PDF《铁路货车高质量心盘铸件制造工艺》

铸钢・铸铁 2019年?第1期/第68卷23 铁路货车高质量心盘铸件制造工艺 毕红雪,李福胜 ( 郑州铁路职业技术学院,河南郑州? 451460) 摘要:介绍了一种铁路货车心盘的生产实践.

在多年货车心盘生产的基础上,设计了满足 AAR M201 B+ 级钢心盘的冶炼、铸造、热处理工艺及工装.经模拟计算和生产验证,生产的 心盘符合质量标准. 关键词:心盘;

铸造;

热处理工艺 作者简介: 毕红雪(1979-) 女, 硕士,讲师,主要研究方向 为机车牵引与控制.

电话:18337182965,E-mail: 40938243@qq.com 中图分类号:TG24 文献标识码:A 文章编号: 1001-4977 (2019 ) 01-0023-06 基金项目: 河南省科学技术厅2017 年高新技术研究项目(172102210557). 收稿日期: 2018-08-28 收到初稿, 2018-10-08 收到修订稿. 随着我国铁路机车车辆制造技术水平的提高,铁路机车车辆产品也不断地出 口到国际市场,实现这些产品的出口,又推动了我国制造技术水平的进一步提高. 2017年,出口到北美地区的一批心盘,有较高的内在质量和较高的硬度等要求,这 与目前生产的国内心盘质量要求相比有较大的提高,无疑在工艺设计和生产实践中 存在一定的难度. 1? 主要技术要求 (1)心盘碳含量不得高于0.32%,焊接面无粘砂、砂眼等铸造缺陷. (2)材质符合北美铁路协会AAR M201 B+级钢要求[1] . (3)心盘进行正火和表面淬火及回火处理.正火硬度BHN 137~228;

表面进 行淬火,淬火区域表面硬度为BHN 375~515,表面下3 mm位置,硬度不低于BHN 300. (4)加工淬火平面、外圆及四个定位平角.表面粗糙度不大于6.3 μm,淬火面 平面度不大于0.4 mm,定位平角平行度不大于0.8 mm. (5)心盘外观、淬火面硬度全数检验;

所有表面进行荧光磁粉探伤,达到 ASTM E125 2级以上. 2? 铸造工艺 2.1? 铸造工艺及工装设计 2.1.1 铸造工艺设计 心盘铸造采用水玻璃砂造型,在顶面安置2个腰形明冒口,单侧浇注;

热节部位 培一定厚度的铬铁矿砂,以提高耐火度和钢液冷却速度,减少铸造缺陷;

中频感应 电炉冶炼,底注包浇注,浇注温度大于1

550 ℃,浇注时间约8~11 s.

2 1.2 工装设计 使用原有金属模型、芯盒及砂箱等工装,合箱后工艺方案见图1.现有浇注系统 结构设计是在心盘铸件一侧设置浇注通道;

浇注时,钢液通过直浇道8和内浇口7注 入型腔;

钢液充型至冒口设定的液面高度后停止浇注,冒口开始对铸件进行补缩. 待铸件冷却后,开箱清砂,切割浇冒口. Vol.68 No.1

2019 24 铸钢・铸铁 现有浇注系统设计方案的缺点是由于直浇口和内 浇口在铸件一侧,造成钢液从单侧进入铸型,最后进 入冒口;

铸件凝固后,铸件和内浇口连接部位通过解 剖,发现内部组织比较粗大,导致铸件内部组织整体 不均匀;

由于钢液持续通过内浇口进入铸型,高温钢 液对该部位作用时间比较长,很容易造成铸件局部粘 砂,严重影响铸件外观质量. 2.1.3 创新的技术、工装设计 使用新制的金属模型、芯盒及砂箱等工装,改进 技术后新合箱图及雨淋芯示意图如图2所示. 在冒口4下部设置一个树脂砂制作的异型雨淋 芯[2] ,并且中间设置一个圆孔,用作铸件凝固时的补 缩通道;

圆孔周围设置10个雨淋孔,用作浇注时钢液 进入铸型的通道(图2b).浇注前,在雨淋芯中间圆 孔上放置一块定制的高铝质堵头5,堵塞雨淋芯中间圆 孔;

浇注时,钢液直接经过冒口4,并通过雨淋芯的10 个雨淋孔进入铸型,钢液充型至冒口设定的液面高度 后停止浇注.由于高铝质堵头比钢液的密度小,堵头 上浮,雨淋芯中间补缩通道打开,冒口开始对铸件进 行补缩.雨淋芯中间圆孔此时畅通,发挥冒口4对铸件 的补缩通道作用.同时高铝质的堵头5由于强度高,耐 高温,耐钢液冲刷等,在开始浇注时钢液直接浇到堵 头上平面,避免了钢液开始浇注时对雨淋芯和铸型的 冲刷. 上述结构的优点在于:采用从冒口通过雨淋芯进 行浇注的结构,解决了原来从单侧浇注导致铸件整体 组织不均匀的问题,同时取消了直浇口和内浇口,大 大降低了钢液的使用量,提高了铸件的出品率;

由于 增加了雨淋芯,减少了对冒口4的切割量;

取消了原方 案中的内浇口,减少了对浇冒口的切割工作量;

采用雨 淋式的浇注系统,钢液充型平稳,减少了钢液对铸型 的冲刷及便于钢液中夹杂物的上浮.采用新的浇注系 统后,用同一个浇注包和相同的浇注方式进行浇注, 每箱浇注时间约11~13 s,比原有工艺浇注时间稍长. 2.2? 铸造工艺计算机模拟 对设计的铸造工艺利用华中科技大学的华铸CAE/ InteCAST凝固模拟软件进行铸造凝固模拟[3] .该模拟是 基于有限单元法对进行凝固过程温度场、缩孔缩松等 铸造缺陷的数值模拟.模拟过程首先充分考虑了钢液 充型,凝固过程的初始条件、边界条件,材料热物性 参数的确定以及潜热的处理等. 铸造凝固模拟结束时 的温度场及铸件缩孔缩松分布的位置示意图分别见图3 和图4.凝固模拟结果显示,在铸件本体上没有缩孔缩 松缺陷,存在一定体积的缩松缺陷主要集中在冒口根 部和直浇道与横浇口的连接热节部位. 1.上砂箱 2.型砂 3.冒口 4.冒口套 5.砂芯 6.冒口 7.内浇口 8.直浇道 9.下砂箱 10.下砂型 图1 合箱图 Fig.

1 Mold assembling diagram 1. 上砂箱 2. 型砂 3. 冒口套 4. 冒口 5. 堵头 6. 雨淋芯 7. 冒口 8. 下砂箱 9.下砂型 10.砂芯 (a)新合箱图 (b)雨淋芯 图2 新合箱图及雨淋芯示意图 Fig.

2 New mold assembling diagram and shower core map 铸钢・铸铁 2019年?第1期/第68卷25 2.3? 铸件解剖验证 对采用上述铸造工艺生产的首批前三件心盘分别 进行了机械解剖,以验证内部密实度以及缩孔缩松缺 陷情况.从解剖的截面看,内部密实度良好,没有缩 孔缩松缺陷存在.图5为首件心盘铸件和解剖实例图. 3? 熔炼工艺 3.1? 化学成分 AAR M201标准对B+级钢只确定了C、Si、Mn、 P、S这五个元素的含量上限.为了保证化学成分控制 的稳定性,根据以往生产经验,对C、Si、Mn三个元 素分别设计了下限要求.为了达到B+级钢要求的力学 性能,加入适量的合金化元素,通过化学成分的合理 配置和热处理工艺的调整,以满足B+级钢强度、塑性 和低温冲击韧性的要求.AAR M201标准中B+级钢和 和中国铁道TB/T 46―1995标准ZG230-450级钢[4] 的化 学成分见表1.表中B+级钢规定的碳含量最大值以下, 每降低0.01%的碳,允许锰含量在规定的最大值上增加 0.04%,但锰含量最大不超过1.20%;

B+级钢要求按照 CE=C+(Mn+Si) /6+(Cr+Mo+V)/5+(Ni+Cu)/15计算的 最大碳当量应≤0.72. 3.2? 力学性能要求对比 AAR M201标准B+级钢和中国铁道TB 46-1995标准ZG230-450级钢要求心盘力学性能对比见表2. 表2看出,AAR M201对心盘的力学性能要求较 高,需要在冶炼时适量添加一些合金元素提高其力学 性能.由于........