Ti321钛合金轴箱铸件石墨型铸造工艺研究

范世玺，赵瑞斌，肖强伟，南海

（1. 北京百慕航材高科技股份有限公司，北京 100094；2. 中国航发北京航空材料研究院，北京 100095；3. 北京市先进钛合金精密成型工程技术研究中心，北京 100095）

钛合金具有比强度高、抗腐蚀性强、耐热性能好等优良性能[1—2]，是航空和航天工业中最有发展前途的结构材料之一，伴随着钛合金制造工艺的提高和原材料成本的不断降低，钛合金应用领域不断扩大，在兵器、电子、化工以及其他工业上应用广泛。

钛合金石墨型铸造工艺通常是采用人造石墨块经机械加工成铸型，浇注金属液体凝固后获得铸件的一种工艺方法。与砂型、熔模铸型相比，石墨铸型的激冷能力强，细化合金组织，提高铸件的力学性能；同时由于石墨铸型的热化学稳定性好，熔融金属与铸型接触时一般不发生化学反应，铸件表面质量较好；石墨型线胀系数低，抗变形能力强，故铸件尺寸精度高，并且石墨强度比较高，硬度低容易加工成形，铸型的外模还可以回收利用，在一定程度上可以降低铸件的生产成本和交付期限。

在高速铁路机车上，轴箱是车辆转向架的核心部件之一，套在轴颈上联结转向架轮对和构架[3]。其作用是把车体重量和载荷传递给轮对，润滑轴颈，减少摩擦，降低运行阻力，现在普遍用铸钢制造。每列机车大约需要12件轴箱，每个钢铸件的质量在120 kg左右，而采用Ti321钛合金轴箱铸件的质量仅仅为69 kg，为了满足现在高铁对车体轻量化、高速化的要求，北京百慕航材高科技股份有限公司开展了制钛合金轴箱铸件研制，根据铸件的结构特点和性能指标要求，采用制作周期较短，成本相对较低的石墨型铸造工艺方案[4]。

1 铸件的技术要求和结构难点

1.1 铸件的技术要求

铸件选用Ti321合金，该合金强度较高，同时具有较高的伸长率，满足铸件的使用要求，其化学性能和力学性能指标分别见表1和表2。

表1 铸件要求的化学成分（质量分数）Tab.1 Chemical composition required by casting (mass fraction) %

表2 室温下铸件的力学性能要求Tab.2 Mechanical properties of casting at room temperature

铸件几何尺寸及公差。铸件几何形状和尺寸符合铸件图样要求，铸件尺寸公差达到GB/T 6414的CT8级规定。

铸件质量。铸件类别为II类，质量等级为C级；X光检测标准及要求：铸件X光检验按GJB 1187进行，验收按HB6573 C级；荧光检测标准及要求：铸件荧光检验按GJB 2367A—2005进行，验收按GJB 2896A—2007 C级。

1.2 铸件的结构特点和技术难点

图1 轴箱铸件Fig.1 Axle box casting

轴箱铸件见图 1。轴箱主体呈左右对称[5]，属于形状结构较为复杂的铸件[6]，4处厚大热节，多处凹槽。铸件的轮廓尺寸为900 mm×350 mm×450 mm，质量约69 kg，最大壁厚为80 mm，最小壁厚10 mm。铸件存在以下技术难点：首先由于铸件外廓尺寸比较大，结构比较复杂，并且铸件所采用的Ti321合金流动性比较差，约是ZTC4合金流动性的50%，导致铸件成形难度比较大；其次铸件存在孤立厚大热节，收缩量比较大，易造成铸件变形；再者铸件弧面尺寸精度要求高，容易鼓胀，造成厚度尺寸超差。

2 工艺方案的选择

轴箱的铸造质量直接关系到列车的运行安全[7]，因此需通过优化设计浇注系统，减少铸件缺陷，提高铸件冶金质量。

针对铸件完整成形难度大的技术难点以及轴箱铸件的结构特点，采用的是底注开放式浇注系统（见图2），静止浇注，直浇道从铸件中心孔入，4段直径相同的横浇道呈十字交叉分布在铸件的下端，6个内浇口分散连接在铸件大圆加工端面厚区和弧面处；直浇道处于铸件的中心孔，横浇道比较紧凑，金属液体流程短，减少浇注过程中的合金液体热量损失，避免铸件产生浇不足缺陷的发生，同时直浇道∶横浇道∶内浇口的截面积比例为1∶2∶3，浇注系统设计比较开放且为底部注入式，金属液体的充填更加平稳，减少紊流的发生。

图2 轴箱铸件试制工艺方案Fig.2 Process scheme for trial-produce of axle box casting

针对铸件容易变形的特点，在铸件的热节和框处，连接4根工艺筋（见图2），减少铸件的变形，同时还能起到辅助浇口的作用，提高铸件的成形能力。由于石墨铸型的透气性比较差，在铸件上端面开设多处直径5 mm的出气孔，以免铸型产生憋气，导致铸件产生冷隔、气孔浇不足等缺陷。由于铸件的结构比较复杂，收缩时石墨铸型对铸件的抗变形能力比较强，铸件的收缩量相对比较小，参照类似铸件的生产经验，铸件xyz方向的收缩率定为0.7%～1.0%[8]，部分厚大区域收缩比较大，采用加工艺补正量进行补正。

计算机模拟凝固技术为铸造工艺的合理设计提供了理论基础和和实施依据[9]，铸件进行工艺设计后，先对轴箱进行无冒口的纯凝固传热计算，通过“瞬间充型，初温均布”假设，只考虑凝固过程，没有考虑充型的影响[10—11]，可以快速确定缩孔、缩松的分布位置；通过采用图4轴箱工艺方案的模拟分析，可以知道，轴箱铸件金属流动比较平稳，充型比较完整，充型能力比较强，顶部厚大区域有缩孔问题，但缩孔体积比较小，不用加设额外的冒口，热压后铸件的缩孔可以压实。轴箱铸件模拟结果见图3。

图3 轴箱铸件模拟结果Fig.3 Simulation results of axle box casting

石墨铸型选用优质人造石墨块进行加机加工制作[12]，因为铸件和浇注系统比较复杂，铸型采用多活块组合设计（见图 4），活块之间的装配采用定位孔和芯头定位；由于石墨加工精度比较高，所以活块之间的装配间隙比较小，有利于保证铸件的尺寸精度。

图4 轴箱铸件铸型结构Fig.4 Die structure of axle box casting

3 铸型除气和浇注

加工好的石墨铸型及型芯，含有一定的水分，在常温下容易吸附气体和水分[13]，浇注时铸型及型芯往往会析出气体及水分和高温的钛合金熔体发生反应，会造成铸件产生铸造缺陷，所以必须在浇注前除掉这些杂质；铸型及型芯必须在真空炉内除气[14]，铸型装炉后，先将炉内抽真空，当真空炉内真空度≤6 Pa，开始缓慢加热至930 ℃，保温2 h左右，然后缓慢冷却到300 ℃以下出炉。

经过除气后的石墨铸型在真空自耗电极凝壳炉内进行浇注[15]，如果除气的铸型不能及时浇注，铸型暴露在空气中不应超过 24 h，应存放在设定温度150 ℃的烘箱内进行保温，并合理安排浇注时间。轴箱铸件采用Ti321合金，流动性比较差，且石墨铸型导热系数大，激冷效果比较好，铸件完整成形难度比较大，所以装炉后的石墨型壳温度控制在(200±50) ℃，通过提高铸型的温度，来保证钛合金的充填能力，避免浇不足缺陷的发生。轴箱铸件熔铸熔炼和浇注在150 kg真空自耗凝壳炉中进行，当炉内真空度小于6 Pa时开始熔炼，当钛合金熔化至规定重量后，立即进行浇注石墨铸型，浇注后的铸型要在凝壳炉内冷却1 h后才可以开炉门，防止过早的打开炉门，铸件没有完全冷却，导致铸件产生开裂变形。

4 铸件的试制结果

因为Ti321合金流动性比较差，尽管铸件的出气孔没有完全充满，但轴箱铸型在浇注前预热，可以提高钛合金熔体的充型能力，其次浇注系统设计合理，钛合金熔体流动比较平稳，所以铸件成形良好。浇注清理后的轴箱铸件见图5。

图5 浇注清理后的轴箱铸件Fig.5 Axle box casting after cleaning

经过检测铸件的力学性能和化学成分见表 3和表4，完全满足客户的标准要求。铸件经过热压后没有明显的压坑，内部质量较好；铸件酸洗、打磨后，荧光检测2次即合格，表面质量比较好，最终铸件经过尺寸划线检验满足客户要求。

表3 铸件的化学成分（质量分数）Tab.3 Chemical composition of casting (mass fraction) %

表4 铸件附铸试样力学性能Tab.4 Mechanical properties of casting specimen

5 结论

针对轴箱铸件的结构特点和技术难点，采用石墨铸型铸造的工艺方案设计，研究表明大尺寸、复杂结构的铸件，由于石墨抗变形能力比较强，通过设计合理的工艺筋和铸件收缩比例，开设多活块组合的石墨铸型，浇注后铸件的尺寸没有明显的变形，经过尺寸检验，铸件尺寸符合图纸要求；同时轴箱铸件成形难度大，通过采用底注开放式浇注系统及合理的浇注参数，利用软件模拟铸件的成形和缩松及缩孔情况，优化浇注系统设计，浇注后的铸件成形良好，铸件的内部质量和表面质量满足客户要求；总之，轴箱铸件采用石墨型铸造工艺，设计的底注开放式浇注系统和防止变形的方案是完全可行的。

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