球墨铸铁轨道垫板在垂直生产线上的工艺改进.pdf

圆园24/2现代铸铁收稿日期：2023-11-21修订日期：2024-03-20作者简介：王文青（1970.1），河北省石家庄人，毕业于河北工业大学材料成型与改性专业，高级工程师，主要从事铸铁件的铸造工艺设计与熔炼技术研究工作。球墨铸铁轨道垫板在垂直生产线上的工艺改进王文青，梁瑞学，刘瑞海，赵胜波，方喜（邯郸市宝特铸造有限公司，河北邯郸057350）摘要：介绍了采用垂直分型线生产的球墨铸铁轨道垫板的原生产工艺及存在密集的砂眼、渣眼缺陷，通过对浇注系统和冒口进行改进，有效解决了大平面存在的砂眼、渣眼问题，最后指出：（1）在垂直线上生产板类铸件，可以实现液面的快速上升，避免高温铁液对砂型平面的烘烤变形，但上下部同时引入铁液且上部流量大于下部流量的浇注系统不可取，会导致型腔内铁液的严重紊流，不利于夹渣、砂粒的稳定上浮；（2）内浇道充型铁液的速度较高，不应正对砂芯或砂胎，会导致冲砂风险；（3）对于板类铸件，采用半开放式阶梯浇注系统很好地解决了原工艺存在的密集型砂眼、渣眼问题。关键词：球墨铸铁；轨道垫板；垂直生产线中图分类号：TG255文献标志码：B文章编号：员园园猿原愿猿源缘（圆园24）园2原园园35原04Casting Method Improvement of Nodular Iron Track Pad Produced on Vertically-parted LineWANG Wen-qing，LIANG Rui-xue，LIU Rui-hai，ZHAO Sheng-bo，FANG Xi（Handan Baote Foundry Co.,Ltd.，Handan057350，China）Abstract：An introduction was made on the original casting method and caused concentrated sand inclusion and slag inclusiondefects.By improving gating system and risers，the problem that the sand inclusion and slag inclusion defects on the large flatsurface was effectively solved.Finally pointed out：（1）Producing board castings on vertically-parted line could realize liquidlevel rapidly rising to avoid the baking deformation of sand mold surface by high temperature iron liquid.However，it was notadvisable to introduce the pouring system in the upper and lower parts of the casting and the upper flow was greater than thelower flow，because it would cause serious turbulent flow of the iron liquid in the mold cavity that would be unfavourable tothe stable floating of the slag and sand particles.（2）Since the mold-filling velocity of iron liquid in ingate being relativelyhigher，in should not be facing to the sand core or sand lump，that it would cause sand washing.（3）For the board castings，using semi-unpressurized gating system could well solve the problem of former casting method of crowded sand inclusion andslag inclusions.Key words：nodular iron；track pad；vertically-parted line笔者公司使用垂直分型无箱射压造型线，生产球墨铸铁 FGC308 铁路垫板铸件。生产设备为保定维尔 416 成套设备、ZZ416AF 型号造型机和 S1822 型号混砂机，原材料为 70/140 目圆形水洗砂、维科优质膨润土和煤粉，型砂的湿压强度0.120.18 MPa，紧实率 40%50%，水分含量 3.5%4.0%，透气性 110150，砂型硬度 9095。1铸件结构与技术要求1.1铸件结构FGC308 铁路垫板铸件单重 8.6 kg，外形尺寸365 mm伊212 mm伊50 mm，最大壁厚 20 mm，铸件结构如图 1 所示。1.2技术要求1.2.1材料牌号材料牌号应符合欧盟标准 EN-GJS-400-18。1.2.2金相组织Problems and Countermeasures35现代铸铁 圆园24/2球化率逸80%，珠光体体积分数臆20%，铁素体体积分数逸70%，铸件本体的渗碳体体积分数臆2%，石墨呈球状或团球状，尺寸越小越好。1.2.3力学性能单铸试块14 mm 加工试棒的抗拉强度逸400 MPa，屈服强度逸250 MPa，伸长率逸18%，铸件本体的布氏硬度 120180 HB。1.2.4化学成分化学成分要求为：w（C）3.4%3.9%，w（Si）2.1%2.5%，w（Mn）0.1%0.3%，w（P）臆0.05%，w（S）臆0.02%，w（Mg）0.02%0.06%，w（RE）臆0.04%。1.2.5铸件尺寸铸件尺寸及偏差应符合 GB/T 64142017铸件尺寸公差、几何公差与机械加工余量 标准的 CT9 级。1.2.6铸件外观质量允许最大直径 2.5 mm、深度臆0.35 mm、孔间隔大于 30 mm 的气孔或砂眼缺陷存在，但数量不超过 3 个，铸件的标记应正确、清晰、可辨认。管卡打磨后允许有浇、冒口残留，浇冒口残留量臆0.3 mm。铸件允许错箱值臆0.5 mm。2原生产工艺及存在的问题2.1原生产工艺一型 1 件布置，为防止渣眼、夹砂等缺陷，采用封闭式浇铸注系统，浇道比为 撞F直:撞F横:撞F内=1.4:1.2:1，直浇道截面积 480 mm2，横浇道面积400 mm2，内浇道面积 320 mm2，在顶部近热节部位设置 2 个尺寸为60 mm伊80 mm 的冒口，不使用冷铁，铸造工艺如图 2 所示。浇注温度为首箱 1 420 益，尾箱逸1 350 益，每包浇注箱数为 20箱。浇铸时间每箱小于 7 s。采用中频感应电炉进行熔炼，炉料配比为48%Q12 生铁+49%回炉料+3%废钢（碳钢），化学成分为：w（C）3.4%3.9%，w（Si）2.5%2.8%，w（Mn）0.1%0.3%，w（P）臆0.08%，w（S）臆0.02%，w（Mg）0.02%0.06%，w（RE）臆0.04%。采用冲入法球化处理工艺，采用粒度为 525mm 稀土镁球化剂，加入量 1.2%，采用硅钡钙复合孕育剂，一次孕育的孕育剂 512 mm，加入量0.6%，随流孕育的孕育剂粒度为 25 mm，加入量0.4%。2.2存在的问题按照上述工艺生产的铸件尺寸、化学成分、力学性能均符合技术要求，但铸件表面有密集型砂眼、渣眼存在（如图 3 所示），分布在铸件表面，废品率高达 30%40%。3原因分析（1）原工艺虽然采用了封闭式浇注系统，但只能对刚进入浇注系统的铁液起到阻流闭渣的作用，大块熔渣得到阻拦。但由于型腔上下部同时（a）（b）图 1铸件结构Fig.1Casting structure图 2原铸造工艺Fig.2Original casting method60034060#330#355#4#2551508.5排气片：202问题与对策Problems and Countermeasures36圆园24/2现代铸铁引进铁液，两股铁液在型腔内相互冲撞，形成严重的紊流，型腔内铁液凝固过程中聚集的夹渣不能随着液面上升到达冒口，处于分散分布的状态。（2）顶部冒口处于砂芯附近，浇注时铁液冲击砂芯和其附近砂型，导致冲砂。（3）把冒口颈当内浇道，且充型时间长，也会导致型砂脱落。（4）底部浇道截面积太小，而且内浇道距离太近，不利于快速建立足够高度的抗冲击液体高度，加大了顶部铁液冲击砂型底部的风险。4工艺改进采用半开放式阶梯浇注工艺，撞F直:撞F横:撞F内=1.6:1:1.2，直浇道截面积 480 mm2，横浇道截面积300 mm2，内浇道截面积 360 mm2。采用闭渣片结构对进入浇注系统的铁液阻流闭渣，开放式内浇道保证进入横浇道的铁液优先通过底部平稳进入型腔，使液面快速平稳上升，细小的砂粒、熔渣上升到液面顶部后，其余部位铁液得到净化，当液面接近型腔顶部时，上升速度降低，大部分铁液通过上层阶梯浇道从冒口引入，顶部的热铁液不仅保证冒口良好的补缩，还为砂粒、渣块进一步上浮到冒口提供了便利通道。冒口尺寸未做改变，位置向中线各靠近 30 mm1。冒口顶部设排气通道，减小充型阻力。将顶冒口位置偏离砂芯上方，减小冲砂风险2，改进后的铸造工艺如图4 所示。如图 1 所示的铸件上有 4 个通孔，其中左上和右下 2 个通孔直接靠扒模砂胎形成，左下和右上 2 个通孔结构相对复杂，通过下覆膜砂砂芯形成，一个芯头为圆形，另一个芯头为方形，避免下错芯；采用高强度的覆膜砂芯并留有 0.2 mm 间隙，避免砂型合型时摩擦。5改进效果工艺改进后，生产的轨道垫板铸件如图 5 所示，初检合格率上升到 90%以上，综合成品率达到 95%以上，如表 1 所示。6结论（1）板类铸件在垂直线上生产，可以实现液面的快速上升，避免了高温铁液对砂型平面的烘图 3铸件砂眼缺陷Fig.3Sand inclusion defects of casting图 4改进后的铸造工艺Fig.4Improved casting method6003409550#6应力槽厚 3.5排气片：20伊2#4#4#2#4 双面壁厚 3.61208.5110图 5改进后的铸件照片Fig.5Casting photograph after method improvement（下转第 42 页）Problems and Countermeasures（a）未去浇注系统（b）去浇注系统37现代铸铁 圆园24/2烤变形，但上下部同时引入铁液且上部流量大于下部流量的浇注系统不可取，会导致型腔内铁液的严重紊流，不利于夹渣、砂粒的稳定上浮，造成砂眼渣眼的无规律分布，另外，紊流铁液还可能使得内部产生一定数量的气孔缺陷。（2）内浇道充型铁液的速度较高，不应正对砂芯或砂胎，否则会导致冲砂风险。（3）对于板类铸件，采用半开放式阶梯浇注系统很好地解决了原工艺存在的密集型砂眼、渣眼问题。参考文献1李晨希.铸造工艺与工装设计M.北京：化学工业出版社，2014.2王凯，鲍飞，李元，等.球墨铸铁件冒口颈处渣眼缺陷的防止措施J.现代铸铁，2021（4）：48-50.（编辑：吕姗姗，E-mail：xdzt_）生产日期2022050820220530202206012022060420220622202206232022070720220716冷隔/件061750176752气孔/件9014134112928掉砂/件003325246860缩孔/件181900001233胀砂/件0020380000成品/件9286251 6272 4401 6186311 4975 295综合成品率/%97.296.295.195.195.296.397.796.8表 1工艺改进后的铸件缺陷统计Tab.1Casting defects statistics after method improvement（上接第 37 页）4产品可靠性验证将球墨铸铁连接支架安装到试验车上进行可靠性验证。道路试验后，连接支架未出现变形、开裂、断裂等质量问题，球墨铸铁连接支架满足整车可靠性要求。5结束语针对商用车行业应用的钣金冲焊连接支架存在的可制造性差、零件质量及成本较高问题，采用结构一体化设计与选材优化，初步开发了两种不同材料的铸造连接支架结构。经对两种新结构方案的应力有限元可靠性仿真，优选承载可靠性高的球墨铸铁结构方案进行铸造工艺设计、零件试制及实车可靠性验证。结构应力有限元仿真与实车验证表明，相比原钣金冲焊结构，球墨铸铁结构连接支架不仅满足车辆承载可靠性要求，还可实现减重 23%、降成本 25%的综合收益。参考文献1李祥龙.重卡自卸车货厢轻量化设计研究D.济南：山东大学，（a）正面（b）侧面图 8球墨铸铁连接支架的 X 射线探伤结果Fig.8X-ray inspection results for nodular iron bracket铸造工艺Casting Method42