王偉東 胡海成

中車齊齊哈爾車輛有限公司

高溫高濕環(huán)境下鑄鋼件質(zhì)量的控制

王偉東 胡海成

中車齊齊哈爾車輛有限公司

當(dāng)前，在鋼鐵行業(yè)中，高溫高濕期間的鑄件成品率低一直是行業(yè)內(nèi)的頑疾，通過近兩年的數(shù)據(jù)收集，對(duì)環(huán)境與生產(chǎn)要素間的關(guān)系進(jìn)行識(shí)別，制定改進(jìn)方案。鑄鋼件通過適當(dāng)?shù)姆绞礁淖兓虮３钟欣谄湫阅艿膬?nèi)部組織，使材料塑性更佳、強(qiáng)度更高，并符合一定溫度、壓力和環(huán)境下的使用要求，這就是鑄鋼件需要熱處理的目的?；诖耍恼戮透邷馗邼癍h(huán)境下鑄鋼件質(zhì)量的控制進(jìn)行簡要的分析，希望可以提供一個(gè)借鑒。

高溫高濕環(huán)境；鑄鋼件；質(zhì)量控制

1.高溫高濕環(huán)境對(duì)鑄鋼生產(chǎn)的影響

鑄鋼件產(chǎn)品主要應(yīng)用于制動(dòng)夾鉗、牽引車鉤、軸箱體等，應(yīng)用于動(dòng)車、高鐵上，對(duì)產(chǎn)品的內(nèi)在、外觀質(zhì)量和尺寸要求非常高，綜合考慮，采用酯硬化水玻璃砂工藝。在高溫高濕環(huán)境時(shí)，水玻璃和有機(jī)酯反應(yīng)后形成硅酸凝膠，使型砂形成膠結(jié)強(qiáng)度，而空氣中的高濃度水蒸氣對(duì)該反應(yīng)過程產(chǎn)生極大阻礙，促使硅酸凝膠水解，最終導(dǎo)致型砂強(qiáng)度瓦解，給鑄件帶來夾砂、夾渣等缺陷。高溫條件下，型砂反應(yīng)速度加快，導(dǎo)致型砂可使用時(shí)間大大降低，容易出現(xiàn)分層問題，砂模報(bào)廢傾向加大。

2.鑄鋼件中存在的質(zhì)量問題

2.1 鑄鋼件內(nèi)部缺陷

由于鑄鋼件在工藝和澆冒口設(shè)計(jì)中的某些不足，會(huì)導(dǎo)致鑄鋼件的縮孔縮松缺陷。冶煉過程中，又不可避免地會(huì)有各種非金屬化合物(簡稱非金屬夾雜物)存在，這些夾雜的存在破壞了金屬基體的連續(xù)性，形成的空穴和尖銳角在熱處理時(shí)因?yàn)閼?yīng)力集中極易產(chǎn)生裂紋，在承受載荷和沖擊時(shí)就會(huì)導(dǎo)致鑄鋼件斷裂失效。因此，用于抗硫、加氫、高溫、高壓和低溫等特殊工況下的閥門承壓鑄鋼件，一般要求在鑄件熱節(jié)部位做拍片處理，并規(guī)定缺陷的等級(jí)。

2.2 鑄鋼件失效的原因

承壓鑄鋼件在運(yùn)行中如發(fā)生了非正常的斷裂或破損，可以通過對(duì)破損斷口的金相分析了解鑄件失效的真實(shí)原因，從而找到處理方法。閥門常見的斷裂失效形式主要有幾種情況。①閥體閥蓋的爆裂。②閥桿的彎曲或折斷。③栓接件的斷裂。④閘板T形槽的斷裂。⑤密封面咬合撕裂。⑥特殊工況下SSC、SCC、HSC、HIC等形式的開裂。經(jīng)過對(duì)失效零件的工況分析和斷口金相分析，有助于鑄件材料使用、工作環(huán)境、生產(chǎn)工藝、尺寸設(shè)計(jì)等各環(huán)節(jié)上作出合理改進(jìn)。

3.加強(qiáng)高溫高濕環(huán)境下鑄鋼件質(zhì)量的措施

3.1 優(yōu)化過程控制

(1)水玻璃砂改良。高溫高濕期間，水玻璃模數(shù)需要適當(dāng)降低至2.2～2.4，有機(jī)酯采用慢酯，這是常規(guī)手段，但型砂條件的改良遠(yuǎn)不止于此。設(shè)備保障方面，要確保再生系統(tǒng)中冷卻設(shè)備的正常運(yùn)轉(zhuǎn)，以充分降低回收砂的砂溫，將回收砂的溫度控制在不高于室溫5℃；原材料進(jìn)料方面，新砂在運(yùn)輸過程中要做好隔熱措施，否則砂溫可以高達(dá)40～50℃，而且降溫極慢。

(2)鉻鐵礦砂改良。以往鉻鐵礦砂的準(zhǔn)備方式為手工混制，水玻璃和有機(jī)酯加入量難以控制，經(jīng)常出現(xiàn)水玻璃加入過量的問題。水玻璃吸濕能力很強(qiáng)，同時(shí)鉻鐵礦砂相比于普通石英砂蓄熱系數(shù)較高，利于空氣中水分子粘附，造成鉻鐵礦砂在高濕環(huán)境中極易吸潮，成為澆注過程中氣體缺陷的來源。通過前幾年的數(shù)據(jù)查詢，發(fā)現(xiàn)使用鉻鐵礦砂的產(chǎn)品在高溫高濕期間的廢品率是正常水平的2～3倍。對(duì)鉻鐵礦砂的混制方法進(jìn)行改良，采用碗型混砂機(jī)進(jìn)行混制，將每天用量分為A、B兩等分，A組分僅加入水玻璃充分混制，B組分僅加入有機(jī)酯混制，混制完成后單獨(dú)存放，使用時(shí)將加入同等質(zhì)量的兩種組分，混勻。以上做法實(shí)現(xiàn)了水玻璃、有機(jī)酯加入量的精確控制。

3.2 提高技術(shù)

鋼件在高溫氧化環(huán)境中工作時(shí)，表面與氧發(fā)生復(fù)雜的化學(xué)反應(yīng)生成鐵的多種氧化物層，該氧化物層很疏松，失去了鋼原有的特性，極易脫落。為提高鋼的高溫抗氧化性，可向鋼中加入抗氧化性能比較好的合金元素，從而改變氧化物的結(jié)構(gòu)。常用的合金元素有鉻、硅、鋁等，它們均可與氧反應(yīng)生成致密、穩(wěn)定且與鋼件表面牢固結(jié)合的Cr2O3，SiO2、Al2O3等氧化膜層，這些氧化膜可以有效阻止氧、硫等腐蝕性氣體向鋼中擴(kuò)散，也能阻止金屬離子向外擴(kuò)散，以保護(hù)鋼體不再繼續(xù)氧化。一定范圍內(nèi)，鉻、硅、鋁等合金化元素加入量越多，鋼的高溫抗氧化性越好，但硅、鋁等加入量過多時(shí)，鋼的力學(xué)性能和工藝性會(huì)變差。所以，耐熱鋼應(yīng)以鉻為主要合金元素，以硅、鋁為輔助元素。

鋼的熱強(qiáng)性表示金屬在高溫和載荷長時(shí)間作用下抵抗蠕變和斷裂的能力，為了提高耐熱鋼的熱強(qiáng)性，可以采用固溶強(qiáng)化、第二析出相強(qiáng)化和晶界強(qiáng)化等方法。

固溶強(qiáng)化是將某些合金元素加入耐熱鋼中，形成單相過飽和固溶體，從而強(qiáng)化其熱強(qiáng)性。大量研究和實(shí)踐表明，固溶強(qiáng)化是提高耐熱鋼熱強(qiáng)性最有效的途徑。因此通常采取向基體中加入一種或幾種合金元素的辦法，以形成單相固溶體，來提高基體金屬的熱強(qiáng)性。而且在元素周期表中合金元素距基體元素位置越遠(yuǎn)，強(qiáng)化效果越明顯，Mo、Cr、Mn等是提高金屬基體熱強(qiáng)性效果顯著的幾種合金元素。

3.3 涂料刷涂

實(shí)際觀察中發(fā)現(xiàn)冷鐵在高濕度環(huán)境中吸潮很快，涂料刷涂后無法正常點(diǎn)燃，即使經(jīng)過表干處理后，冷鐵表面的涂料板結(jié)性非常差，極易成為澆注過程中的缺陷來源。實(shí)際控制中，當(dāng)涂料點(diǎn)燃完成后隨即采用煤氣噴燈對(duì)冷鐵表面進(jìn)行烘烤，幫助冷鐵表面涂料的燃燒，實(shí)現(xiàn)涂料的常溫固化。高溫高濕環(huán)境下，水玻璃奪取空氣中水分子的能力很強(qiáng)，當(dāng)濕度高時(shí)，水玻璃砂表面的穩(wěn)定性急劇下降，原因在于鈉水玻璃重新發(fā)生水合作用，基體中Na+和OH-吸收水分并侵蝕基體，最后使Si-O-Si斷裂重新溶解，大大降低鈉水玻璃砂粘結(jié)強(qiáng)度。在沒有針對(duì)型砂進(jìn)行改良時(shí)，最好的方法便是在砂模自硬化完成后盡快刷涂料，在型腔與大氣間建立一道屏障，減緩表層型砂的吸濕速度。

綜上，在鑄鋼件的質(zhì)量控制中，高溫高濕環(huán)境的影響作用非常大。因此，需要通過對(duì)過程、技術(shù)以及涂刷等措施，從而保證鑄鋼件的質(zhì)量。

[1]李鳳玉.基于數(shù)值模擬的大型鑄鋼件質(zhì)量預(yù)測研究[D].哈爾濱理工大學(xué)，2005.

[2]牟相山.冒口位置對(duì)鑄鋼件質(zhì)量的影響[J].金屬加工(熱加工)，2012，23：65-66.