加工的裝夾及使用要求，安裝面的非加工區域要使該處的斜度小于1°，鑄造工藝設計時考慮該處的拔模斜度設計為0°45′。

圖2 緊急閥體產品結構圖及內腔剖視圖

圖3 緊急閥體分型面的確定

2.2.2 鑄件內腔砂芯設計

覆膜工藝具有發氣量大的缺點，如果固化不徹底，在鑄件上會產生大量氣孔類缺陷，特別是在?100mm的大芯頭處，砂芯較厚大無法固化完全。模具上采用大功率加熱管又會造成較薄位置過燒，降低砂芯的強度使鑄件粘砂，緊急閥體在加工后需要進行氣壓試驗，如有氣孔將會泄漏造成產品報廢。因此，砂芯可設計為中空的方式，同時也節約了覆膜砂的用量，根據鑄件的實際壁厚來確定砂芯的壁厚，通常情況砂芯壁厚隨鑄件壁厚的增加而增加。砂芯的芯頭為水平芯頭，芯頭的尺寸可根據《鑄造工藝設計手冊》[1]芯頭基本尺寸查表進行確定，芯頭的形狀為圓柱形芯頭，其斜度可取7°，間隙為0.2mm。

2.2.3 鑄件其他工藝參數的確定

由于覆膜砂鑄件鑄造精度較高，可將鑄件的加工余量確定為砂芯縱向2mm，橫向1.5mm。為了獲得尺寸精度較高的鑄件，必須選擇適宜的鑄造收縮率，該鑄件的收縮率取0.9%，模樣的拔模斜度為0°45′。

圖4 鑄件澆注系統截面圖

2.3 鑄件的澆注系統設計

2.3.1 澆注系統的設計

球墨鑄鐵的鐵液經球化孕育處理后，溫度會下降很多，澆注時必須要迅速，并且球墨鑄鐵易氧化，為了防止產生二次氧化渣，鐵液充型要求平穩、通暢，生產中多采用半封閉式澆注系統或者封閉式澆注系統。球墨鑄鐵液態收縮大，具有糊狀凝固特性，在鑄件上形成縮孔和縮松的傾向大，生產上多按定向凝固的原則設計澆注系統，并用冒口補充液態金屬給予凝固初期的收縮。當內澆道通過冒口澆入時，可采用封閉式澆注系統。

根據圖1的產品結構，緊急閥體鑄件澆注系統的內澆口位置，將從厚大部位的Ι處引入，為了保證后期加工2個M10的內孔無縮孔，并保證其周邊的組織致密不會發生泄漏問題，在該位置使用側冒口的方式對其進行補充金屬液，鐵液由前端的橫澆道引入冒口。

根據水力學原理導出澆注系統內澆道的最小控流截面積，其公式按（1）計算，同時按公式（2）、(3)、(4)確定澆注時間、澆注時鐵液在型腔內的流速以及壓力頭。

經過計算，鑄件的澆注時間選擇為8s，鐵液在型腔內的上升速度為1.5cm/s，壓力頭為85mm，確定了內澆道的截面積為6.2cm2。澆注系統的截面積比為∑直：∑橫：∑內＝2.8：2.5：1。

2.3.2 補縮冒口的設計

球墨鑄鐵以糊狀凝固方式由液態變為固態，在凝固過程中會發生共晶轉變而析出石墨，石墨的比容大于鐵液因而體積發生體膨脹，此時鑄件表面凝固層較薄使鑄型向外移動，鑄件內部不能得到鐵液的補充，在最后凝固的地方形成不規則的集中縮孔缺陷。對于這些集中型縮孔缺陷可采取合理的冒口設計，冒口在澆注系統中的作用就是補償收縮帶來的體積變化。鑄件的工藝設計應努力實現冒口處鐵液溫度最高且最后凝固，達到順序凝固的效果從而得到致密性較好的鑄件。

為保證補縮冒口發揮作用，冒口凝固時間必須比需要補縮的鑄件凝固時間長，冒口頸的凝固時間必須比鑄件的凝固時間長，另外在鑄件收縮,即從液態轉變為固態的過程中,冒口必須儲存足夠補償鑄件體積不足的金屬液。

經過對鑄件的結構分析和覆膜砂工藝特點，本次設計的冒口為側邊暗冒口，澆道通過冒口進入鑄件。根據模數理論，鑄件的凝固時間取決于它的體積和傳熱面積的比值，其比值為凝固模數如公式（5）所示。

式中，M為模數（cm），V為體積（cm3），A為傳熱面積（cm2）。經過計算緊急閥體需要補縮的主要位置的模數為0.55cm。根據《鑄造工程師手冊》[2]球墨鑄鐵冒口尺寸查表可得冒口的直徑取60mm，冒口高度為80mm，如圖5所示。

圖5 鑄件側邊冒口設計圖

2.3.3 模具布局設計

為了進一步提高緊急閥體的鑄件工藝出品率和產量，對工藝進行了優化，在澆注過程中，由于鐵液流經冒口體與冒口頸的時間較長，其周圍的型砂表面加熱了，所以又能延長冒口體與冒口頸的凝固時間，充分對產品進行了補縮。另外，考慮到球墨鑄件在球化處理后應該盡快澆注完畢，來避免球化衰退，減少澆包的移動次數節省了大量的時間，同時也為了提高產量，因此考慮增加澆注重量，模具設計為一模4出的方式，最終緊急閥體的模具設計布置圖如圖6所示。

圖6 緊急閥體的金型模具布置圖

3 鑄件生產過程控制

3.1 制芯及組芯要求

覆膜砂在制芯過后，射砂孔及排氣位置會產生一些無可避免的飛邊和毛刺，另外在頂桿位置還會有凸出或者凹陷，這些砂芯必須經仔細檢查，對于凸出物需要修理，而凹陷的地方需要使用修補劑進行修補，否則會嚴重影響鑄件的內腔和外觀質量。

合箱是造型的最后一道工序，也是保證鑄件質量關鍵工序之一。將已制好的砂型和砂芯按照工藝要求進行合箱裝配成鑄型，如果合箱過程中，工作稍有疏忽，就會給鑄件造成氣孔、砂眼、錯箱、偏芯、披縫和抬箱跑火等缺陷。為此，合箱中可能出現的問題都應該事先考慮到并妥善加以解決。首先應將砂型內腔的浮砂或砂粒使用風槍進行吹凈，然后進行下芯，下芯時各芯的芯頭座應該對應放置，否則將無法安放到位。由于緊急閥體在模具設計時，使用了凹凸槽設計方式，所以下芯完成后便可進行上箱合型工序了。

3.2 熔煉要求

緊急閥體為QT450-10的鐵素體基體球墨鑄鐵，目前該材質在國內、外已取得了不少該方面的鑄造生產經驗，要使鑄態QT450-10性能達到要求，必須嚴格限制球鐵中硫和磷的含量，一般要求ωS＜0.02%，ωP＜0.06%，減少偏析和夾雜對球鐵性能的危害。在熔煉過程時，采用中頻感應電爐熔煉，可以更好地控制和調整球鐵原鐵液的化學成分，凈化鐵液，熔煉出合格的鐵液，提高鑄態下鐵素體球墨鑄鐵的塑性和韌性。另外，選用優質的球鐵原材料可以避免熔煉后因鐵液中夾雜過多而導致球鐵的力學性能下降，還可以減少球化劑及孕育劑的加入量。合理選擇球化溫度和澆注溫度，避免球化劑燒損帶來的球化不良等缺陷的產生[3]。

對于本次緊急閥體的熔煉工藝設計，考慮到鑄件壁厚不均勻，且最小壁厚僅為2mm，可適當提高碳量，使最終的碳當量接近于共晶成分，既可提高鐵液的流動性，也可得組織致密的鑄件。提高硅量可提高鑄件的延伸韌性，又可細化石墨提高石墨球的圓整度，不過當硅含量偏高時，其脆性增大，同時延伸率也會隨之降低，因此需要將硅含量控制在一個合理的范圍。在球鐵中，錳具有強化鐵素體和穩定珠光體的作用，但有球化元素的存在，提高錳的含量會促使晶間碳化物的產生，另外偏析傾向也會隨之變得嚴重，一般對于鐵素體基體的球鐵來說，錳的含量一般控制在0.4%以下。硫、磷在球鐵中均屬于有害元素，當兩者含量超過一定值后，會導致縮松傾向增大韌性降低，另外還會產生硫化物而導致球化不良等缺陷的產生。

3.3 澆注要求

本次緊急閥體的澆注包選擇為500kg并使用行吊包進行澆注，在澆注前必須保證澆包清潔，包壁上的熔渣必須去除，包緣散落的除渣劑應該使用風槍吹干凈，以免落入鐵液進入型腔造成夾渣缺陷。

球化處理采用三明冶處理方式，包底凹坑里的球化劑攤平、適當舂實，再把上面覆蓋的孕育劑攤平并適當舂實，表面覆蓋適當量的球墨鑄鐵屑（舂實）或一定厚度的球墨鑄鐵板。鐵液出爐應選擇在放置球化劑的另一邊，否則鐵液會直接沖擊球化孕育劑，導致反應過早過快，Mg燒損嚴重降低球化效果。緊急閥體的澆注溫度應控制在1420～1460℃，采用快速澆注，澆注的速度為7～9s，否則在薄壁處將產生冷隔缺陷。

綜上所述，本次緊急閥體的最終成分將選擇為：ωC＝3.75%～3.85%、ωSi=2.6%～2.8%、ωMn≤0.4%、ωS＜0.02%、ωP＜0.06%。球化劑和孕育劑的加入量將根據實際成分進行變化控制。經過3次的批量生產，其控制的最終化學成分如表1所示（采用光譜分析法得出），其3組試樣的機械性能均達到了《GB/T 1348-2009球墨鑄鐵件》的要求（如表2所示）。另外，根據《GB/T 9441-2009球墨鑄鐵金相檢驗》，其球化等級均達到了3級以上，如圖7所示。

表1 緊急閥體的化學成分 ωB/%

表2 緊急閥體檢驗的機械性能

圖7 緊急閥體3次生產的球化等級(×100)

4 結語

通過對緊急閥體的產品結構分析，在工藝設計中綜合了覆膜砂的特點和鑄件生產過程控制特點，設計了相對較為全面的鑄造工藝。經過實際生產對工藝設計進行了充分的驗證，不論是機械性能還是金相等級都達到了標準要求。另外，對鑄件進行了分塊解剖驗證，內腔光潔無飛邊毛刺，外觀也達到了相應要求，且鑄件組織致密無縮松、縮孔等缺陷。