呂云琪，馬運安，何亞峰

(1.溧陽市萬盛鑄造有限公司，江蘇 溧陽 213353) (2.常州工學院航空與機械工程學院，江蘇 常州 213032)

近年來，隨著高鐵技術(shù)的發(fā)展，薄壁、復雜、整體、精密鑄件制造已成為高鐵制動系統(tǒng)零部件制造技術(shù)的發(fā)展趨勢，這類鑄件結(jié)構(gòu)性好、可靠性高、質(zhì)量小、加工成本低，但是鑄件的質(zhì)量要求高，不能有夾渣、氣孔、縮松、裂紋等鑄造缺陷。傳統(tǒng)觀念認為鑄鋼件更能滿足高鐵系統(tǒng)中復雜的受力環(huán)境對機械性能的要求，而隨著球墨鑄鐵技術(shù)的發(fā)展與成熟，球墨鑄鐵的機械性能完全可以承受這種復雜受力環(huán)境。球墨鑄鐵在成本和生產(chǎn)工藝上比鑄鋼件具有更加可觀的經(jīng)濟性，因此工程機械上球墨鑄鐵件的應用越來越多，其在高鐵制動系統(tǒng)零部件上的應用前景也越來越廣泛。衛(wèi)東海等[1]開展了軌道交通用QT400—18LT球墨鑄鐵件性能研究，結(jié)果表明采用小頸保溫冒口和保溫覆蓋劑可加強補縮效果，有效消除了鑄件的縮孔、縮松缺陷。王金國等[2]采用有限元分析法模擬了碳當量元素對亞共晶球墨鑄鐵流動性的影響，結(jié)果表明對亞共晶球墨鑄鐵試樣進行增碳或增硅處理后，螺旋試樣流股末端的晶粒得到細化，試樣流動性得到提高。然而，由于受到各種因素的影響，采用球墨鑄鐵鑄造時仍會產(chǎn)生一些缺陷，研究者通過數(shù)值模擬或者工藝措施及時發(fā)現(xiàn)了這些問題，提高了鑄件的合格率。梁作儉等[3]建立了模擬鐵型覆砂球墨鑄鐵件鑄造凝固過程的數(shù)學模型，采用動態(tài)膨脹收縮法預測球墨鑄鐵件的收縮缺陷，對球墨鑄鐵四缸曲軸新產(chǎn)品進行了模擬計算,結(jié)果表明：數(shù)值模擬和工藝優(yōu)化有助于提高鐵型覆砂球墨鑄鐵件質(zhì)量，并降低成本。胡波等[4]采用EKK CAPCAST數(shù)值模擬軟件對球墨鑄鐵曲軸鑄造過程進行了計算，預測了曲軸鑄造充型與凝固過程中可能產(chǎn)生的缺陷，結(jié)果發(fā)現(xiàn)在第四主軸頸內(nèi)出現(xiàn)裂縫，這主要是由于凝固時間不同步造成的[4]。

本文以高鐵制動系統(tǒng)復雜腔體為研究對象，采用Anycasting軟件對復雜腔體鑄造冒口設(shè)計進行分析，對復雜腔體鑄造成形過程進行預測，并根據(jù)預測結(jié)果對復雜腔體工藝進行改進，得到了質(zhì)量較好的復雜腔體鑄造件。

1 復雜腔體模型

復雜腔體為高鐵制動系統(tǒng)重要的殼體零件，如圖1所示，輪廓尺寸為380 mm×378 mm×220 mm，最小壁厚4.5 mm，最大壁厚53.8 mm，鑄件質(zhì)量25.2 kg。復雜腔體鑄件主體結(jié)構(gòu)較為復雜，方形腔室和L形筋板存在多處30.0～53.8 mm的厚大熱節(jié)，且各熱節(jié)部位互相分割，給設(shè)置和清理補縮冒口增加了很大的難度。因而，采用覆膜砂殼型工藝制作生產(chǎn)殼芯，并用樹脂砂將合好的砂殼進行包裹，以保證尺寸的穩(wěn)定。

圖1 高鐵制動系統(tǒng)復雜腔體示意

2 復雜腔體澆注系統(tǒng)建模

考慮到高鐵制動系統(tǒng)復雜腔體最大壁厚和最小壁厚相差49.3 mm，壁厚變化比較大，熱節(jié)點較多，容易產(chǎn)生縮松、縮孔缺陷，因而在復雜腔體鑄造設(shè)計時分別采用普通冒口和保溫冒口(如圖2所示)，并對兩者進行數(shù)值模擬，從而判斷復雜腔體鑄造成形狀況。

圖2 復雜腔體鑄造冒口

3 復雜腔體鑄造數(shù)值模擬

根據(jù)高鐵制動系統(tǒng)復雜腔體普通冒口和保溫冒口設(shè)計情況，采用Anycasting軟件開展復雜腔體鑄造成形過程分析，從而預測和判斷復雜腔體缺陷位置。

3.1 縮孔分布

分別采用普通冒口和保溫冒口的復雜腔體鑄造縮孔分布如圖3所示。由圖可以看出，采用普通冒口時，復雜腔體鑄件內(nèi)部有大的縮孔發(fā)生，大型縮孔主要集中在冒口與流道中；采用保溫冒口時，鑄件內(nèi)部無縮孔發(fā)生。

圖3 復雜腔體鑄造縮孔分布

3.2 縮松分布

分別采用普通冒口和保溫冒口的復雜腔體鑄造縮松分布如圖4所示。由圖可以看出，使用普通冒口時，由于鑄件內(nèi)部型腔復雜，冒口補縮效果較差，因此縮松區(qū)域較多；使用保溫冒口可延緩冒口冷卻時間，鑄件基本實現(xiàn)順序凝固，冒口補縮效率高，鑄件內(nèi)部縮松缺陷明顯減少。

圖4 復雜腔體鑄造縮松分布

由于保溫冒口的蓄熱能力比普通冒口強，因此冒口內(nèi)鐵液凝固時間長，從而改變了復雜腔體的凝固場，延長了冒口鐵液補縮時間，提高了冒口對鑄件的補縮效率，進而保證了鑄件的致密性。

4 高鐵制動系統(tǒng)復雜腔體鑄造工藝改進

4.1 無冷鐵對復雜腔體鑄造縮松影響

為了掌握無冷鐵時復雜腔體鑄造的缺陷程度，采用無冷鐵時的復雜腔體澆注的鑄件研究其補縮效果，如圖5所示。由圖可以看出，無冷鐵時復雜腔體在熱節(jié)位置縮松明顯。

圖5 無冷鐵時鑄件熱節(jié)部位產(chǎn)生的縮松

4.2 無冷鐵對復雜腔體鑄造金相組織影響

采用無冷鐵時澆注的復雜腔體金相組織如圖6所示。由圖可以看出，從熱節(jié)部位取金相試塊觀察金相組織，微觀組織球化率為85%，珠光體含量為45%。

4.3 冷鐵厚度對復雜腔體鑄造影響

從無冷鐵時的復雜腔體熱節(jié)部位金相組織可以看出，復雜腔體鑄件出現(xiàn)了較大的縮松缺陷，為了避免和消除缺陷，本文針對縮松部位采用外冷鐵激冷的工藝消除縮松。為驗證冷鐵對球化率、珠光體含量等微觀組織產(chǎn)生的影響，分別采用10,12,14 mm等不同厚度的冷鐵進行激冷，從冷鐵上方鑄件本體位置取金相進行分析，以研究外冷鐵對復雜腔體鑄造質(zhì)量的影響。

圖6 無冷鐵時熱節(jié)部位取樣金相組織

冷鐵的作用是加快熱節(jié)的冷卻速度，減少成分的偏析。在冷卻速度較快的條件下，鑄鐵中碳元素以滲碳體(Fe3C)碳化物形式存在，這在高鐵列車制動系統(tǒng)中是絕不允許存在的,而合適的冷鐵厚度可以避免滲碳體的產(chǎn)生，這點可通過試驗來證明。

從圖7、圖8和圖9可以看出，冷鐵厚度的增加不會影響球化效果，從而改變球化率。金相顯示，冷鐵厚度增加會導致鑄件珠光體含量上升，產(chǎn)生白口趨勢，因此冷鐵過厚時會增加鑄件的白口趨勢和白口層深度。為保證無白口，選用薄冷鐵控制縮松，這樣既避免了鑄件熱節(jié)部位出現(xiàn)縮松，又避免了過度激冷導致的白口化。通過對比復雜腔體鑄件金相組織，最終采用10 mm冷鐵作為外冷鐵，從而保證了復雜腔體鑄件的質(zhì)量。

圖7 不同厚度冷鐵對復雜腔體滲碳體影響

圖8 不同厚度冷鐵對復雜腔體珠光體影響

圖9 3種厚度冷鐵下球化率均為85%

5 結(jié)束語

本文對復雜腔體鑄造成形過程進行了數(shù)值模擬，為預測復雜腔體鑄造缺陷提供了理論依據(jù)。

設(shè)計的普通冒口和保溫冒口縮孔、縮松計算結(jié)果表明，保溫冒口有利于減少或消除鑄造缺陷。

通過對比復雜腔體鑄件金相組織可知，無冷鐵時復雜腔體在熱節(jié)位置縮松明顯，有冷鐵時復雜腔體縮松明顯改善。研究發(fā)現(xiàn)，冷鐵厚度的增加對球化率無明顯影響，但冷鐵過厚時會增加鑄件的白口傾向，綜合兩者考慮，外冷鐵厚度以10 mm為宜。