采用 MAGMA soft软件对某船用整体球铁活塞的铸造工艺进行了分析，通过增加侧冒 口、砂芯中空设计、铁丝固定等方法优化了铸造工艺。分析了不同热处理工艺对活塞基体组 织的影响。解决了缩松、气孔、漂芯等质量问题，增加了活塞基体珠光体含量。最终生产出 质量符合要求的铸件，同时提高了产品的可靠性与使用寿命。关键词：船用活塞；工艺优化；热处理；缺陷解决柴油机是整车动力的来源，是铁路机车上最关键的部件之一，相当于人体的 “心脏”。而作为柴油机动力组件的活塞更是“心脏中的心脏”，是柴油机中要 求最髙的零部件之一，技术要求高，铸造难度大m 。球铁活塞产品的铸造难点有三 点 。第一，结构复杂：活塞为一体式结构，燃烧室、冷却腔和活塞裙等多个部位整 体铸造而成，结构复杂、壁厚不均、热节多，在生产过程中容易出现缩松、气孔等 缺陷；第二，材质要求高：球化等级要求1~2级，即球化率> 9 0 % ; 珠光体含量要求 為8 5 % , 但活塞环槽部位厚度较大，冷却慢，珠光体含量> 8 5 % 存在较大难度；第 三 ，探伤要求高：铸件精加工后全表面磁粉探伤，燃烧室、环槽、销孔等关键部位 (50%以上区域）要求零缺陷。1 铸件结构与工艺概述1 . 1 铸件结构某船用整体球铁活塞造型采用呋喃树脂砂工艺，砂芯采用覆膜砂制芯，铸件结构 如图丨所示。活塞质量为35.7 kg, 最小壁厚8 mm, 外形尺寸为0230 mm x 300 mm。作者简介：刘 宇 （1981-), 男，高 级工程师，硕士，主要从 事铸造材料及工艺研究工 作。电话：1516119 丨 538, E-mail: liuyu.qs@ crrcgc.cc中图分类号 ： TG 143.5 文献标识码 ： B 文章编号：10014977(2020) 03-0269-04收稿日期：2〇丨9-09-02收到初稿， 2019-10-25收到修订稿。1 . 2 工艺概述横向造型竖向浇注，底注式浇注系统，顶部放置2个7/10发热保温冒口，在铸件 关键部位放置冷铁，以满足磁粉探伤无缺陷的要求。采用3 t中频感应电炉熔炼，出 铁温度1 470~ 1 500 T；, 开浇温度丨380~ 1 420 T： pi。孕育方式采用包内一次孕育+球 化后二次随流孕育。2 存在的问题与原因分析小批量生产阶段发现铸件存在漂芯缺陷，环 槽 部 位 珠 光 体 含 量 偏 低 （不足 8 5 % ) 。外观合格产品进行加工验证时发现顶部气孔和外圆缩松缺陷，导致铸件综合 成品率较低，仅为60%左右。2 . 1 外圆缩松原铸造工艺活塞顶部虽有2个7/10发热保温冒口，但活塞四周壁厚仅8 mm, 冷却 较快，活塞外圆先冷却，导致顶部冒口对活塞外圆的补缩效果不佳。此外，活塞高 度超300 mm, 顶部的2个冒口需对整个活塞外圆进行补缩，补缩距离较大，难以保证 组织完全致密。270 工 艺 技 术 Vol.69 No.3 20202 . 2 头部气孔冷却腔芯为整体式实心设计，未作 减 重 处 理 ， 覆膜砂砂芯发气量较大。其次，主体芯排气设计不合 理 ，未设置排气通道，导致覆膜砂砂芯遇铁液后产生 的气体无法及时排出，最终导致活塞顶部产生大量的 气孔缺陷。2 . 3 漂芯缺陷飘芯缺陷的产生是由于原砂芯固定不稳固，如增 加定位芯头长度、更换强力胶等方式固定效果不好， 最终导致砂芯上浮，形成漂芯缺陷。2 . 4 环槽部位珠光体量偏低整体球铁活塞采用树脂砂造型，树脂砂保温效果 好 ，降温慢。而且最小壁厚8 mm, 但环槽部位壁厚超 过25 mm, 冷却速度慢，使得奧氏体主要以铁素体的 形式发生共析转变，铁素体析出较多，珠光体析出较 少[31,珠光体量仅为45%左右，无法满足技术条件要求 的彡8 5%。3 铸造工艺优化3 . 1 解决外圆缩松图2 a为改进前模拟结果，顶部放置2个保温冒口， 外圆无冒口补缩。由模拟结果可知，顶部冒口对外圆 的补缩效果不佳，外圆处补缩通道过早地与顶部冒口 及横浇道断开，最终导致缩松缺陷的发生。针对以上 情况，采取了如下的改进措施：( I ) 适当增加活塞外圆壁厚，加大顶部冒口对缩 松部位的补缩通道的截面积[41, 避免补缩通道提前凝 固；(2 ) 在铸件外圆増力口2个侧冒口151 (图2 b ) , 并与 横浇道相连组成热冒口，增加铁液补缩量，确保活塞 外圆在冷却过程中得到足够的补缩。3 . 2 解决头部气孔针对头部气孔缺陷，采取了如下的改进措施：( 1 ) 将原整体式冷却腔芯一分为二，并将中间掏 空 ，减少发气量，如图3 a所示；( 2 ) 在主体芯上增加4个排气孔，增加排气通道， 使铸造过程中产生的气体可以快速排出，如图3 b;( 3 ) 在进油孔砂芯上增加芯骨，既增加芯头强 度 ，又有利于排气1'3 . 3 解决飘芯为解决飘芯缺陷，尝试了增加定位芯头长度、 更换强力胶等方式，但效果不佳。最终使用铁丝穿芯 (图4 ) ，将铁丝从进油孔砂芯四个芯骨处穿进主体芯 内并进行固定，解决了砂芯上浮问题，从根本上消除 了飘芯缺陷。4 热处理工艺优化铸态球铁活塞环槽部位的珠光体量偏低，无法满 足技术条件要求。图5为正火工艺后分别采取空冷和风 冷得到的基体组织。采用空冷的正火工艺，基体组织 中铁素体量有所降低，环槽部位珠光体量由4 5 % 提高图 1 铸件示意图Fig. 1 Schematic diagram of casting structure( a )改进前 （ b )改进后图 2 铸造工艺改进前后模拟结果 Fig. 2 Simulation results of original and improved casting processes2020年第 3期 /第 69卷 工 艺 技 术 FOUNDRV 271( a >改进后砂芯 （ b ) 主体芯中的排气通道图 3 改进后砂芯与主体芯中的排气通道 Fig. 3 The improved sand cores and exhaust passages in core box至6 5 % ; 采用风冷的正火工艺，过冷度进一步增加，环 槽部位珠光体含量达到7 5 % , 但仍然无法满足珠光体量 多85%的要求；若采用普通淬火工艺，过大的过冷度导 致应力集中，铸件极易产生裂纹，故普通淬火工艺也 无法满足要求。采用新型瞬时淬火工艺，即920 T, ± 10 保温 2 h后 ，利用水溶剂淬火至700 T：± 50 左右，然后空 冷 ，得到的基体组织主要由9 5%珠光体+铁素体+少量 索氏体构成，如图6 。铸态及不同热处理工艺处理后环 槽部位基体组织见表1。不同热处理工艺水溶剂淬火+空冷的冷却方式不仅 为珠光体形核提供了足够的相变动力，而且避免了奧 氏体向索氏体甚至马氏体转变，过饱和奧氏体在瞬时 淬冷给予的过冷度下大量共析出片层状铁素体及渗碳 体 ，使得基体中珠光体量达到95%以上。5 验证结果铸造工艺优化后，进行了小批量试制24件 ，铸件 粗加工后经目视检查无表面缺陷，且磁粉探伤全部合 格 。分別对铸件本体三个部位检测珠光体量，均达85%图 4 铁丝穿芯工艺Fig. 4 The process of fixing sand cores with iron wire表丨不同状态环槽部位基体组织 Table 1 M icrostructure of ring groove region after different processes of heat treatm ent序号 状态 环槽嵇体组织1 铸态 45%P+F2 il:火+空冷 65r/rP+K3 ii-:火+风冷 15c/fP+Y4 瞬时淬火 r.艺 95%P+F( a ) 正火+空冷 （ b ) 正火+风冷图 5 正火 +空冷及正火+风冷获得的环槽部位基体组织 Fig. 5 Microstructure of ring groove region in heat treated casting by normalization+AC and nonnalization+WCFOUNDRV 工 艺 技 术 Vol.69 No.3 2020以上。随后进行了批量生产120件 ，铸件外观合格，各 部位均未发现缺陷，粗加工后磁粉探伤后综合成品率 为9 4 % , 达到了预期目标。6 结论( 1 ) 增加侧冒口工艺并使其与横浇道相连，并适 当增加活塞外圆壁厚，可有效解决外圆缩松缺陷。( 2 ) 将冷却腔芯由整体式更改为分体式，局部掏 空 ，并增加排气通道，增加芯骨等方式均可有效解决 气孔缺陷。(3 ) 采用铁丝穿芯，将铁丝从进油孔砂芯四个芯 骨处穿进冷却腔芯内固定，可彻底解决飘芯缺陷。( 4 ) 新型瞬时淬火工艺，可有效增加基体珠光体 含量，保证珠光体含量符合技术条件要求。参考文献：[ 1 ] 郭领军，李贺军，石振海 . 内燃机活塞材料的研究及应用述评 m .铸造， 2003. 52(9) : 657-660.[ 2 ] 邱立彬，石作胜 . 铁路货车用灰铸铁活塞的铸造工艺 [•!].铸造 .2012. 61 (6) : 676-678.[ 3 ] 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: 82-83.[ 4 ] 廖治东，封雪平，潘多龙，等 .NK230 合金铸铁活塞裙铸造工艺设计与优化 [■)].铸造， 2014. « (4) : 407-408.[ 5 ] 邓晗，封雪平，杨志刚，等 .EMD灰铸铁活塞铸造工艺研究 [几铸造 . 2016, 65 (3 ) : 284-286.[ 6 ] 宋军辉，封雪平，崔青勇 .提高球铁活塞裙铸件表面质量的研究机车车辆工艺， 2010(3) : 10-11.图 6 环槽部位基体组织（瞬时淬火工艺） Fig. 6 Microstructure of ring groove region ( instantaneous quenching )Casting and Heat Treatment Process Optimization of a Marine Single- Piece Ductile Iron PistonLIU Yu , YANG Zhi -gang , SONG Yang(CRRC Qishuyan Locomotive process optimization; heat treatment; defect elimination( 编辑：潘继勇， pjy@foundryworlii.com )
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