球墨鑄鐵輪轂的砂型鑄造工藝設計

江蘇萬力機械股份有限公司鑄造公司 （海安 226611）董 琪 顧厚軍

球墨鑄鐵輪轂是列車運行設備中的一個關(guān)健零件。輪轂品質(zhì)的優(yōu)劣直接影響行車安全，由于其在列車運行中處于特殊位置，承受著復雜交變載荷，服役條件惡劣。

我公司是生產(chǎn)球墨鑄鐵內(nèi)燃機鑄件的專業(yè)廠。2008年按美國鐵路工程協(xié)會（AREA）標準，應美方要求生產(chǎn)的球墨鑄鐵輪轂，內(nèi)在品質(zhì)的檢測，采用實物全檢全部位射線拍片。初期無損檢測結(jié)果表明，輪轂厚大變截面積熱節(jié)斷面內(nèi)存在較嚴重的疏松、縮孔等缺陷，達不到AREA標準。美國的輪轂結(jié)構(gòu)不同于我國的結(jié)構(gòu)設計，平均壁厚比我國的輪轂厚；美國的材質(zhì)為球墨鑄鐵，而我國的材質(zhì)為孕育灰鑄鐵。本文針對美國的輪轂結(jié)構(gòu)和材質(zhì)特點，主要從優(yōu)化鑄造工藝入手，以消除熱節(jié)部位的縮孔、縮松等鑄造缺陷開展試驗研究。

1.鑄件分析

該鑄件（見圖1）最大直徑390mm，高度160mm，重量50kg，材質(zhì)為QT550－6，硬度220～240HBW；熱節(jié)最大截面直徑45mm，較易形成縮孔、縮松。根據(jù)美國AREA標準，鑄件必須進行X射線無損檢測，內(nèi)部不允許有缺陷。

圖1

2.試驗方案

在試制的出口輪轂中，經(jīng)篩選采用以下兩種不同的砂型鑄造工藝方案，各生產(chǎn)6件進行實物拍片對比，從中獲取適宜的鑄造工藝方案。

方案1：輪轂徑向為水平方向造型，一型一件，鑄件頂部設計冒口（包括補貼），鐵液從冒口引入。6件中3件在鑄件內(nèi)側(cè)熱節(jié)處放置冷鐵，如圖2所示。

圖2

方案2：輪轂徑向為豎立方向造型，一型兩件，鑄件軸向側(cè)面設計邊冒口，鐵液從冒口引入。外模遠離冒口熱節(jié)處放置冷鐵，鑄件內(nèi)側(cè)熱節(jié)下型處放置冷鐵，如圖3所示。

圖3

3.試驗結(jié)果對比

方案1：盡管頂部設置了冒口（包括補貼），部分鑄件內(nèi)側(cè)熱節(jié)處放置冷鐵，且為保證型腔剛度，選擇自硬砂造型等措施，但輪轂厚大變截面熱節(jié)處仍不能完全消除縮松、縮孔等鑄造缺陷（見圖4）。主要原因是鑄件本身結(jié)構(gòu)壁厚不均勻，造成熱量集中，冷卻不均勻，即便通過冒口補貼，使得鑄件各部位不同壁厚的連接采用逐漸過渡形式，也難以充分補縮厚大變截面熱節(jié)。另外，冒口位置和鐵液引入方面也不是最佳選擇。

圖4

方案2：由于方案2分型與方案1相差90°，鐵液從冒口引入，冒口設置在鑄件軸向側(cè)面，基本消除了輪轂厚大變截面熱節(jié)處的鑄造缺陷。加之鑄件外部遠離冒口熱節(jié)處和鑄件內(nèi)側(cè)熱節(jié)下型處放置冷鐵，也加快了變截面熱節(jié)區(qū)鐵液的凝固，消除了該部位的縮孔、縮松。輪轂的各個部位熱量較平衡，創(chuàng)造了順序凝固條件，在暗冒口作用下，輪緣面得到充分的補縮，從試驗情況看鑄件的內(nèi)部基本上消除了鑄造缺陷。

通過以上兩種工藝方案的試驗，實物拍片對比，方案2優(yōu)于方案1。按方案2工藝生產(chǎn)的輪轂，完全達到美國AREA標準。

4.注意事項

為了保證輪轂質(zhì)量，操作上嚴格控制鐵液化學成分（wC＝3.6%～3.8%、wSi＝2.5%～2.9%、wMn＜0.6%、wS＜0.025%、wP＜0.08%、wMg＝0.03%～0.05%、wRE＝0.02%～0.03%）、澆注溫度（1370～1390℃），加強澆注時的補澆，按工藝要求擺放好各種冷鐵。

在冷鐵接觸輪轂的鑄件表面位置，采用涂料掛砂（覆膜砂）工藝，以便鑄件清理，避免冷鐵接觸鑄件表面產(chǎn)生氣孔。另外，制作砂芯時，自硬砂混制要注意樹脂和固化劑的配比，混砂要均勻，冷鐵擺放位置要正確，砂芯制作24h后才能造型和澆注，以保證砂芯強度，避免產(chǎn)生氣孔缺陷。