重載機車車鉤改性水玻璃砂射芯工藝研究

張文磊，焦金明，張 晶，張成喜

（中車大同電力機車有限公司 工藝開發(fā)部，山西 大同 037038）

自20 世紀60 年代起，國內鐵路車鉤鉤體砂芯的鑄造生產大多采用普通水玻璃砂工藝，存在的主要問題一是水玻璃加入量大，芯砂流動性差，芯子成形不良；二是芯砂殘留強度大，清砂難。為了解決普通水玻璃砂清砂困難的問題，鐵路機車車輛行業(yè)曾經嘗試過“水爆清砂”“水浴清砂”，但都因易引起鑄件裂紋而放棄[1-3]。另外國內車鉤芯子生產也有少數廠家采用CO2聚丙烯酸鈉樹脂工藝及三乙胺冷芯盒工藝，該工藝雖然解決了普通水玻璃砂的上述問題，但又存在黏結劑含N、P、S 有害元素、污染大、存放性差、發(fā)氣量大等問題[4]。

近年來，隨著對水玻璃硬化機理研究的進一步深入，水玻璃砂鑄造技術得到快速發(fā)展，改性水玻璃砂工藝脫穎而出，因此為了在鐵路重載機車車鉤鉤體內腔砂芯的制備過程中，采用改性水玻璃砂冷芯盒制芯工藝代替?zhèn)鹘y(tǒng)的普通水玻璃砂制芯工藝，水玻璃加入質量分數由7.0%～8.0%下降到4%～6%改性水玻璃砂制芯，不僅砂芯潰散性較好，落砂清理方便，更重要的是繼承了傳統(tǒng)水玻璃砂的優(yōu)點，特別是具有較好的高溫退讓性，減少了鉤體內腔的裂紋傾向。

1 改性水玻璃砂原材料及工藝性能

1.1 原砂

重載機車車鉤鉤體材料為E 級鋼，該鋼種的澆注溫度一般在1 560 ℃左右，因此要求制芯用砂具有低含泥量和高耐火度。原砂的SiO2含量直接影響芯砂的耐火度，SiO2含量低，芯砂的耐火度低，澆注后鉤體表面易粘砂[5]。原砂含泥量的高低直接影響芯砂的強度、退讓性和透氣性，而且原砂含泥量高，為保證型砂的工藝強度，需加入更多的黏結劑，這樣就會導致改性水玻璃砂清砂困難，芯砂退讓性降低，增大鉤體內腔的裂紋傾向。本研究選用的硅砂是包頭砂，其性能指標見表1.

1.2 改性水玻璃

選用包頭市瑞晟化工機械產品有限責任公司生產的改性水玻璃，其采用多元復合改性生產，具有抗老化、粘度低的特點，制備的改性水玻璃砂強度高，其性能指標見表2.

表1 包頭硅砂的性能指標

表2 改性水玻璃的性能指標

2 配套設備

主要包括水平分型射芯機和芯盒。射芯機采用80 kg 水平分型射芯機，該設備能夠自動完成射砂、CO2吹氣硬化、頂芯等一系列操作。芯盒主要包括上下芯盒、活塊、射砂板、吹氣板、下頂芯機構等，在設計和生產中對制芯效率、制芯質量、勞動環(huán)境等多方面也有較大影響，一般要求排氣均勻、硬化速度快、氣體耗量低、清理方便，設計時也要注意射砂孔、排氣孔、吹氣板、活塊、密封等幾個方面。

3 小批量試制

3.1 改性水玻璃砂配比試驗

芯砂試驗采用100 kg 規(guī)格的S112 碾輪式混砂機混制，每次先加入100 kg 原砂干混1 min，然后加入定量改性水玻璃混碾3 min，最后從每組混碾好的改性水玻璃砂中取樣，分別進行含水量、干拉強度試驗分析，圖1 為改性水玻璃砂試樣。

圖1 改性水玻璃砂試樣

芯砂性能檢測結果如表1 所示?？梢钥闯觯旧暗母男运ＡЪ尤胭|量分數由3%增加到6%的過程中，含水量也逐漸增加，最大為2.52%，均滿足鉤體芯砂工藝要求。當芯砂的改性水玻璃加入量為3%、4%、4.5%、5%、5.5%、6%時，芯砂的平均干拉強度分別為809 kPa、1 042 kPa、1 150 kPa、1 281 kPa、1 526 kPa、1 909 kPa，芯砂的干拉強度隨著改性水玻璃加入量的增加而增大。車鉤鉤體芯砂干拉強度工藝要求不低于1 300 kPa，因此前四組芯砂干拉強度較低，制芯過程將導致砂芯無法成型、砂芯整體強度低容易裂損等現(xiàn)象，無法滿足砂芯工藝要求。第5 組和第6 組芯砂干拉強度均滿足工藝要求，由于車鉤砂芯為鉤體內腔整體砂芯，砂芯強度滿足工藝要求即可，強度過高將導致砂芯的退讓性降低，容易使鉤體內腔彎角部位產生裂紋，因此確定車鉤鉤體用芯砂的改性水玻璃加入量為5.5%～6%.

表3 改性水玻璃砂試驗性能

3.2 試制生產

利用改性水玻璃砂砂芯進行小批量試制生產，試制產品為102 型車鉤鉤體內腔整體砂芯，砂芯重量約60 kg.試制期間主要完成了吹氣壓力、硬化時間的摸索和改進。吹CO2氣體硬化過程中由于加熱管路的影響，導致壓力有一定的損失，當吹氣壓力較低時硬化時間較長，制芯效率大大降低，當吹氣壓力較高時，吹氣嘴周圍砂芯會發(fā)生過吹現(xiàn)象，砂芯疏松粉化。最終確定射芯工藝為：射砂壓力0.45 MPa，CO2吹氣壓力0.3 MPa，吹氣硬化時間100 s，吹氣硬化60 s 時抽取芯盒活塊。

試制生產過程中總計生產40 個砂芯，通過后續(xù)的造型、澆注、清理過程驗證了砂芯質量滿足工藝要求，砂芯存放性好，鑄件內腔表面光滑，尺寸穩(wěn)定。圖2 為采用改性水玻璃砂制備的102 型車鉤鉤體整體芯。采用改性水玻璃砂芯代替普通水玻璃砂后，芯砂的潰散性大大提高，澆注開箱后進行水力清砂試驗，每個鉤體內腔芯砂清空的平均時間由14 min 縮短至3 min，清砂能力提高了3 倍左右，大大提高了鉤體鑄件的清砂效率。

4 結論

1）通過小批量生產證明，5.5%～6%質量分數的改性水玻璃砂冷芯盒射芯工藝生產的鉤體砂芯，強度高、成型良好、存放性好、鑄件內腔表面光滑、尺寸穩(wěn)定。

圖2 車鉤鉤體改性水玻璃砂芯

2）鉤體改性水玻璃砂芯相比于普通水玻璃砂芯潰散性有明顯提高，內腔芯砂清砂時間縮短3 倍左右，大大提高了鉤體鑄件的清砂效率。