柴油机球墨铸铁连接箱铸造工艺研究

宋 岩

（中车戚墅堰机车有限公司，江苏常州 213011）

连接箱是柴油机—主发电机组的重要零部件之一，安装在柴油机机体后端，连接柴油机和同步主发电机，承受同步主发电机的重量和反转扭矩，需要有足够的强度和韧性，连接箱质量的好坏直接影响柴油机及主发电机的使用性能。

我公司生产的球墨铸铁连接箱（下称连接箱，见图1），其外形尺寸较大，且具有较大通孔，性能要求见表1.

图1 连接箱铸件图

表1 连接箱性能要求

1）连接箱属箱体结构，箱壁主要壁厚15 mm，而法兰面壁厚达60 mm，壁厚差异大，孤立热节较多，易在热节、法兰面等部位产生缩孔、缩松等铸造缺陷。

2）该产品为球墨铸铁件，其凝固特性为糊状凝固，共晶膨胀力大，易产生缩松、缩孔缺陷，另外球墨铸铁在浇注过程中如发生紊流易产生二次氧化现象，从而易导致氧化夹渣缺陷的产生。

3）连接箱一端与机体相连，另一端以凸缘定位方式与同步主发电机相连，外观质量和铸件尺寸精度要求都很高。

根据铸件本身的结构特点，经工艺分析后选用两箱呋喃树脂自硬砂手工造型工艺方案，局部设置适当的冷铁和排气冒口，选择合适的涂料，以避免产生缩孔、缩松、夹砂、气孔等缺陷，并对铁水化学成分进行优化，提高铸件的内在、表面质量和尺寸精度。

3.1 造型工艺

3.1.1 浇注位置和分型面的选择

连接箱采取两箱呋喃树脂自硬砂手工造型工艺，分型面沿大法兰面水平分型，铸件全部位于上型，并将观察孔做成活块方式，以便于起模，内腔结构由一种砂芯组成，保证了铸件尺寸精度，并防止法兰面产生缩松、缩孔缺陷。

3.1.2 冷铁工艺

为改善大法兰面的凝固、冷却条件，在法兰面部位设置明冷铁（见图2、图3），冷铁间隙10 mm～15 mm，按照使用面圆周及间隙（10 mm）计算得出冷铁尺寸150/120×90×40×50，以防止缩孔、缩松缺陷的产生。

图2 连接箱工艺简图

3.2 浇注系统选择

浇注系统设置在铸件法兰周围，其充型过程是：金属液从直浇道进入横浇道，再分配到各内浇道后从铸件顶部法兰进入铸件（见图3）.

图3 连接箱浇注系统布置简图

3.2.1 顶注式浇注系统的优点

1）顶注形成顺序凝固，补缩效果好，对消除缩孔是有利的。但铁水容易氧化。对形状简单的铸件，产生的夹渣能上浮到冒口中或顶面。

2）浇道设置在铸件顶部，金属液在型内流动距离短，能有效减少铸件冷夹、铁豆等缺陷。

3.2.2 浇注系统设计要点

1）横浇道位置尽量高，最好是其顶面高于铸件法兰面，尽可能的减少铁液降温，也能提高铁液的充型速度。

2）横浇道必须采用高梯形，内浇道为扁薄型，保证上浮到横浇道顶面的熔渣不在内浇道的吸动区内，防止熔渣进入型腔。

3）内浇道呈分散均匀分布，采用切线式内浇口，使铁水进入型腔后，变为沿圆周运动，不致乱流，减轻对型壁的冲击，使得渣子聚集在中心，保证铸件的边缘部分质量高。

4）为降低横浇道内金属液的流动速度，使金属液在横浇道内流动平稳，浇注系统各组元尺寸比例设计成半封闭式，即横浇道断面积最大。

3.2.3 铸造工艺参数的确定和工艺措施

1）铸件收缩率：1%.

2）加工余量：内、外圆等处加工余量均为7 mm.

3）分型负数：由于铸型长、宽尺寸均比较大，所以下型各设置分型负数1 mm.

4）浇注时间的确定

球铁件浇注时间按公式（1）计算：

式中：t-浇注时间，s；
GL-型内金属液总重量，包括浇、冒口系统重量，kg；
δ-铸件的平均壁厚，mm；
S2-系数。

取GL=210 kg，δ=20 mm，S1=1.8，则t=27 s.

取该件的浇注时间为27 s.

5）验算型内液面上升速度

通过计算型内液面上升速度来验证浇注时间是否合理。平均液面上升速度按公式（2）计算。

式中：VL-型内液面上升速度，cm/s；
C-铸件在浇注位置时的高度，cm；
t-浇注时间，s.

取C=29 cm，t=27 s，计算得VL=1.07 cm/s.

即大于最小液面上升速度（1 cm/s～2.0 cm/s），说明浇注时间t=27 s 确定合理。

6）阻流截面积设计

本浇注系统采用阻流断面设计法，根据小孔出流托里拆利定律，阻流截面积由公式（3）设计。

式中：F阻-浇注系统最小截面积，cm2；
GL-流经F阻截面的金属液总重量，kg；
μ-流量损耗系数（0.55～0.65）；
t-浇注时间，s；
Hp-平均静压力头高度，cm.

取GL=180 kg，μ=0.55，t=27 s，Hp=35 cm，则：F阻=11.25 cm2.

采用6 道内浇道，采用半封闭式浇注系统，取ΣF内：ΣF横：ΣF直=1.2∶4∶2，且使用过滤网F网=（1.2～1.3）F直，经计算得：ΣF横=21.25 cm2，ΣF网=16.8 cm2，ΣF直=19.625 cm2.

3.3 浇注过程控制

合箱后铸型平稳放置使铁水平稳进入型腔，便于型腔内气体排出，避免出现浇不足、气孔等缺陷。浇注收包后，应及时点冲浇口两次，保持浇口杯呈充满状态。

3.4 熔炼工艺选取

连接箱铸件材质为QT500-7，化学成分控制见表2.

表2 连接箱化学成分

球化处理温度为1 450 ℃～1480 ℃，浇注温度为1 450 ℃～1 470 ℃，球化剂为稀土镁铁合金，球化处理前将球化剂捣实，并用细铁粉覆盖在球化剂上，再在上面压一块8 mm 厚的钢板，防止球化处理时球化剂与铁水反应时飞溅和球化剂过度烧损，并避免铁液球化处理不均匀和铁水温度下降过快。采用一次孕育，孕育剂为FeSi75.

在生产过程中该工艺操作性强，观察孔设计成活块方式，便于起模（如图3 所示）；
内腔结构由一种砂芯组成，避免了传统的多种砂芯组合所引起的累积尺寸误差问题，保证了产品的尺寸精度。冷铁设置在下型平面上，冷铁摆放简单、间隙易于控制，且避免了配模时冷铁脱落现象，能够有效改善这些热节部位的凝固、冷却条件，从而防止缩孔、缩松缺陷的产生。采取上述工艺生产的连接箱铸件，清理后表面无任何缺陷，理化性能均达到技术要求，见表3.铸件加工后，无肉眼可见的缺陷，现已装机使用。

表3 连接箱性能

生产壁厚差异大、尺寸精度要求高的球铁件，采用合理的工艺方案、设置适当的冷铁和排气系统，可以有效的避免铸件产生缩松、缩孔、气孔等缺陷。严格控制碳当量，一方面可提高铁水的流动性，使铁水充型能力增强；
另一方面可以充分利用石墨化膨胀的自补缩作用，减小缩松倾向。严格控制浇注温度，能够很好的防止缩松、冷隔缺陷出现。