文

（濰柴重機(jī)股份有限公司 濱海鑄造廠，山東 濰坊 261001）

目前隨著船用發(fā)動(dòng)機(jī)向大型化發(fā)展，其對(duì)大缸徑大噸位高性能發(fā)動(dòng)機(jī)鑄件需求越來(lái)越大。為滿足市場(chǎng)高性能發(fā)動(dòng)機(jī)的需求，我廠作為高端大型發(fā)動(dòng)機(jī)鑄件的生產(chǎn)基地，也進(jìn)行了高性能大缸徑鑄件的生產(chǎn)開(kāi)發(fā)。針對(duì)在近期高牌號(hào)灰鑄鐵機(jī)體鑄件生產(chǎn)中，出現(xiàn)應(yīng)力過(guò)大導(dǎo)致的局部裂紋的問(wèn)題，從去應(yīng)力工藝選擇、熱處理爐窯選擇以及熱處理工藝優(yōu)化等方面對(duì)大型灰鑄鐵機(jī)體鑄件熱處理工藝進(jìn)行了探討研究。

1 缺陷分析

1.1 生產(chǎn)工藝

該鑄件重量8 640 kg，毛坯外輪廓尺寸為3 m×1.7 m×1.3 m，關(guān)鍵壁厚15.5mm～25 mm，材質(zhì)為HT300，鑄件三維圖見(jiàn)圖1.采用堿性酚醛樹(shù)脂砂造型，使用電爐熔煉，澆注溫度為1 370 ℃～1 380 ℃，澆注完成后168 h 打箱，打箱粗清后進(jìn)行時(shí)效熱處理，熱處理曲線見(jiàn)圖2.

1.2 缺陷分析

鑄件生產(chǎn)過(guò)程中出現(xiàn)局部熱裂，如圖3 所示，熱裂地點(diǎn)固定在側(cè)面觀察窗位置，缺陷發(fā)生在打箱后和熱處理后，特別是熱處理后裂紋嚴(yán)重。分析原因?yàn)椋涸搮^(qū)域上方為厚大端面，鐵液凝固慢，后期收縮傾向大，缺陷區(qū)域拉應(yīng)力過(guò)大導(dǎo)致的熱裂紋。熱處理后出現(xiàn)缺陷是由于熱處理工藝不能夠滿足需求，在沒(méi)有砂芯和砂型的支撐，釋放應(yīng)力時(shí)出現(xiàn)的裂紋。

2 熱處理工藝選擇

2.1 去應(yīng)力工藝選擇

目前工程上消除應(yīng)力的方法包括傳統(tǒng)的自然時(shí)效、熱時(shí)效處理以及振動(dòng)時(shí)效。

圖1 鑄件三維圖

圖2 鑄件熱處理曲線圖

圖3 缺陷圖及缺陷位置示意圖

2.1.1 自然時(shí)效

自然時(shí)效是最古老的時(shí)效方法。依靠大自然的力量，經(jīng)過(guò)幾個(gè)月至幾年的風(fēng)吹、日曬、雨淋和季節(jié)的溫度變化，給構(gòu)件多次造成反復(fù)的溫度應(yīng)力，降低了少量殘余應(yīng)力，卻提高了構(gòu)件的松弛剛度，對(duì)構(gòu)件的尺寸穩(wěn)定性較好，方法簡(jiǎn)單易行，但生產(chǎn)周期長(zhǎng)，占用場(chǎng)地大，不能適應(yīng)現(xiàn)代生產(chǎn)需要。

2.1.2 熱時(shí)效法

熱時(shí)效法是指將工件緩慢加熱到較低溫度，保溫一段時(shí)間，使金屬內(nèi)部發(fā)生弛豫，然后緩冷下來(lái)，慢慢消除應(yīng)力。這種方法的缺點(diǎn)在于超大型鑄件和溫度要求嚴(yán)格的合金件不能進(jìn)行處理，同時(shí)這種方法的能源利用率不高。

2.1.3 振動(dòng)時(shí)效

振動(dòng)時(shí)效是指通過(guò)振動(dòng)，使工件內(nèi)部殘余的內(nèi)應(yīng)力和附加的振動(dòng)應(yīng)力的矢量和達(dá)到超過(guò)材料屈服強(qiáng)度的時(shí)候，使材料發(fā)生微量的塑性變形，從而使材料內(nèi)部的內(nèi)應(yīng)力得以松弛和減輕。振動(dòng)去應(yīng)力時(shí)效工藝有兩種：傳統(tǒng)的亞共振技術(shù)和頻譜諧波技術(shù)。這種方法要針對(duì)不同形狀的工件編制不同的時(shí)效工藝，而且在生產(chǎn)時(shí)操作相當(dāng)復(fù)雜，需要操作者確定處理參數(shù)進(jìn)行操作，但對(duì)復(fù)雜工件消除應(yīng)力效果有限。

無(wú)論采用何種消除應(yīng)力的方法，都無(wú)法完全消除鑄件的內(nèi)應(yīng)力，只能夠部分去除，從而消除其有害作用。需要根據(jù)鑄件大小、尺寸、要求以及工藝人員水平，確定適合自己企業(yè)的消除應(yīng)力的工藝。我廠以單件小批量為主，生產(chǎn)的鑄件選擇采用熱時(shí)效處理工藝。

2.2 熱處理爐選擇

熱處理爐主要分為燃?xì)鉅t、電加熱爐以及氣電加熱爐。

2.2.1 燃?xì)鉅t

燃?xì)鉅t是使用燒嘴，將天然氣或者煤氣點(diǎn)燃，并通入高壓空氣，保證燃燒充分和爐內(nèi)熱循環(huán)，保證爐內(nèi)溫度穩(wěn)定。燃?xì)鉅t主要通過(guò)熱對(duì)流、熱交換來(lái)對(duì)鑄件進(jìn)行加熱，鑄件各部位升溫較為均勻。

2.2.2 電加熱爐

電加熱爐是指使用電阻絲加熱電爐內(nèi)部。電加熱爐主要通過(guò)熱輻射來(lái)對(duì)鑄件進(jìn)行加熱，熱效率高，溫度控制精確，適用于結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單鑄件，但對(duì)于大型復(fù)雜鑄件來(lái)說(shuō)易在表面和內(nèi)部形成溫度差，不利于消除應(yīng)力。

2.2.3 氣電加熱爐

氣電加熱爐在升溫階段使用燃?xì)馍郎?，保溫階段采用電加熱進(jìn)行保溫，有效解決純?nèi)細(xì)饧訜釤嵝实?、控溫成本高、控溫精度低，以及純電加熱不宜大型鑄件、高溫性能差、受供電限制等問(wèn)題，但設(shè)備成本高。燃?xì)鉅t、電爐和氣電加熱爐的加熱特點(diǎn)及熱效率比較見(jiàn)表1.

表1 燃?xì)鉅t、電爐和氣電加熱爐對(duì)比

根據(jù)自身企業(yè)特點(diǎn)，選擇好爐窯種類后，熱處理前要對(duì)熱處理爐按照GB/T30824-2014《燃?xì)鉄崽幚頎t均勻性測(cè)試方法》周期性的進(jìn)行爐溫均勻性檢測(cè)，可以通過(guò)改善燒嘴形式、裝爐方式、燒嘴狀態(tài)以及控溫?zé)犭娕疾贾梦恢玫却胧┨岣叽笮腿細(xì)鉄崽幚砀G的爐溫均勻性，通過(guò)調(diào)整修正測(cè)試系統(tǒng)誤差等措施，確保爐溫均勻性檢測(cè)準(zhǔn)確性。大型燃?xì)鉅t通過(guò)合理的設(shè)計(jì)及日常對(duì)爐溫均勻性監(jiān)測(cè)可以有效地保證爐溫均勻性，滿足大型熱處理件的高質(zhì)量要求。

2.3 熱處理工藝優(yōu)化

采用時(shí)效處理消除鑄件應(yīng)力，最終影響鑄件應(yīng)力消除情況的主要是熱處理工藝參數(shù)。去應(yīng)力退火是將工件加熱到AC1以下100 ℃～200 ℃的適當(dāng)溫度，保溫一定時(shí)間后逐漸緩慢冷卻的工藝方法。常見(jiàn)的去應(yīng)力退火工藝曲線見(jiàn)圖4.通常去應(yīng)力退火的加熱溫度在550 ℃左右。退火溫度越高，應(yīng)力消除的越徹底；但溫度過(guò)高會(huì)導(dǎo)致珠光體球化和滲碳體石墨化，影響其使用性能。目前采用的熱處理工藝為裝爐溫度150 ℃，升溫速度為35 ℃/h，在550 ℃保溫6 h，降溫速度為25 ℃/h，原鑄件熱處理工藝曲線見(jiàn)圖2.

圖4 常規(guī)去應(yīng)力退火曲線

經(jīng)分析討論，由于該類鑄件結(jié)構(gòu)復(fù)雜，壁厚差大及厚薄壁交錯(cuò)，升溫過(guò)程中易產(chǎn)生溫度不均，導(dǎo)致二次應(yīng)力的產(chǎn)生，疊加發(fā)生熱裂缺陷。去應(yīng)力退火升溫速度通常為60 ℃/h，當(dāng)前升溫速度為35 ℃/h較為合理，繼續(xù)降低升溫速度，改善效果有限，且延長(zhǎng)溫差時(shí)間，有可能帶來(lái)更大的二次應(yīng)力。因此優(yōu)化熱處理工藝，在升溫階段采用梯度式升溫。鑄件熱導(dǎo)率相同，熱阻率與壁厚成正比，熱裂缺陷部位壁厚比例約為3：1，溫差隨升溫時(shí)間延長(zhǎng)不斷變大，根據(jù)導(dǎo)熱系數(shù)和熱阻率計(jì)算，溫差每小時(shí)相差約5 ℃～10 ℃，因此每加熱3 h 左右進(jìn)行保溫，保證溫差不超過(guò)升溫速率的35 ℃，如圖5 所示在200 ℃、350 ℃以及450 ℃階梯保溫一段時(shí)間，保證機(jī)體內(nèi)溫度均衡，減小二次應(yīng)力帶來(lái)的破壞。

圖5 優(yōu)化后熱處理曲線

3 結(jié)果驗(yàn)證

采用優(yōu)化后的階梯保溫?zé)崽幚砉に?，?duì)大型灰鑄鐵機(jī)體等鑄件進(jìn)行熱處理，未再出現(xiàn)熱處理裂紋缺陷，改善效果明顯。目前已固化工藝，完成批量復(fù)雜機(jī)體鑄件的熱處理，質(zhì)量全部合格。

4 結(jié)論

1）通過(guò)熱處理工藝試驗(yàn)證明，對(duì)于結(jié)構(gòu)復(fù)雜的大型鑄件，通常最有效的消除應(yīng)力的工藝是采用熱時(shí)效法進(jìn)行熱處理，同時(shí)熱處理過(guò)程中要避免二次應(yīng)力產(chǎn)生，升溫階段可采用梯度升溫，保證鑄件整體溫度均勻性，避免熱處理裂紋的產(chǎn)生。

2）在確保爐溫均勻性的情況下，根據(jù)鑄件結(jié)構(gòu)及企業(yè)自身情況，燃?xì)鉅t、電爐及氣電加熱爐均可采用。

3）熱處理工藝無(wú)法完全去除鑄件應(yīng)力，解決應(yīng)力問(wèn)題主要還是從結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)入手，避免應(yīng)力的產(chǎn)生。