一、造型技术现状及展望

    中国铁路货车铸钢产品绝大部分采用砂型铸造，广泛采用流水线大量生产，采用成熟、可靠的技术。在生产车间广泛使用高压造型、射压造型、静压造型、气冲造型和生产线等高效造型方法。目前，在中国铁路货车铸钢制造业中采用较多的型砂工艺主要有：CO2水玻璃砂、湿型砂、呋喃树脂砂和酯硬化水玻璃砂。

    20世纪50年代开始，CO2硬化水玻璃砂由于工艺简便、价格低廉和污染程度小，被我国铁路货车铸钢制造业广泛采用。到60年代中期，水爆、水浴工艺的相继发明，解决了水玻璃砂清砂困难的难题，CO2硬化水玻璃砂得到了更广泛的应用，但铸钢件在铸态和激冷条件下容易产生毛细裂纹缺陷，同时水污染问题也日益突出。

    90年代末期，用户要求对铁路货车重要铸钢件采用干法落砂工艺和磁粉探伤检测。大部分铁路货车铸钢厂进行了技术改造，开始采用呋喃树脂砂、湿型砂、有机酯改性水玻璃砂工艺，并相继建造了造型生产线。呋喃树脂砂虽然尺寸精度高、溃散性好、再生性好，但解决大型薄壁箱体铸钢件裂纹缺陷时，需要采取大量附加的工艺措施，成本相对较高，所以没有得到更广泛的推广。由于国内优质膨润土资源匮乏以及对型砂技术的掌握程度等原因，湿型砂工艺未能在大型铸钢件生产上广泛应用，目前，该工艺在国内一家铁路货车铸钢厂用于摇枕侧架生产。随着国内外对有机酯改性水玻璃砂造型材料、砂再生难题及铸造装备技术的突破，近几年有机酯改性水玻璃砂工艺在铁路货车铸钢厂得到了广泛的应用。

    20世纪80年代，日本铸造协会发明了真空转换二氧化碳硬化水玻璃砂工艺，是一种水玻璃砂硬化新方法，英文名称是Vacuum Replacing Hardening – CO2 Process Vacuum Process，简称VRH法。目前国内某些铁路货车铸钢厂将其用于车钩生产。

    20世纪70年代初，日本发明并研制成功的一种特种铸造方法——真空密封造型法(也称负压造型法或减压造型法)，英文名称是Vacuum Process，简称V法。我国自20世纪80年代开始引进此项技术和设备，同时国内铸造界的科技人员开始研制V法造型工艺的装备，使V法造型在国内多家工厂得到应用。V法工艺在国内外的工程机械配件、耐磨衬板件、汽车配件、阀类件和铁路道岔等行业均有所应用。目前，这种工艺已经被应用于铁路货车摇枕与侧架的铸造。据了解，前苏联一些国家从2004年开始相继从德国公司引进了3〜4条V法生产线元素，发气量低，可防止铸钢件皮下气孔缺陷产生。

    二、该工艺芯砂具有二次硬化特性和良好高温热塑性，可防止铸钢件热裂及缩松等缺陷的产生。

    三、如采用气体固化剂(甲酸甲酯)，其尾气可直接排放到大气中，对操作者身体无损害。该工艺的芯砂强度较高，裂纹倾向性大于水玻璃砂。

    与传统水玻璃砂工艺相比，新型酯硬化水玻璃砂工艺可以充分发挥水玻璃的粘结效率，在获得相同粘结强度的条件下，可使水玻璃加入量大大降低，较大地改善了水玻璃砂的溃散性和旧砂的回用性。有机酯自硬水玻璃砂工艺保持了传统CO2硬化水玻璃砂的优点，即生产成本低、操作简便、铸件的裂纹和气孔等缺陷少；同时由于其生产过程类似于自硬树脂砂工艺，具有自硬树脂砂工艺的型(芯)砂较易混均、流动性好、易于紧实、铸型(芯)自硬且强度高、生产的铸件尺寸精度高等优点。与自硬树脂砂工艺相比，该工艺还具有环保(有机酯是一种低毒性、低粘度、成分均匀的有机液体)、定量容易、使用方便等优点。由于水玻璃加入量降低至2%~3%之间，砂芯溃散性较好，完全可实现干法落砂，但由于其吸湿性较大的缺点，所生产的铸型(芯)在使用前需要烘干。

    综上所述， 这些方法根据制芯设备的不同在应用上各有优缺点，选用时要根据产品的结构和技术要求，制订具体可行的产品工艺、制芯工艺以及砂芯的生产工艺流程。芯砂选用原则为：

    （1）芯砂的流动性要好，便于充模。
    （2）硬化速度和硬化时间容易掌握。
    （3）芯砂的可使用时间容易调节。
    （4）砂芯强度满足使用要求。
    （5）工艺性好，不易产生裂纹缺陷。
    （6） 溃散性好，干法落砂容易实现。

    近年来，中国铁路货车铸钢产品制芯技术飞速发展，百花齐放，特别是铁路货车关键大部件摇枕、侧架整体芯技术的开发，象征着中国铁路货车铸钢产品制芯技术已经超越世界一流水平，达到世界领先水平。整体新技术使内腔砂芯由6块～12块组成变为一块，采用整体芯形成摇枕与侧架铸件内腔，尤其是关键部位，可消除传统工艺带来的台阶、飞边、裂纹与气孔等铸造缺陷，提高摇枕与侧架的内在质量。目前国内各厂家所采用的制芯方法主要有：射芯工艺，两大片工艺，上平面压实工艺，以及新颖的盒内挤压锁芯工艺。

    射芯工艺采用ISOCURE冷芯盒树脂砂整体射制或分别射制主体上下盒芯，并用三乙胺固化后锁芯。整体射制的砂芯必须有较高的强度，这样必将增加铸件内腔产生裂纹缺陷的倾向。在消除铸件裂纹和保证密实度方面，采取工艺措施解决较困难。

    两大片工艺采用呋喃树脂砂整体砂芯，分为上下两片分别制出，然后用粘结剂或砂销合在一起。上压模工艺砂芯采用酯硬化水玻璃砂。在下芯盒填满砂后，再用随形上模进行压实，但砂芯的压实面质量不容易控制，易出现砂尖、台阶和错芯等缺陷，在靠近压实面一侧采用冷铁、铸筋等工艺措施比较困难，砂芯的翻转起模比较困难，砂芯制作过程操作复杂，生产效率较低。

    盒内挤压锁芯成型工艺是一种国内外首创、全新的生产工艺。砂芯采用酯硬化水玻璃砂，将射芯工艺的生产原理应用到制芯生产线上。与射芯不同之处为，盒内挤压锁芯成型工艺是在芯盒内先填砂后合模，而射芯工艺是先合模后填砂，利用尚未硬化的下半芯盒内芯砂水玻璃的粘性，通过合芯机将上芯盒翻转与下芯盒实施合模，实现上下芯盒内的型砂粘合、挤压和锁紧，成为整体砂芯（见图2）。图3、4所示为该工艺的具体应用实例。

    另外，采用机械下芯，可以减少人为因素的干扰，有效提高下芯质量，减少砂眼、偏皮等铸件缺陷。耗，有效减轻铸件堆垛组织，提高性能且波动范围小。推广应用悬挂式连续热处理炉将是铁路货车铸钢件热处理工艺的发展趋势。

四、产品技术标准及检测手段

    自铁路货车重载、快捷技术实施以来，铁道货车铸钢产品技术标准进行了大幅度升级修订。目前TB/T3012－2006《铁道货车铸钢摇枕、侧架技术条件》的颁布和实施，规范了摇枕、侧架的工序质量和检验标准，在铸件缺陷、化学成分、性能、金相组织、夹杂物和密实度等方面已经超越了美国AAR标准。同时荧光磁粉整体探伤、超声波探伤和测厚技术条件、三坐标测量仪尺寸检测、射线照相检验标准等检测标准的颁布实施，使我国铁路货车铸钢产品检测手段更加完善，检测标准已经达到世界同行业最高水准。

    对铸件进行整体荧光磁粉探伤及铸件内部无损探伤技术的应用大大提升了铸件运用的可靠性，同时也对铸件制造质量提出了更高的要求。目前，广泛应用于航天航空领域的工业实时成像技术（DR）和工业CT检测技术也正在被筹划应用于检测铁路货车铸件。

    五、结语

    （1) 目前，中国高质量的铁路货车整机和铸钢配件正大量地出口到美洲、澳洲等发达国家，标志着中国铁路货车产品已在世界范围内被广泛认可。中国铁路货车铸钢制造业主要技术经达到同行业世界一流水平，以整体制芯技术为代表的各种技术创新，标志着我国铁路货车铸钢业正向世界领先水平迈进。

    （2) 攻克V法造型生产结构复杂产品的难关，提升V法造型技术的产品、工艺和生产制造的柔性，是我们今后造型技术主要的研究方向之一。研究、应用V法等造型工艺，大幅度提升铸件表面质量，达到或接近精铸水平，同时保证低污染、环境影响小，也是铁路货车铸钢造型工艺创新的主要方向。实施钢液精炼技术，采用连续热处理炉等先进装备和技术，提升和保证铸件内在质量是中国铁路货车铸钢制造业今后技术应用的发展方向。

来源:http://www.c-cnc.com/news/news.asp?id=30354

2、用感应淬火、火焰淬火等热处理方法改善性能，可使碳钢获得较早先所能得到的更好的性能；

3、许多新成分被假如碳钢中，允许作更细致的选择。

在某些碳钢中，加入硼可以增加其淬透性并改善其冷墩性能。

高强度低合金钢（HSLA）材料，与其说用来提供成分组成范围，还不如说一般用来提供机械性能的要求。这些钢通常并不打算由用户进行调质。

合金钢一般在未经适当的热处理时是不用的。合金钢中产量最大的是那些含碳量约为0.25-0.55%的类型。如果合金钢打算用于渗碳零件，标称含碳量通常不超过0.20%。在这些钢中通常加入锰、硅、镍、铬、钼、钒及硼的不同组合和含量，以增强其调质后的性能。

合金钢调质后产生的显微结构（回火马氏体和贝氏体）的特点由良好的韧性，或者说在给定的强度水平上无断裂变形的能力来表征。由热处理方法获得有利的显微结构的基本现象对普通碳钢同样是可能的，但主要用于薄的截面。因此钢中合金元素的最重要的影响在于较大的截面中，诱发生成马氏体或贝氏体并兼有优良的性能。这些结构的硬度或强度水平与其说是由于其中的合金元素的作用，还不如说是由于转变产物中含碳量的作用。

溶于奥氏体中的合金元素的一般影响是在亚临界温度下减慢奥氏体转变的速率。因为在这些钢中所希望的转变产物（马氏体和下贝氏体）产生于低温时，这种减慢了的转变速率是必要的。同时工件能被更慢地冷却，或者较大的工件能在给定的介质内淬火，而不产生奥氏体向不希望的高温产物（珠光体或上贝氏体）转变。这一功能----减慢转变速率从而促进最终向马氏体和下贝氏体转变----即为如所知的可淬透性，这是可淬硬钢中合金元素最重要的影响，由于改进了淬硬性，这些合金元素大大扩大了增进大截面性能的潜力。而大截面在许多应用中是需要的。

本节中有许多曲线用来说明，不管成分如何，相同硬度的回火钢具有大致相同的抗拉强度这一原理。

热处理后钢的最大硬度（淬硬后的）主要取决于含碳量。合金元素对碳钢所能发挥的最大硬度影响不大，但它们却深深地影响特定尺寸的和形状的部分上这一最大硬度所能所能达到的深度。因此对于特殊的应用，要作的第一个决定是达到所需硬度，需要多高含碳量。其次必须决定合适的合金元素含量，它在所涉及的截面尺寸内给出合适的淬火特性。这不应当被理解为回火马氏体纲，不管成分如何，在每个方面都是相似的，因为合金元素含量影响着高温强度下强度的保持能力、耐磨性及耐蚀能力的差别，甚至在一定程度上影响韧性。然而这些相似性足以显示许可从硬度合理地精确预测机械性能，而不是从成分预测机械性能。因而认为强调可淬硬性为合金元素的最重要的作用是有理由的。

    耐磨性是成分、组织在几个方面的综合强烈影响。应用于仿CR4800化学成分与加工工艺发展了冶金结构组织，由下列因素强烈地改变了耐磨性：

1、实际工作硬度

在实际使用中，仿CR4800的表面硬度形变硬化而增加约70 HB。这个形变硬

化发生在冲击、压力等形变机械过程中。

2、塑性降低的转变影响

塑性变形能力影响原始组织的发展。

3、硬化凸起的延迟位移

仿CR4800具有极高的因冲击引起的塑性变形能力。

与400 HB水淬钢比较，影响原始组织的发展因塑性变形引起的额外硬度导

致凸起位移延迟，从而保证了一个较低的磨损速率（重量损失）。

4、Ti C

仿CR4800影响原始组织的发展具有Ti C、Mo C的细颗粒均相组织。影响原始组织的发展钢因添加了Ti而产生了非常硬的细颗粒Ti C组织，它是一个耐磨钢领域新开发的钢种。这些碳化物使钢增加了耐磨性。

5、耐热机械性能

影响原始组织的发展， 钢的Ti和Mo是关键元素，它在热工况条件下具高

的抗软性能，该性能远高于ZG1Cr18Ni9Ti耐热板。

Si-Al脱氧限制含硫量。由于Si-Al脱氧减少了钢中有害的硅酸盐偏析线的出现，所以提高了上平台吸收能量；限制含硫量可以减少生成硫化锰。

热轧温度 高温热轧会使晶粒长大。

韧性的各向异性

截面尺寸 随着钢板厚度的增加，韧性降低。在一个已知零件中含有临界尺寸或更大的裂纹和疵病的可能性增加。厚坯料原始韧性越低，含有大的饿裂纹或疵病的可能性就也越大，。大型结构件比小型结构件更具有脆性断裂敏感性。

零件大小   除去制造零件的钢截面大小的影响之外，零件本身的大小也影响其断裂特性。大截面比小截面对脆性断裂更敏感，这是因为大截面创造了为裂纹快速扩展的平面应变条件。

硼   采用含硼的低碳钢是可获得韧性而不降低强度的实用途径。10B21钢比1038钢在所有强度水平下均具有更高的韧性。然而，硼的有益作用只能用于淬火+回火的钢，硼降低轧制的、退火的和正火后钢的韧性。

锰   充分降低低碳钢的转变温度。含碳量比较高的钢，锰的作用有所减弱。增加正火钢中的含锰量，降低T_δ，这可能是因为加入锰减小了珠光体片的间距所致。淬火回火的钢中，锰有相反的作用。锰使钢对回火脆性敏感，并导致在正火时形成脆的上贝氏体，而不是细珠光体。

硫   对钢缺口韧性的影响直接与脱氧工艺有关。对于沸腾钢、半镇静钢和硅脱氧钢，含硫量约0.04%以下时，对缺口韧性只有微弱的影响。然而，对于Si-Al脱氧钢，降低含硫量能充分提高其沙锅内平台能量。这种吸收能量的改进是由于减少了钢中硫化物偏析线数量的结果。

磷   对钢的缺口韧性具有极为有害的影响，含磷量每提高0.01%，可提高T_δ约7℃，并降低上平台能量。磷还提高一些钢对回火脆性的敏感性。

硅   在脱氧钢中的含量为0.15-0.30%,可降低T_δ,并提高上平台能量.与沸腾钢或半镇静钢相比,硅脱氧钢比较纯净,并且具有较均匀的铁素体晶粒.这些影响可能是由于炼钢生产中采用脱氧方法不同造成的,而不是因为硅量的原因。硅超过0.06%显著提高了T_δ。

氮   本身降低上平台吸收能量，提高转变温度。然而，多数氮化钢是用硅和铝脱氧，这两种元素都与氧化合，在脱氧时形成氧化铝可以稳定晶粒尺寸，因而改进了这些钢的缺口韧性。

铝   对中碳钢缺口韧性影响时，注意含铝量增加到超过形成氮化铝的需要量（约0.075%Al）时，则损害缺口韧性。

镍   和锰一样，镍用在改进钢在低温下的缺口韧性。镍对中碳钢比对低碳钢改进韧性的影响小。一些高镍合金钢，如马氏体时效钢和奥氏体不锈钢显示不出典型塑性-脆性转变，含镍量增加则降低上平台断裂吸收能，但是多数应用中仍采用相当高的含量水平。

铬   稍提高转变温度。钢中含铬量超过0.9%，正如典型地对碳钢那样，很难改进其显微组织和机械性能因此，冲击试验结果是不可比的。一般加入铬为提高淬透性，提高淬透性可以充分扩大马氏体显微组织，以提供高的上平台吸收能量。中碳钢、普通铬合金钢，如5140钢，当淬火为马氏体并在375-575℃回火时，对脆性是敏感的。

钼   一般在合金钢中含钼量约在0.40%以下，可提高T_δ。钼通常是用以提高淬透性；它主要是通过对显微组织的影响而影响缺口韧性。合金钢中加入钼约0.5-1.0%，可降低回火脆性敏感性，但是在脆化温度下，只是在相当短的加热时间内才是有效的。钼只是延缓回火脆性而不是消除回火脆性，因为含少量这种元素的钢，长期暴露在脆化温度范围就变脆。

铜   在钢中的含量在不致产生沉淀硬化限度内，对低温下的缺口韧性有相当益处。铜促进钢的沉淀硬化，特别是如果回火温度在400-565℃范围，便导致对缺口韧性相反的效果。

钒铌和钛   经常用在可孔形变热处理的钢中，因此含这些元素的钢的韧性基本上是轧制工艺而变。当钢在925℃以下的温度结束加工时，正如某些HSLA钢的特征一样，钒铌和钛主要是由于细化了铁素体晶粒，而改进了韧性。如果在较高的温度下结束加工，这些元素则对韧性有害。

铬、钛、钙和稀土   可以控制MnS夹杂物的形状，使其形成为球状而不致拉长。球状夹杂物提高上平台能量并减小缺口韧性的各向异性，这种作用对HSLA钢钢板和薄板中特别有益。

填隙元素   如碳、氧、氮和氢一般降低钢的缺口韧性，这种影响在马氏体时效钢中最为明显。钢的含氧量通常取决于炼钢过程中的脱氧工艺。沸腾钢含氧量高于镇静钢转变温度也比较高。氢稍降低钢的缺口韧性，它的主要有害作用是发生在慢的或静态载荷条件下。碳和氮的实际影响，在前讨论过。

锑、砷和锡 在微量下降低钢的缺口韧性，并显著提高镍铬合金钢对回火脆性敏感性。

相互干扰的影响   合金元素相互影响是非茶馆内普遍的，特别是填隙元素碳、氮及强烈形成炭化物或氮化物的形成元素，如铝、钒、锰、铌、钼和钛等。