紧急阀体覆膜砂铸造工艺设计及产品实现

宁显润

（湖北海弘达铁路车辆配件有限公司,湖北咸宁437000）

紧急阀体是铁路货车制动系统中的关键部件，其作用是在列车紧急制动时加快列车管的排气，提高紧急制动时的灵敏度和可靠性，保障铁路的行车安全。所以对铸件的机械性能、金相等级以及内、外观质量都要求较高。

1 紧急阀体技术要求

紧急阀体的材质为QT450-10，抗拉强度≥450MPa，延伸率≥10%，金相等级≥3级。铸件毛坯尺寸为230mm×110 mm×100mm，最大壁厚28mm，最小壁厚2mm，毛坯重量为3.55kg，表面粗糙度为R a12.5μm，铸件不得存在缩孔、缩松、气孔、砂眼、冷隔、飞边等影响产品性能、外观的质量缺陷。图1为紧急阀体3D铸件图。

图1 紧急阀体3D铸件图

2 铸件工艺设计及浇注系统设计

2.1 铸件的结构分析

紧急阀体内腔结构比较复杂，壁厚差异较大、拐点较多，另外放风口的壁厚仅为2mm，必须提高浇注温度来保证该处不产生冷隔缺陷，但如果提高浇注温度必然会产生烧结粘砂等缺陷。另外，产品的位置精度较高，在加工完后会与另一个制动装置中间体进行装配使用。因此，综合考虑确定该铸件采用全覆膜砂壳型工艺生产。即可保证铸件的尺寸精度，又可以利用覆膜砂的高强度来弥补高温浇注后产生的缺陷，同时覆膜砂具有溃散性好等优点，易于清理，节约了成本。

2.2 铸件的工艺设计

2.2.1 铸件外型工艺的设计

由图2所示，紧急阀体气路较多，形状较为复杂，且壁厚不均匀相差甚大，根据《铸造工艺设计手册》[1]最小铸出孔直径均在8mm以下，再考虑该产品的结构，确定所有的小内孔均为不铸出孔。同时，根据分型面大平面朝下的分型原则，可进行水平分型如图3所示。为保证机械加工的装夹及使用要求，安装面的非加工区域要使该处的斜度小于1°，铸造工艺设计时考虑该处的拔模斜度设计为0°45′。

图2 紧急阀体产品结构图及内腔剖视图

图3 紧急阀体分型面的确定

2.2.2 铸件内腔砂芯设计

覆膜工艺具有发气量大的缺点，如果固化不彻底，在铸件上会产生大量气孔类缺陷，特别是在ø100mm的大芯头处，砂芯较厚大无法固化完全。模具上采用大功率加热管又会造成较薄位置过烧，降低砂芯的强度使铸件粘砂，紧急阀体在加工后需要进行气压试验，如有气孔将会泄漏造成产品报废。因此，砂芯可设计为中空的方式，同时也节约了覆膜砂的用量，根据铸件的实际壁厚来确定砂芯的壁厚，通常情况砂芯壁厚随铸件壁厚的增加而增加。砂芯的芯头为水平芯头，芯头的尺寸可根据《铸造工艺设计手册》[1]芯头基本尺寸查表进行确定，芯头的形状为圆柱形芯头，其斜度可取7°，间隙为0.2mm。

2.2.3 铸件其他工艺参数的确定

由于覆膜砂铸件铸造精度较高，可将铸件的加工余量确定为砂芯纵向2mm，横向1.5mm。为了获得尺寸精度较高的铸件，必须选择适宜的铸造收缩率，该铸件的收缩率取0.9%，模样的拔模斜度为0°45′。

图4 铸件浇注系统截面图

2.3 铸件的浇注系统设计

2.3.1 浇注系统的设计

球墨铸铁的铁液经球化孕育处理后，温度会下降很多，浇注时必须要迅速，并且球墨铸铁易氧化，为了防止产生二次氧化渣，铁液充型要求平稳、通畅，生产中多采用半封闭式浇注系统或者封闭式浇注系统。球墨铸铁液态收缩大，具有糊状凝固特性，在铸件上形成缩孔和缩松的倾向大，生产上多按定向凝固的原则设计浇注系统，并用冒口补充液态金属给予凝固初期的收缩。当内浇道通过冒口浇入时，可采用封闭式浇注系统。

根据图1的产品结构，紧急阀体铸件浇注系统的内浇口位置，将从厚大部位的Ι处引入，为了保证后期加工2个M10的内孔无缩孔，并保证其周边的组织致密不会发生泄漏问题，在该位置使用侧冒口的方式对其进行补充金属液，铁液由前端的横浇道引入冒口。

根据水力学原理导出浇注系统内浇道的最小控流截面积，其公式按（1）计算，同时按公式（2）、(3)、(4)确定浇注时间、浇注时铁液在型腔内的流速以及压力头。

经过计算，铸件的浇注时间选择为8s，铁液在型腔内的上升速度为1.5cm/s，压力头为85mm，确定了内浇道的截面积为6.2cm2。浇注系统的截面积比为∑直：∑横：∑内＝2.8：2.5：1。

2.3.2 补缩冒口的设计

球墨铸铁以糊状凝固方式由液态变为固态，在凝固过程中会发生共晶转变而析出石墨，石墨的比容大于铁液因而体积发生体膨胀，此时铸件表面凝固层较薄使铸型向外移动，铸件内部不能得到铁液的补充，在最后凝固的地方形成不规则的集中缩孔缺陷。对于这些集中型缩孔缺陷可采取合理的冒口设计，冒口在浇注系统中的作用就是补偿收缩带来的体积变化。铸件的工艺设计应努力实现冒口处铁液温度最高且最后凝固，达到顺序凝固的效果从而得到致密性较好的铸件。

为保证补缩冒口发挥作用，冒口凝固时间必须比需要补缩的铸件凝固时间长，冒口颈的凝固时间必须比铸件的凝固时间长，另外在铸件收缩,即从液态转变为固态的过程中,冒口必须储存足够补偿铸件体积不足的金属液。

经过对铸件的结构分析和覆膜砂工艺特点，本次设计的冒口为侧边暗冒口，浇道通过冒口进入铸件。根据模数理论，铸件的凝固时间取决于它的体积和传热面积的比值，其比值为凝固模数如公式（5）所示。

式中，M为模数（cm），V为体积（cm3），A为传热面积（cm2）。经过计算紧急阀体需要补缩的主要位置的模数为0.55cm。根据《铸造工程师手册》[2]球墨铸铁冒口尺寸查表可得冒口的直径取60mm，冒口高度为80mm，如图5所示。

图5 铸件侧边冒口设计图

2.3.3 模具布局设计

为了进一步提高紧急阀体的铸件工艺出品率和产量，对工艺进行了优化，在浇注过程中，由于铁液流经冒口体与冒口颈的时间较长，其周围的型砂表面加热了，所以又能延长冒口体与冒口颈的凝固时间，充分对产品进行了补缩。另外，考虑到球墨铸件在球化处理后应该尽快浇注完毕，来避免球化衰退，减少浇包的移动次数节省了大量的时间，同时也为了提高产量，因此考虑增加浇注重量，模具设计为一模4出的方式，最终紧急阀体的模具设计布置图如图6所示。

图6 紧急阀体的金型模具布置图

3 铸件生产过程控制

3.1 制芯及组芯要求

覆膜砂在制芯过后，射砂孔及排气位置会产生一些无可避免的飞边和毛刺，另外在顶杆位置还会有凸出或者凹陷，这些砂芯必须经仔细检查，对于凸出物需要修理，而凹陷的地方需要使用修补剂进行修补，否则会严重影响铸件的内腔和外观质量。

合箱是造型的最后一道工序，也是保证铸件质量关键工序之一。将已制好的砂型和砂芯按照工艺要求进行合箱装配成铸型，如果合箱过程中，工作稍有疏忽，就会给铸件造成气孔、砂眼、错箱、偏芯、披缝和抬箱跑火等缺陷。为此，合箱中可能出现的问题都应该事先考虑到并妥善加以解决。首先应将砂型内腔的浮砂或砂粒使用风枪进行吹净，然后进行下芯，下芯时各芯的芯头座应该对应放置，否则将无法安放到位。由于紧急阀体在模具设计时，使用了凹凸槽设计方式，所以下芯完成后便可进行上箱合型工序了。

3.2 熔炼要求

紧急阀体为QT450-10的铁素体基体球墨铸铁，目前该材质在国内、外已取得了不少该方面的铸造生产经验，要使铸态QT450-10性能达到要求，必须严格限制球铁中硫和磷的含量，一般要求ωS＜0.02%，ωP＜0.06%，减少偏析和夹杂对球铁性能的危害。在熔炼过程时，采用中频感应电炉熔炼，可以更好地控制和调整球铁原铁液的化学成分，净化铁液，熔炼出合格的铁液，提高铸态下铁素体球墨铸铁的塑性和韧性。另外，选用优质的球铁原材料可以避免熔炼后因铁液中夹杂过多而导致球铁的力学性能下降，还可以减少球化剂及孕育剂的加入量。合理选择球化温度和浇注温度，避免球化剂烧损带来的球化不良等缺陷的产生[3]。

对于本次紧急阀体的熔炼工艺设计，考虑到铸件壁厚不均匀，且最小壁厚仅为2mm，可适当提高碳量，使最终的碳当量接近于共晶成分，既可提高铁液的流动性，也可得组织致密的铸件。提高硅量可提高铸件的延伸韧性，又可细化石墨提高石墨球的圆整度，不过当硅含量偏高时，其脆性增大，同时延伸率也会随之降低，因此需要将硅含量控制在一个合理的范围。在球铁中，锰具有强化铁素体和稳定珠光体的作用，但有球化元素的存在，提高锰的含量会促使晶间碳化物的产生，另外偏析倾向也会随之变得严重，一般对于铁素体基体的球铁来说，锰的含量一般控制在0.4%以下。硫、磷在球铁中均属于有害元素，当两者含量超过一定值后，会导致缩松倾向增大韧性降低，另外还会产生硫化物而导致球化不良等缺陷的产生。

3.3 浇注要求

本次紧急阀体的浇注包选择为500kg并使用行吊包进行浇注，在浇注前必须保证浇包清洁，包壁上的熔渣必须去除，包缘散落的除渣剂应该使用风枪吹干净，以免落入铁液进入型腔造成夹渣缺陷。

球化处理采用三明冶处理方式，包底凹坑里的球化剂摊平、适当舂实，再把上面覆盖的孕育剂摊平并适当舂实，表面覆盖适当量的球墨铸铁屑（舂实）或一定厚度的球墨铸铁板。铁液出炉应选择在放置球化剂的另一边，否则铁液会直接冲击球化孕育剂，导致反应过早过快，Mg烧损严重降低球化效果。紧急阀体的浇注温度应控制在1420～1460℃，采用快速浇注，浇注的速度为7～9s，否则在薄壁处将产生冷隔缺陷。

综上所述，本次紧急阀体的最终成分将选择为：ωC＝3.75%～3.85%、ωSi=2.6%～2.8%、ωMn≤0.4%、ωS＜0.02%、ωP＜0.06%。球化剂和孕育剂的加入量将根据实际成分进行变化控制。经过3次的批量生产，其控制的最终化学成分如表1所示（采用光谱分析法得出），其3组试样的机械性能均达到了《GB/T 1348-2009球墨铸铁件》的要求（如表2所示）。另外，根据《GB/T 9441-2009球墨铸铁金相检验》，其球化等级均达到了3级以上，如图7所示。

表1 紧急阀体的化学成分 ωB/%

表2 紧急阀体检验的机械性能

图7 紧急阀体3次生产的球化等级(×100)

4 结语

通过对紧急阀体的产品结构分析，在工艺设计中综合了覆膜砂的特点和铸件生产过程控制特点，设计了相对较为全面的铸造工艺。经过实际生产对工艺设计进行了充分的验证，不论是机械性能还是金相等级都达到了标准要求。另外，对铸件进行了分块解剖验证，内腔光洁无飞边毛刺，外观也达到了相应要求，且铸件组织致密无缩松、缩孔等缺陷。