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(zhèn)化和工業(yè)化的發(fā)展，國家出臺了《鐵路“十三五”發(fā)展計劃》，繼續(xù)優(yōu)化和完善路網(wǎng)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(guān)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(zhàn)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(zhì)量要求逐年提高，提出諸如“鑄件的整個區(qū)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(chǎn)的鑄鋼件已無法滿足日益提高的鑄件表面質(zhì)量要求，筆者通過選取典型產(chǎn)品進行試驗研究，摸索提升表面質(zhì)量的工藝方案。

1 產(chǎn)品鑄造工藝及表面質(zhì)量情況

1.1 產(chǎn)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(jié)構(gòu)由一個整體坭芯形成，如圖1所示。鑄件材質(zhì)為公司自主研發(fā)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(nèi)完成澆注。鋼水采用中頻感應(yīng)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(zhì)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(nèi)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(dǎo)致成本增加，另一方面增加產(chǎn)品的交付周期。隨著質(zhì)量要求的不斷提升，目前的鑄件內(nèi)腔表面質(zhì)量已不能滿足客戶的要求。

圖2 鑄件內(nèi)腔表面質(zhì)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(nèi)腔坭芯的成型材料，外模制作工藝不變，其余鑄造工藝參數(shù)（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(zhì)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(nèi)某知名廠家生產(chǎn)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?；旌煤筮M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(jù)公司規(guī)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(shù)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(shù)據(jù)見表1。粘結(jié)劑和固化劑采用筆者公司使用的改性水玻璃、有機酯。根據(jù)公司規(guī)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(nèi)某知名廠家生產(chǎn)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(chǎn)品的試驗周期，采用3D打印的SLS（選區(qū)激光燒結(jié)）、SLA（立體光固化成形）等工藝[2]進行坭芯的快速制作，節(jié)省了模具設(shè)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(fā)氣干態(tài)類覆膜砂,抗拉強度比普通覆膜砂高30%以上，發(fā)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(shù)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(jié)果

鑄件澆注后按照工藝規(guī)定的時間進行開箱，開箱后震動落砂機進行清砂，內(nèi)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(nèi)腔表面情況，各種試驗方案的內(nèi)腔表面質(zhì)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(chǎn)的密接式車鉤內(nèi)腔表面質(zhì)量情況明顯優(yōu)于其他試驗方案生產(chǎn)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(yōu)于Ra50μm，達到改進表面質(zhì)量的目的。

表2 覆膜砂粒度分布

表3 覆膜砂性能參數(shù)

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(wěn)定性，進行產(chǎn)品的小批量試驗。結(jié)合前期覆膜砂試驗的情況，進行覆膜砂模具的設(shè)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(nèi)腔表面質(zhì)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(jīng)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(chǎn)品起到了引導(dǎo)作用。覆膜砂方案被公司推廣應(yīng)用于安裝座、鉤尾座、地鐵車鉤、軸箱體等軌道交通產(chǎn)品，獲得了較好的效果，不僅提升了表面質(zhì)量，同時保證了尺寸精度。

5 結(jié)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(zhì)量。

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