Ti321鈦合金軸箱鑄件石墨型鑄造工藝研究

范世璽，趙瑞斌，肖強(qiáng)偉，南海

（1. 北京百慕航材高科技股份有限公司，北京 100094；2. 中國航發(fā)北京航空材料研究院，北京 100095；3. 北京市先進(jìn)鈦合金精密成型工程技術(shù)研究中心，北京 100095）

鈦合金具有比強(qiáng)度高、抗腐蝕性強(qiáng)、耐熱性能好等優(yōu)良性能[1—2]，是航空和航天工業(yè)中最有發(fā)展前途的結(jié)構(gòu)材料之一，伴隨著鈦合金制造工藝的提高和原材料成本的不斷降低，鈦合金應(yīng)用領(lǐng)域不斷擴(kuò)大，在兵器、電子、化工以及其他工業(yè)上應(yīng)用廣泛。

鈦合金石墨型鑄造工藝通常是采用人造石墨塊經(jīng)機(jī)械加工成鑄型，澆注金屬液體凝固后獲得鑄件的一種工藝方法。與砂型、熔模鑄型相比，石墨鑄型的激冷能力強(qiáng)，細(xì)化合金組織，提高鑄件的力學(xué)性能；同時(shí)由于石墨鑄型的熱化學(xué)穩(wěn)定性好，熔融金屬與鑄型接觸時(shí)一般不發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，鑄件表面質(zhì)量較好；石墨型線脹系數(shù)低，抗變形能力強(qiáng)，故鑄件尺寸精度高，并且石墨強(qiáng)度比較高，硬度低容易加工成形，鑄型的外模還可以回收利用，在一定程度上可以降低鑄件的生產(chǎn)成本和交付期限。

在高速鐵路機(jī)車上，軸箱是車輛轉(zhuǎn)向架的核心部件之一，套在軸頸上聯(lián)結(jié)轉(zhuǎn)向架輪對和構(gòu)架[3]。其作用是把車體重量和載荷傳遞給輪對，潤滑軸頸，減少摩擦，降低運(yùn)行阻力，現(xiàn)在普遍用鑄鋼制造。每列機(jī)車大約需要12件軸箱，每個(gè)鋼鑄件的質(zhì)量在120 kg左右，而采用Ti321鈦合金軸箱鑄件的質(zhì)量僅僅為69 kg，為了滿足現(xiàn)在高鐵對車體輕量化、高速化的要求，北京百慕航材高科技股份有限公司開展了制鈦合金軸箱鑄件研制，根據(jù)鑄件的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和性能指標(biāo)要求，采用制作周期較短，成本相對較低的石墨型鑄造工藝方案[4]。

1 鑄件的技術(shù)要求和結(jié)構(gòu)難點(diǎn)

1.1 鑄件的技術(shù)要求

鑄件選用Ti321合金，該合金強(qiáng)度較高，同時(shí)具有較高的伸長率，滿足鑄件的使用要求，其化學(xué)性能和力學(xué)性能指標(biāo)分別見表1和表2。

表1 鑄件要求的化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）Tab.1 Chemical composition required by casting (mass fraction) %

表2 室溫下鑄件的力學(xué)性能要求Tab.2 Mechanical properties of casting at room temperature

鑄件幾何尺寸及公差。鑄件幾何形狀和尺寸符合鑄件圖樣要求，鑄件尺寸公差達(dá)到GB/T 6414的CT8級規(guī)定。

鑄件質(zhì)量。鑄件類別為II類，質(zhì)量等級為C級；X光檢測標(biāo)準(zhǔn)及要求：鑄件X光檢驗(yàn)按GJB 1187進(jìn)行，驗(yàn)收按HB6573 C級；熒光檢測標(biāo)準(zhǔn)及要求：鑄件熒光檢驗(yàn)按GJB 2367A—2005進(jìn)行，驗(yàn)收按GJB 2896A—2007 C級。

1.2 鑄件的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和技術(shù)難點(diǎn)

圖1 軸箱鑄件Fig.1 Axle box casting

軸箱鑄件見圖 1。軸箱主體呈左右對稱[5]，屬于形狀結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜的鑄件[6]，4處厚大熱節(jié)，多處凹槽。鑄件的輪廓尺寸為900 mm×350 mm×450 mm，質(zhì)量約69 kg，最大壁厚為80 mm，最小壁厚10 mm。鑄件存在以下技術(shù)難點(diǎn)：首先由于鑄件外廓尺寸比較大，結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，并且鑄件所采用的Ti321合金流動性比較差，約是ZTC4合金流動性的50%，導(dǎo)致鑄件成形難度比較大；其次鑄件存在孤立厚大熱節(jié)，收縮量比較大，易造成鑄件變形；再者鑄件弧面尺寸精度要求高，容易鼓脹，造成厚度尺寸超差。

2 工藝方案的選擇

軸箱的鑄造質(zhì)量直接關(guān)系到列車的運(yùn)行安全[7]，因此需通過優(yōu)化設(shè)計(jì)澆注系統(tǒng)，減少鑄件缺陷，提高鑄件冶金質(zhì)量。

針對鑄件完整成形難度大的技術(shù)難點(diǎn)以及軸箱鑄件的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，采用的是底注開放式澆注系統(tǒng)（見圖2），靜止?jié)沧?，直澆道從鑄件中心孔入，4段直徑相同的橫澆道呈十字交叉分布在鑄件的下端，6個(gè)內(nèi)澆口分散連接在鑄件大圓加工端面厚區(qū)和弧面處；直澆道處于鑄件的中心孔，橫澆道比較緊湊，金屬液體流程短，減少澆注過程中的合金液體熱量損失，避免鑄件產(chǎn)生澆不足缺陷的發(fā)生，同時(shí)直澆道∶橫澆道∶內(nèi)澆口的截面積比例為1∶2∶3，澆注系統(tǒng)設(shè)計(jì)比較開放且為底部注入式，金屬液體的充填更加平穩(wěn)，減少紊流的發(fā)生。

圖2 軸箱鑄件試制工藝方案Fig.2 Process scheme for trial-produce of axle box casting

針對鑄件容易變形的特點(diǎn)，在鑄件的熱節(jié)和框處，連接4根工藝筋（見圖2），減少鑄件的變形，同時(shí)還能起到輔助澆口的作用，提高鑄件的成形能力。由于石墨鑄型的透氣性比較差，在鑄件上端面開設(shè)多處直徑5 mm的出氣孔，以免鑄型產(chǎn)生憋氣，導(dǎo)致鑄件產(chǎn)生冷隔、氣孔澆不足等缺陷。由于鑄件的結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，收縮時(shí)石墨鑄型對鑄件的抗變形能力比較強(qiáng)，鑄件的收縮量相對比較小，參照類似鑄件的生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)，鑄件xyz方向的收縮率定為0.7%～1.0%[8]，部分厚大區(qū)域收縮比較大，采用加工藝補(bǔ)正量進(jìn)行補(bǔ)正。

計(jì)算機(jī)模擬凝固技術(shù)為鑄造工藝的合理設(shè)計(jì)提供了理論基礎(chǔ)和和實(shí)施依據(jù)[9]，鑄件進(jìn)行工藝設(shè)計(jì)后，先對軸箱進(jìn)行無冒口的純凝固傳熱計(jì)算，通過“瞬間充型，初溫均布”假設(shè)，只考慮凝固過程，沒有考慮充型的影響[10—11]，可以快速確定縮孔、縮松的分布位置；通過采用圖4軸箱工藝方案的模擬分析，可以知道，軸箱鑄件金屬流動比較平穩(wěn)，充型比較完整，充型能力比較強(qiáng)，頂部厚大區(qū)域有縮孔問題，但縮孔體積比較小，不用加設(shè)額外的冒口，熱壓后鑄件的縮孔可以壓實(shí)。軸箱鑄件模擬結(jié)果見圖3。

圖3 軸箱鑄件模擬結(jié)果Fig.3 Simulation results of axle box casting

石墨鑄型選用優(yōu)質(zhì)人造石墨塊進(jìn)行加機(jī)加工制作[12]，因?yàn)殍T件和澆注系統(tǒng)比較復(fù)雜，鑄型采用多活塊組合設(shè)計(jì)（見圖 4），活塊之間的裝配采用定位孔和芯頭定位；由于石墨加工精度比較高，所以活塊之間的裝配間隙比較小，有利于保證鑄件的尺寸精度。

圖4 軸箱鑄件鑄型結(jié)構(gòu)Fig.4 Die structure of axle box casting

3 鑄型除氣和澆注

加工好的石墨鑄型及型芯，含有一定的水分，在常溫下容易吸附氣體和水分[13]，澆注時(shí)鑄型及型芯往往會析出氣體及水分和高溫的鈦合金熔體發(fā)生反應(yīng)，會造成鑄件產(chǎn)生鑄造缺陷，所以必須在澆注前除掉這些雜質(zhì)；鑄型及型芯必須在真空爐內(nèi)除氣[14]，鑄型裝爐后，先將爐內(nèi)抽真空，當(dāng)真空爐內(nèi)真空度≤6 Pa，開始緩慢加熱至930 ℃，保溫2 h左右，然后緩慢冷卻到300 ℃以下出爐。

經(jīng)過除氣后的石墨鑄型在真空自耗電極凝殼爐內(nèi)進(jìn)行澆注[15]，如果除氣的鑄型不能及時(shí)澆注，鑄型暴露在空氣中不應(yīng)超過 24 h，應(yīng)存放在設(shè)定溫度150 ℃的烘箱內(nèi)進(jìn)行保溫，并合理安排澆注時(shí)間。軸箱鑄件采用Ti321合金，流動性比較差，且石墨鑄型導(dǎo)熱系數(shù)大，激冷效果比較好，鑄件完整成形難度比較大，所以裝爐后的石墨型殼溫度控制在(200±50) ℃，通過提高鑄型的溫度，來保證鈦合金的充填能力，避免澆不足缺陷的發(fā)生。軸箱鑄件熔鑄熔煉和澆注在150 kg真空自耗凝殼爐中進(jìn)行，當(dāng)爐內(nèi)真空度小于6 Pa時(shí)開始熔煉，當(dāng)鈦合金熔化至規(guī)定重量后，立即進(jìn)行澆注石墨鑄型，澆注后的鑄型要在凝殼爐內(nèi)冷卻1 h后才可以開爐門，防止過早的打開爐門，鑄件沒有完全冷卻，導(dǎo)致鑄件產(chǎn)生開裂變形。

4 鑄件的試制結(jié)果

因?yàn)門i321合金流動性比較差，盡管鑄件的出氣孔沒有完全充滿，但軸箱鑄型在澆注前預(yù)熱，可以提高鈦合金熔體的充型能力，其次澆注系統(tǒng)設(shè)計(jì)合理，鈦合金熔體流動比較平穩(wěn)，所以鑄件成形良好。澆注清理后的軸箱鑄件見圖5。

圖5 澆注清理后的軸箱鑄件Fig.5 Axle box casting after cleaning

經(jīng)過檢測鑄件的力學(xué)性能和化學(xué)成分見表 3和表4，完全滿足客戶的標(biāo)準(zhǔn)要求。鑄件經(jīng)過熱壓后沒有明顯的壓坑，內(nèi)部質(zhì)量較好；鑄件酸洗、打磨后，熒光檢測2次即合格，表面質(zhì)量比較好，最終鑄件經(jīng)過尺寸劃線檢驗(yàn)滿足客戶要求。

表3 鑄件的化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）Tab.3 Chemical composition of casting (mass fraction) %

表4 鑄件附鑄試樣力學(xué)性能Tab.4 Mechanical properties of casting specimen

5 結(jié)論

針對軸箱鑄件的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和技術(shù)難點(diǎn)，采用石墨鑄型鑄造的工藝方案設(shè)計(jì)，研究表明大尺寸、復(fù)雜結(jié)構(gòu)的鑄件，由于石墨抗變形能力比較強(qiáng)，通過設(shè)計(jì)合理的工藝筋和鑄件收縮比例，開設(shè)多活塊組合的石墨鑄型，澆注后鑄件的尺寸沒有明顯的變形，經(jīng)過尺寸檢驗(yàn)，鑄件尺寸符合圖紙要求；同時(shí)軸箱鑄件成形難度大，通過采用底注開放式澆注系統(tǒng)及合理的澆注參數(shù)，利用軟件模擬鑄件的成形和縮松及縮孔情況，優(yōu)化澆注系統(tǒng)設(shè)計(jì)，澆注后的鑄件成形良好，鑄件的內(nèi)部質(zhì)量和表面質(zhì)量滿足客戶要求；總之，軸箱鑄件采用石墨型鑄造工藝，設(shè)計(jì)的底注開放式澆注系統(tǒng)和防止變形的方案是完全可行的。

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