楊敬偉

(中國一重集團(tuán)有限公司鑄鍛鋼事業(yè)部，黑龍江161042)

高錳鋼具有加工硬化的重要特性，作為一種傳統(tǒng)的耐磨材料，以其優(yōu)異的耐磨損性能廣泛應(yīng)用于冶金、礦山、建材、鐵路、電力、煤炭等機(jī)械裝備中。高錳鋼鑄件凝固收縮大，熱導(dǎo)率低，鑄造過程中極易出現(xiàn)收縮類缺陷與裂紋缺陷，而厚大實(shí)體類鑄件由于凝固時(shí)間長，會導(dǎo)致晶粒粗大，組織不夠致密，高溫強(qiáng)度低，晶界碳化物、夾雜物多，成分偏析等，因此更易產(chǎn)生熱裂。我公司生產(chǎn)的一種礦山機(jī)械用導(dǎo)輪屬厚大實(shí)體高錳鋼鑄件，凈重1.7 t，結(jié)構(gòu)尺寸見圖1。本文針對此產(chǎn)品，利用Procast模擬技術(shù)對比了兩種冒口設(shè)計(jì)在鑄件內(nèi)形成的應(yīng)力分布，并介紹了我廠生產(chǎn)此類產(chǎn)品的生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)。

圖1 導(dǎo)輪鑄件結(jié)構(gòu)圖Figure 1 Structure diagram of the idler casting

1 產(chǎn)品技術(shù)要求

1.1 化學(xué)成分

高錳鋼導(dǎo)輪的材質(zhì)為ASTM A128-E，其化學(xué)成分要求見表1。

表1 化學(xué)成分要求(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)Table1 Requirement of chemical compositions (mass fraction，%)

1.2 性能及無損檢測要求

滲透檢測需達(dá)到ASTM E433質(zhì)量等級2級，射線檢測按照ASTM E280的3級標(biāo)準(zhǔn)驗(yàn)收。鑄件不允許做缺陷類焊補(bǔ)，只允許做表面修飾性焊補(bǔ)。表面硬度450～500HBW。

2 冒口及補(bǔ)貼設(shè)計(jì)

2.1 設(shè)計(jì)思路

高錳鋼的凝固屬中間凝固方式，通常情況下冒口的作用區(qū)比碳鋼大，而末端區(qū)的作用比碳鋼小[1]。加之該鋼種導(dǎo)熱性差，且導(dǎo)輪鑄件表面彎曲不平，重力方向尺寸不大，因此工藝設(shè)計(jì)時(shí)沒有在輪緣底部使用外冷鐵，著重設(shè)計(jì)了冒口的形狀和尺寸。高錳鋼鑄件較容易在冒口下生成裂紋，適于使用縮頸型冒口，這樣可以減少接觸熱節(jié)的尺寸，使鑄型內(nèi)鋼液最終凝固的位置即收縮類缺陷、成分偏析盡量遠(yuǎn)離鑄件本體。在滿足補(bǔ)縮通道順暢、縮孔縮松預(yù)測遠(yuǎn)離鑄件的前提下，設(shè)計(jì)了兩種冒口方案，示意圖見圖2。方案一，在輪轂端面設(shè)置1個(gè)圓形大冒口，將軸孔鑄死一部分作為冒口補(bǔ)貼，使得頂部大冒口可以為整個(gè)鑄件進(jìn)行補(bǔ)縮；方案二，在輪轂端面設(shè)置1個(gè)橢圓形細(xì)長形的冒口，冒口下鑄死至輪輻的表面，軸孔內(nèi)完整鑄出，也能實(shí)現(xiàn)頂部大冒口為鑄件的兩處大熱節(jié)進(jìn)行補(bǔ)縮。方案一的鋼水總重為3.77 t，方案二的鋼水總重為3.15 t。

圖2 導(dǎo)輪鑄件的兩種工藝方案Figure 2 Two kinds of process plan for idler casting

2.2 兩種方案的應(yīng)力分析

使用成熟的鑄造CAE軟件ProCAST對上述兩種方案進(jìn)行應(yīng)力分析，該軟件使用的是有限元方法對成形過程進(jìn)行數(shù)值模擬，其在應(yīng)力與變形方面模擬結(jié)果較有限差分更為準(zhǔn)確，它可以根據(jù)用戶輸入的合金化學(xué)成分自動計(jì)算產(chǎn)生模擬所需的物性能數(shù)[2]。經(jīng)過對比發(fā)現(xiàn)，對于導(dǎo)輪材質(zhì)，使用ProCAST計(jì)算產(chǎn)生的物性參數(shù)與專業(yè)的材料性能模擬軟件JMatPro所計(jì)算出的結(jié)果十分接近，模擬時(shí)可任選其一。

對方案一縱向剖面的有效應(yīng)力分布模擬結(jié)果如圖3，對方案二縱向剖面的有效應(yīng)力分布模擬結(jié)果如圖4，凝固用時(shí)t=95 000 s。從圖3可以看到，方案一的有效應(yīng)力分布并不均勻，在冒口下縮頸部位的心部有效應(yīng)力較小，而縮頸部位的周邊有效應(yīng)力較大，且在輪轂與輪輻間過渡的轉(zhuǎn)角處應(yīng)力值較大，這與以往轉(zhuǎn)角處易產(chǎn)生裂紋的情況相吻合。觀察方案二對應(yīng)的圖4中的兩個(gè)縱剖面可以發(fā)現(xiàn)，鑄件內(nèi)部有效應(yīng)力分布均勻，呈單方向逐漸變化的趨勢，沒有出現(xiàn)局部的應(yīng)力集中情況，且模擬結(jié)果顯示的有效應(yīng)力值也普遍低于方案一的結(jié)果。

2.3 方案確定

方案一在落砂并切割冒口后，鑄件毛坯外觀質(zhì)量好，精整打磨工作量小，但是軸孔內(nèi)部補(bǔ)貼(鑄死區(qū)域)需要機(jī)械加工去除，由于高錳鋼的形變強(qiáng)化作用會導(dǎo)致加工工時(shí)長，加工成本高。而方案二正相反，軸孔內(nèi)鑄造時(shí)僅需留有少量的加工余量，冒口下至輪輻之間補(bǔ)貼采用氣割去除，只要措施得當(dāng)，壁免切割形成裂紋，則方案二的整體精整工作量會很小。結(jié)合鑄件內(nèi)部有效應(yīng)力的分布情況，選擇了方案二為最終的工藝方案。

圖3 方案一對應(yīng)的有效應(yīng)力分布圖Figure 3 Effective stress distribution of plan 1

圖4 方案二對應(yīng)的有效應(yīng)力分布圖Figure 4 Effective stress distribution of plan 2

3 生產(chǎn)技術(shù)要點(diǎn)

3.1 化學(xué)成分控制與冶煉

S、P是有害元素，低磷低硫是冶煉的最基本要求。由于高的Mn含量會起到脫硫作用，因此S危害相對較小。P在奧氏體中的溶解度很小，且極易在晶界和枝晶間偏析形成磷共晶，降低奧氏體晶界強(qiáng)度和結(jié)合力，從而使高錳鋼在室溫下塑性和強(qiáng)度明顯降低，因此P含量應(yīng)盡量低，冶煉時(shí)應(yīng)使P低于0.04%。澆注溫度控制在1420±5℃。澆注系統(tǒng)采取底注開放式，使金屬液快速平穩(wěn)地注入鑄型，防止整個(gè)鑄型內(nèi)的溫差過大。

3.2 型砂與涂料

造型型砂宜用堿性的鎂砂、橄欖石砂或中性的鉻鐵礦砂。鉻鐵礦砂蓄熱量大，可以使高錳鋼散熱快一些，是很好的造型材料。最好用鎂砂高鋁粉或鉻鐵礦粉做涂料，以提高鑄件表面質(zhì)量，避免發(fā)生化學(xué)粘砂。

3.2 鑄后熱處理

鑄件在1050℃均勻化保溫，嚴(yán)格防止加熱溫度過高和保溫時(shí)間過長，溫度過高或保溫時(shí)間過長會導(dǎo)致鑄件表面嚴(yán)重脫碳，同時(shí)奧氏體晶粒和晶界上也會析出不能消除的脆性共晶碳化物。鑄件水韌入水溫度不得低于950℃，應(yīng)盡量縮短空中停留時(shí)間，入水后，用吊車不停擺動鑄件以加速水冷，也可以使用循環(huán)冷卻水防止水溫過高。水韌處理后，浸水切割冒口。

4 結(jié)論

(1)由于在生產(chǎn)前對工藝方案進(jìn)行了充分的比較論證，并結(jié)合了以往的生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)，最終該批次的6件導(dǎo)輪鑄件均一次性合格發(fā)出，僅對個(gè)別鑄件表面進(jìn)行了修飾性點(diǎn)焊。

(2)厚壁高錳鋼鑄件生產(chǎn)時(shí)，各序的工藝參數(shù)都十分重要，稍有偏差就會導(dǎo)致收縮類缺陷或裂紋。鋼水冶煉時(shí)的化學(xué)成分、冒口切割時(shí)機(jī)及熱處理工藝參數(shù)都需要嚴(yán)格控制。