鑄鋼件表面質量提升工藝改進研究

賈 旭，劉健明，姜偉航

（1．中車戚墅堰機車車輛工藝研究所有限公司，江蘇常州 213025；2．江蘇朗銳茂達鑄造有限公司，江蘇江陰 214445）

近年來隨著新型城鎮化和工業化的發展，國家出臺了《鐵路“十三五”發展計劃》，繼續優化和完善路網布局，運營里程和城市軌道交通運營里程逐年提升，車輛需求逐年增加，軌道交通關鍵鑄件的訂單需求逐年增加。“一帶一路”和“中國制造2025”強國戰略的實施，軌道交通安全、可靠性要求逐年提升，作為裝配在影響車輛運行安全的鑄鋼件，如車鉤、安裝座、制動盤、軸箱體等，表面質量要求逐年提高，提出諸如“鑄件的整個區域不允許存在澆不足、冷隔、裂紋、褶皺等缺陷”等標準較高的要求[1]。筆者公司原有的水玻璃砂工藝生產的鑄鋼件已無法滿足日益提高的鑄件表面質量要求，筆者通過選取典型產品進行試驗研究，摸索提升表面質量的工藝方案。

1 產品鑄造工藝及表面質量情況

1.1 產品鑄造工藝簡介

密接式車鉤屬于典型的薄壁框型鑄件，主要壁厚12mm，鑄件中間空腔結構由一個整體坭芯形成，如圖1所示。鑄件材質為公司自主研發的低碳合金鋼ZG18MnNiV。采用酯硬化水玻璃砂進行造型、制芯，砂型表面均采用醇基鋯英粉涂料進行刷涂。砂型通過表干爐烘干后進行合箱，12h內完成澆注。鋼水采用中頻感應爐進行熔煉，使用低注式鋼包進行澆注，初始澆注溫度不低于1565℃。

圖1 密接式車鉤坭芯

1.2 表面質量情況

密接式車鉤采用水玻璃砂工藝進行造型、制芯，鑄件澆注后內腔表面存在皺褶、氣坑等表面缺陷，如圖2所示。在后處理工序中需要進行大量的打磨、修補，耗費較多的材料、人工，一方面導致成本增加，另一方面增加產品的交付周期。隨著質量要求的不斷提升，目前的鑄件內腔表面質量已不能滿足客戶的要求。

圖2 鑄件內腔表面質量

2 試驗方案

主要采用鉻鐵礦砂、堿酚醛樹脂砂、酚脲烷自硬樹脂砂、覆膜砂等不同型砂作為車鉤內腔坭芯的成型材料，外模制作工藝不變，其余鑄造工藝參數（澆冒口、冷鐵、澆注溫度等）保持不變，通過鑄件澆注試驗，查看鑄件的表面質量情況。

2.1 酚脲烷自硬樹脂砂方案

原砂采用筆者公司使用的硅砂，粒度40/70目，SiO2含量不小于96%，樹脂采用國內某知名廠家生產的酚脲烷自硬樹脂，樹脂共2種組份，Ⅰ組份型號為NP-101HB、Ⅱ組份型號為NP-102HB，催化劑型號為NP103。按照推薦比例進行型砂混制，具體如下：樹脂Ⅰ組份占原砂重量的0.75%，樹脂Ⅱ組份占原砂

重量的0.65%，催化劑占樹脂Ⅰ組份的1%，鐵紅加入量為原砂的3%。

坭芯制作過程：首先進行原砂稱重，放入碗型混砂機，準備樹脂Ⅰ組份和Ⅱ組份。將催化劑加入Ⅰ組份后放入混砂機中，啟動后放入Ⅱ組份，混制時間30s。混好后進行坭芯制作，坭芯制作完成后第二天表面刷2遍涂料，吊進表干爐進行烘烤，時間20min左右。然后進行落芯、合箱。按照熔煉工藝進行澆注，試驗鑄件的澆注順序為第二箱和最后一箱。

2.2 鉻鐵礦水玻璃砂方案

原砂采用鉻鐵礦砂，粒度50/100目，采用改性水玻璃、有機酯進行混制。根據公司規定的配比進行型砂混制，具體如下：水玻璃占原砂重量的2.5%，有機酯占水玻璃重量的15%。

坭芯制作過程：首先進行原砂稱重，放入碗型混砂機，準備改性水玻璃和有機酯，將有機酯放入混砂機中，啟動后混制時間30s，接著放入水玻璃進行混制30s，混好后進行坭芯制作。坭芯制作完成后第二天表面刷2遍涂料，吊進表干爐進行烘烤，表干溫度200℃，時間40～50min。然后進行落芯、合箱，按照工藝要求進行澆注，試驗鑄件的澆注順序為第二箱和最后一箱。

2.3 寶珠砂水玻璃砂方案

原砂采用寶珠砂，角形系數1.06，耐火度≥1800℃，密度（1.95～2.05）g/cm3，主要成分為 Al2O3和SiO2，熱膨脹率0.13%，原砂粒度40/50目，寶珠砂的水分為0.16%。寶珠砂40、50兩篩集中度達到93%，粒度較為集中，具體數據見表1。粘結劑和固化劑采用筆者公司使用的改性水玻璃、有機酯。根據公司規定的配比進行型砂混制，具體如下：水玻璃占原砂重量的2.5%，有機酯占水玻璃重量的15%。

表1 寶珠砂粒度分布

坭芯制作過程：首先進行原砂稱重，放入碗型混砂機，準備水玻璃和有機酯，將有機酯放入混砂機中，啟動后混制時間30s，接著放入水玻璃進行混制30s，混好后進行坭芯制作。坭芯制作完成后第二天表面刷2遍涂料，吊進表干爐進行烘烤，表干溫度200℃，時間1h。然后進行落芯、合箱，按照工藝要求進行澆注，試驗鑄件的澆注順序為第二箱和最后一箱。

2.4 堿性酚醛樹脂砂方案

原砂采用筆者公司使用的硅砂，粒度40/70目，樹脂采用國內某知名廠家生產的鑄造用堿性酚醛樹脂及固化劑，樹脂型號為JF-103D，固化劑型號HQG20。按照比例進行型砂混制，具體如下：樹脂組份占原砂重量的1.5%，固化劑占樹脂重量的25%。

坭芯制作過程：首先進行原砂稱重，放入碗型混砂機，準備樹脂和固化劑。先將固化劑放入碗型混砂機中，啟動后混制30s，再放入樹脂，再次混制30s后放砂進行坭芯制作。坭芯制作完成后第二天表面刷2遍涂料，吊進表干爐進行烘烤，表干溫度150℃，表干時間1h。然后進行落芯、合箱，按照工藝要求進行澆注，試驗鑄件的澆注順序為第二箱和最后一箱。

2.5 覆膜砂方案

為縮短產品的試驗周期，采用3D打印的SLS（選區激光燒結）、SLA（立體光固化成形）等工藝[2]進行坭芯的快速制作，節省了模具設計、制作及驗證的時間。覆膜砂選用適用于鑄鋼件的高強度低發氣干態類覆膜砂,抗拉強度比普通覆膜砂高30%以上，發氣速度比普通覆膜砂要慢3s以上[3]。覆膜砂的粒度分布見表2，性能參數見表3。坭芯制作完成后第二天表面刷2遍涂料，吊進表干爐進行烘烤，表干溫度200℃，時間40～50min。然后進行落芯、合箱，按照工藝要求進行澆注，試驗鑄件的澆注順序為第二箱和最后一箱。

3 試驗結果

鑄件澆注后按照工藝規定的時間進行開箱，開箱后震動落砂機進行清砂，內腔未掉落砂塊使用機械工具進行輔助清理，清理后使用吊掛式拋丸機進行拋丸處理，觀察鑄件的內腔表面情況，各種試驗方案的內腔表面質量如下圖3～6所示。

通過以上圖片的對比可以看出，使用覆膜砂坭芯方案生產的密接式車鉤內腔表面質量情況明顯優于其他試驗方案生產的鑄件，鑄件的表面一致性達到了較高的水平，表面粗糙度優于Ra50μm，達到改進表面質量的目的。

表2 覆膜砂粒度分布

表3 覆膜砂性能參數

圖3 酚脲烷自硬樹脂砂方案

圖4 鉻鐵礦水玻璃砂方案

圖5 寶珠砂水玻璃砂方案

圖6 覆膜砂方案

4 工藝方案實施及推廣

為驗證工藝方案的穩定性，進行產品的小批量試驗。結合前期覆膜砂試驗的情況，進行覆膜砂模具的設計及制作。坭芯制作完成后需在200℃條件下烘烤1.5h，表面刷涂料一遍。清除芯頭部位涂料淤積，進行落芯、合箱，共澆注密接式車鉤試驗20件。鑄件開箱后進行清砂、切割澆冒口、拋丸等工序，查看鑄件內腔表面質量情況，無澆不足、冷隔、裂紋、褶皺、氣孔等表面缺陷。車鉤表面處理后進行磁粉探傷、射線探傷，均滿足要求。經過尺寸檢查與加工驗證，鑄件尺寸均滿足要求。

覆膜砂方案在密接式車鉤鑄件上的成功運用，給公司其他產品起到了引導作用。覆膜砂方案被公司推廣應用于安裝座、鉤尾座、地鐵車鉤、軸箱體等軌道交通產品，獲得了較好的效果，不僅提升了表面質量，同時保證了尺寸精度。

5 結論

（1）使用覆膜砂作為鑄鋼件的砂型材料，不僅可以解決鑄鋼件的冷隔、褶皺等表面鑄造缺陷，而且可以提升表面粗糙度，較好地提高鑄鋼件的表面質量。

（2）3D打印技術的應用可以快速的進行坭芯的制作，節省傳統鑄造方法中模具設計及制作的時間，明顯地縮短工藝試驗周期。