船用球铁活塞裙的铸造工艺研究

严 杰，查明晖，程凤军，王根龙

（南车戚墅堰机车车辆工艺研究所有限公司，江苏 常州 213011）

L21/31球铁活塞裙是我公司重点开发的一类船用活塞裙。该产品对材料和铸件毛坯质量的要求特别高，采用QT700-2制作。铸件毛坯需要进行全表面磁粉探伤和指定重要部位的车削剥层实验，铸件内部不允许有任何铸造缺陷。铸件厚大钢顶部位需要进行本体性能和金相检验，要求其抗拉强度大于700MPa，延伸率大于2%，球化率2级，珠光体含量大于90%，碳化物含量小于5%。

1 铸造工艺研究

1.1 浇注系统设计

活塞裙属于圆筒类零件，其三维示意图如图1a）所示。裙体中安装钢顶的部位是整个铸件的最重要部位，同时也是铸件的最厚大部位，根据客户的相关技术要求，需对该部位进行剥层车削和本体取样实验，车削范围如示意图1b）所示。

根据铸件的结构特征和技术要求，对铸造浇注系统工艺提出了以下几点要求：

1）保证铸件的重要厚大部位不能出现缩松缩孔缺陷，且本体力学性能满足客户的技术要求；

2）该浇注系统还必须具备良好的排渣、排气功能，确保铸件内部和外表面没有夹杂、砂孔和气孔等缺陷；

3）操作要相对简单，符合大批量生产的要求。

针对上述的要求，最终决定采用横做竖浇，三箱造型的方式，将铸件钢顶部位置于浇注位置的最顶部，顶雨淋浇注系统加本体环形冒口的工艺方案，同时为了保证本体力学性能和金相组织达到要求，厚大部位、重要部位放置成型冷铁。这种浇注系统具有以下优点：

图1 活塞裙示意图

①雨淋浇注系统截面比A直∶A横∶A内近似为3∶8∶4，横浇道（又称雨淋环）是横截面最大单元，与雨淋内浇口呈封闭状态，这样可以保证横浇道从开始浇注时一直处于充满状态。金属液由顶部的雨淋小孔分为多股细流连续均匀地注入铸件型腔，对型腔的冲击力小，同时上升的液面一直处于活跃状态，这样金属液中的气体、夹渣物由于活跃的液面能够顺利上升排出，因此排气排渣效果较好。尺寸较小的雨淋小孔在浇铸结束之后能够快速凝固，能够有效防止石墨化膨胀将未凝固的铁液挤出来，避免缩松缩孔缺陷形成；

②从活塞裙的解剖图（图1）可以看出，钢顶为最厚大部位，然后依次变薄，厚薄呈均匀过渡分布。将最厚大的部位置于最顶部，同时上面设置本体随形冒口。顶注的方式能够让铸件形成一个自上而下的温度梯度，使铸件呈顺序凝固状态，最后凝固的地方为冒口，将缩松缩孔缺陷以及浇铸过程中产生的氧化夹杂、冲砂全部聚集于本体冒口之中，得到组织致密的铸件，具有良好的补缩和集渣能力；

③虽然采用了三箱造型的方式，但铸件为对称体，外模只需要制作一半，浇注系统的模具结构简单，雨淋浇口采用专门的泥芯盒制作，造型合箱相对简单，符合大批量生产的要求。

1.2 工艺模拟分析

将该工艺用凝固数值模拟软件MAGMAsoft进行模拟计算，用来判断工艺的合理性。图2为铁液充型过程不同阶段的模拟示意图。从模拟结果可以看出，充型伊始，横浇道就处于充满状态，金属液由多个雨淋小孔均匀连续注入型腔；充型过程中金属液没有明显飞溅，同时上升的液面比较活跃，温度较高。充型模拟结果证实了顶雨淋浇注系统的优点，有利于氧化渣、气体的上浮、排出。

铸件的凝固过程模拟结果如图3所示。结果显示，铸件为顺序凝固，温度场分布比较合理，但是冒口根部（和铸件相结合的地方）的金属液是最后凝固的。虽然是最后凝固，但不一定会出现缩松。主要原因是球墨铸铁有一个石墨化膨胀过程，如果铸型强度足够，膨胀形成的压力能够有效防止铸件产生缩松、缩孔缺陷。

活塞裙采用树脂砂造型，铸型刚度、强度很高，完全能够承受石墨化膨胀所形成的压力。但是，球铁的石墨化膨胀并不能全部抵消铁液的液态收缩，这个还与铸件的壁厚大小，壁厚分布是否均匀有关。在凝固模数较小（平均最小模数小于2.5 cm）的情况之下，铸件需要外来的液体补缩，否则会形成缩松缩孔缺陷[1]。对活塞裙冒口区域进行模数计算，其模数小于2.5 cm，如果没有外来液体的补缩情况之下，最后凝固区域会形成缩松缺陷。用MAGMASOFT软件中的PROSITY判据进行判断，冒口根部是会形成比较严重的缩松缩孔缺陷的，结果如图4所示。

图2 活塞裙充型过程不同阶段截图

由以上的模拟结果可以看出，虽然这种工艺能够起到较好的排气排渣的作用，但是并没有完全消除铸件的缩松缩孔缺陷。从模拟的结果可以看出，环形冒口的尺寸明显偏小，而且高度不够。决定将环形冒口的内部直径缩小，使冒口将铸件最厚大的热节部位全部覆盖，同时将冒口的高度增加，促使铸件的热节进入冒口之中，最终消除铸件的缩松缩孔缺陷。

图3 活塞裙凝固过程模拟

图4 活塞裙模拟缩松示意图

将更改后的新工艺先进行模拟计算，判断工艺的合理性，减少因模具修改而造成的成本增加。新工艺的充型过程与原工艺相当，铁液平稳均匀地进入型腔。通过对温度场的分析显示，冒口加大加高之后，铸件整体温度场分布更加合理，最后凝固的区域由原来的冒口根部全部进入了本体冒口之中，具体如下图5所示。

图5 新工艺凝固过程模拟

图6 活塞裙新工艺模拟缩松示意图

采用PROSITY判据进行最终的判断，形成缩松的地方位于冒口之中，原来在铸件中出现的缩松已经消失，铸件的组织致密，具体如图6所示。此外，铸件冒口处的整体缩松倾向随着冒口的加大增高而有所减小，这个可以通过模拟图中缩松面积大小和颜色程度来判断。新工艺的缩松面积要小，而且颜色相对较浅。产生这种情况的主要原因还是石墨化膨胀。球墨铸铁与铸钢不同，铸件越是厚大，壁厚分布越是均匀，形成缩松缩孔的倾向越小，当铸件的凝固模数大于2.5之后，就能够实行无冒口铸造工艺[2]。对于活塞裙来说，钢顶部位和环形冒口形成一个均匀的环形回转体，壁厚增加，析出的石墨量增加，石墨化的膨胀量也增多。冒口在没有加高加大之前，环形冒口的热节小于钢顶部位热节，反而在冒口根部形成了较大的接触热节，石墨化析出的膨胀量最终难以抵消凝固收缩，而形成了比较严重的缩松。当冒口加大增高之后，从钢顶到冒口，壁厚均匀分布，凝固模数增加，而热节也位于冒口之中，石墨析出较多，整体的缩松倾向也变小。最后将缩松缩孔全部拉入冒口之中，本体冒口去除之后就得到了完整的铸件。

2 生产结果

通过对裙体毛坯全表面进行湿法荧光磁粉探伤，没有发现超标的磁痕缺陷。表明铸件表面没有夹渣缺陷。从模拟和实际的探伤结果证明，顶雨淋浇注系统具有良好的排渣排气作用。

为了增加工艺出品率，首批产品采用小环形本体冒口工艺试制，随意抽查其中2～3件进行车削剥层实验，结果发现所有铸件的冒口根部出现了严重的肉眼可见的缩松缺陷，情况严重的已经延伸至铸件内部，实际情况与MAGMA数值模拟结果非常相近，表明该软件模拟计算的准确性，具体如图7中箭头标记所示。

图7 活塞裙原工艺首件车削剥层示意图

随后将模具进行修改试制了第二批产品，随意抽取其中2～3件进行车削剥层实验，冒口根部组织致密，钢顶其他剥层区域亦没有任何肉眼可见的缩松缩孔缺陷，如图8所示。

图8 活塞裙新工艺首件车削剥层示意图

对铸件钢顶部位本体取样，进行正火处理，消除该部位由于冷铁激冷可能形成的碳化物，同时得到细小的珠光体基体组织，其金相组织和力学性能如表1所示，所有指标均达到客户的技术要求。

表1 钢顶本体力学性能与金相组织

3 结论

1）采用雨淋式浇注系统结合环形本体冒口的铸造工艺，能够保证得到无缩松缩孔的铸件。同时，顶雨淋还具备良好的排渣功能，有利于铸件的表面质量。

2）通过MAGMASOFT软件对浇注过程模拟，其结果与实际一致，能够有效预测铸造缺陷，校核铸造工艺，降低产品试制风险。

［1］魏兵，袁森，张卫华.铸件均衡凝固技术及其应用［M］.北京：机械工业出版社，1998.

［2］史蒂芬·I·卡塞.球墨铸铁浇口和冒口［M］.北京：清华大学出版社，1983.