鄭建斌，盧夢(mèng)思，陳忠振，藍(lán)敏俐，黃衛(wèi)東，鄭雷剛，陳忠士，張 祥

（1.福建興航重工有限公司，福建 長(zhǎng)樂 350203；2.福建船政交通職業(yè)學(xué)院，福建 福州 350007；3.福建工程學(xué)院，福建 閩侯 350118；4.中國(guó)科學(xué)院沈陽(yáng)金屬材料研究所，遼寧 沈陽(yáng) 110055）

我司承接了珠海金海大橋支座板鑄件訂單，金海大橋橋面寬度達(dá)49.6 m，其寬度世界罕見，是國(guó)內(nèi)首例公鐵同層跨海大橋。支座板是連接橋梁上部結(jié)構(gòu)和下部結(jié)構(gòu)的紐帶，將橋梁上部結(jié)構(gòu)承受的荷載和變形（位移和轉(zhuǎn)角）可靠地傳遞給橋梁下部結(jié)構(gòu)，是橋梁的重要傳力裝置[1]。由于道路橋梁的安全性要求，要排除由于部件內(nèi)部組織、脆性斷裂等缺陷引發(fā)的安全隱患，確保支座板產(chǎn)品的承載能力在惡劣環(huán)境下仍能夠達(dá)到設(shè)計(jì)要求[1]。因此，支座板的質(zhì)量直接關(guān)系到整座橋梁的使用安全系數(shù)。

1 鑄件技術(shù)要求

1.1 技術(shù)要求

橋梁支座板結(jié)構(gòu)分成上、下座板，本文以上座板為例。上座板結(jié)構(gòu)如圖1 所示，其零件最大外形輪廓尺寸為：4 200 mm×4 000 mm×380 mm，最大壁厚380 mm，最小壁厚140 mm.材質(zhì)為ZG20Mn，鑄件重量約31.79 t.其主要化學(xué)成分要求如表1 所示，主要力學(xué)性能如表2 所示。

圖1 上座板結(jié)構(gòu)

表1 主要化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%）

表2 主要力學(xué)性能

1.2 主要技術(shù)要求

1）鑄件尺寸公差按照GB/T 6414 中CT13 級(jí)相應(yīng)值。

2）鑄件經(jīng)機(jī)加工后的表面缺陷超過表3 規(guī)定，但不超過表4 規(guī)定，且不影響鑄件使用壽命和使用性能時(shí)，允許進(jìn)行一次電焊修補(bǔ)，對(duì)有蜂窩狀孔洞的部件不修補(bǔ)使用。

表3 鑄件加工后的表面缺陷

3）鑄件經(jīng)粗加工后進(jìn)行超聲波探傷，按GB/T 7233.1 的Ⅱ的規(guī)定進(jìn)行；鑄件經(jīng)精加工后，按GB/T 9444-2007 進(jìn)行磁粉探傷，要求2 級(jí)合格。NDT 要求鑄件本體100%UT2 級(jí)和MT2 級(jí)。

4）鑄件應(yīng)有完整的質(zhì)量合格說明書，包括石家名稱代號(hào)、圖號(hào)、牌號(hào)、爐號(hào)、熱處理曲線、無損檢驗(yàn)、化學(xué)成分和力學(xué)性能試驗(yàn)報(bào)告。

1.3 鑄造工藝性及技術(shù)要求分析

根據(jù)上座板鑄件結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及技術(shù)要求，分析其生產(chǎn)存在的問題：

1）上座板的長(zhǎng)度值和寬度值均大于5 倍壁厚值，屬于典型的平板類鑄鋼件，而且存在厚薄壁懸殊問題。上座板其形狀看似簡(jiǎn)單，但實(shí)際生產(chǎn)不易鑄好，鑄造生產(chǎn)過程中容易產(chǎn)生變形、夾砂、氣孔、中心區(qū)域縮松、金相組織不一致等缺陷，致使性能降低。

2）要求上座板鑄件進(jìn)行超聲波和磁粉探傷，NDT 要求本體100%UT2 級(jí)和MT2 級(jí)，對(duì)鑄件內(nèi)在品質(zhì)、外觀質(zhì)量要求特別高。

3）由于橋梁使用的特殊性，要求上座板鑄件的承載能力在冬季寒冷等惡劣環(huán)境下能夠達(dá)到設(shè)計(jì)要求，杜絕橋梁部件的脆性斷裂引發(fā)安全隱患，即保證符合-20 ℃沖擊功要求。

2 鑄造工藝設(shè)計(jì)

2.1 確定造型工藝方案

澆注位置及分型面的確定是鑄造工藝設(shè)計(jì)的重要環(huán)節(jié)，關(guān)系到鑄件內(nèi)在質(zhì)量及尺寸精度[2]。綜合分析上座板鑄件的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、技術(shù)要求及公司現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)實(shí)際情況，選取上座板工作面朝下，整個(gè)鑄件置于下部的工藝方案。此方案既保證了重要工作面，方便造型生產(chǎn)操作，而且便于冒口設(shè)計(jì)和安放。鑄造工藝如圖2 所示。

圖2 澆注位置及分型面

2.2 確定工藝參數(shù)

1）鑄造收縮率。鑄件的收縮率不僅與鑄件的材質(zhì)、結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、造型材料有關(guān)，還與鑄件各部分在凝固過程中所遇到的受阻情況有著密切的關(guān)系[3]。上座板三維方向收縮均接近自由收縮狀態(tài)，本鑄件采用普通二氧化碳硬化水玻璃砂造型生產(chǎn)，因此收縮率選為2.2%.

2）加工余量。大平板類在凝固冷卻過程中產(chǎn)生應(yīng)力，而且上座板存在壁厚的厚薄懸殊，從而導(dǎo)致上座板鑄件易發(fā)生變形。因此將上座板上表面加工余量適當(dāng)加大些，上表面定為25 mm，其余定為15 mm.

3）加大圓弧過渡，圓弧半徑選擇100 mm，這樣既防止壁厚懸殊處可能產(chǎn)生的裂紋缺陷，又對(duì)預(yù)防上座板變形起到一定作用。

2.3 冒口的設(shè)計(jì)及CAE 模擬分析

通過計(jì)算機(jī)模擬軟件分析上座板的熱節(jié)位置分布情況，模擬結(jié)果如圖3 所示。顯示在連接處存在較大的熱節(jié)（黃色區(qū)域），也是設(shè)計(jì)冒口進(jìn)行補(bǔ)縮之處。

圖3 上座板凝固熱節(jié)分析

對(duì)于鑄鋼件，為了獲得致密的鑄件，要保證順序凝固。這就必須在補(bǔ)縮通道上設(shè)置模數(shù)比補(bǔ)縮通道的模數(shù)大、且儲(chǔ)有足夠多的鋼液的冒口，使鑄件在凝固過程中，能不斷地從冒口獲得鋼液進(jìn)行補(bǔ)縮，以消除鑄件的縮孔和縮松，使縮孔移入冒口之中[4]。根據(jù)上座板鑄件熱節(jié)的分布情況及鑄件的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，結(jié)合多年設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)積累，為滿足上座板的使用要求，按M冒=1.2M件選擇冒口尺寸，對(duì)冒口補(bǔ)縮液量進(jìn)行校對(duì)，進(jìn)一步確定冒口尺寸，同時(shí)對(duì)應(yīng)選取保溫冒口尺寸為750 mm×1 125 mm×900 mm.

補(bǔ)縮通道上的冒口數(shù)量，則由冒口的補(bǔ)縮范圍來確定。結(jié)合上座板鑄件水平補(bǔ)縮距離，確定冒口數(shù)量，一共設(shè)置了4 個(gè)冒口，如圖4 所示。這樣鋼水量為53.1 t，工藝出品率為54.36%.

圖4 上座板冒口分布圖

應(yīng)用計(jì)算機(jī)模擬軟件對(duì)上座板鋼液凝固過程進(jìn)行模擬分析，模擬結(jié)果如圖5 所示。模擬顯示上座板鑄件本體無縮孔、縮松傾向，模數(shù)符合鑄件順序凝固、冒口最后凝固的要求，長(zhǎng)度方向與寬度方向均滿足順序凝固，冒口大小及數(shù)量設(shè)計(jì)合理，能滿足質(zhì)量要求。

圖5 上座板冒口工藝CAE 模擬

2.4 澆注系統(tǒng)設(shè)計(jì)及流場(chǎng)分析

由于ZG20Mn 材質(zhì)鑄鋼件的澆注溫度較高，一般澆注溫度在1 580 ℃～1 600 ℃，澆注過程中型腔表面受到鋼液的熱輻射后被加熱，容易發(fā)生體積膨脹，表層與內(nèi)層分離，型砂潰散等問題[5]。特別是上座板類大型鑄鋼件，澆注鋼液量達(dá)53.1 t，更是需要實(shí)現(xiàn)快速澆注，最大限度減少鋼液對(duì)型腔表面的熱輻射等有害作用。

對(duì)于大平板類鑄件可選擇傾斜澆注系統(tǒng)的工藝方案，但考慮車間現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際及鋼液量大跑火可能性高等因素，因件制宜，澆注系統(tǒng)設(shè)計(jì)采用快澆底注形式，內(nèi)澆口從冒口下部底返，同時(shí)設(shè)計(jì)采用鋼包水口、直澆道、橫澆道及內(nèi)澆道完全開放工藝。這種快澆底注式設(shè)計(jì)有兩個(gè)優(yōu)點(diǎn)：

1）實(shí)現(xiàn)快速澆注，為減少型腔受高溫鋼液熱輻射時(shí)間，避免各部溫差太大，減小鑄件收縮應(yīng)力，有利于減少裂紋發(fā)生；

2）保證澆注鋼水平穩(wěn)上升、型腔氣體順利排出，避免出現(xiàn)紊流現(xiàn)象，避免卷氣夾渣，有利于保證鑄件內(nèi)部質(zhì)量。

但快澆底注式也存在一個(gè)不足之處就是鑄件底部溫度較高，越接近冒口溫度越低，形成反方向的熱差，可以采用點(diǎn)澆冒口工藝進(jìn)行克服[2]。

采用2 個(gè)φ100 mm 漏底鋼包，澆注系統(tǒng)各組元斷面積的比例依照：ΣF直∶ΣF包=（1.8～2.0）∶1 及ΣF直∶ΣF橫∶ΣF內(nèi)=1∶1.0～1.1∶1.0～1.4[6].

因此，直澆道選用內(nèi)徑140 mm 耐火陶瓷管，橫澆道、內(nèi)澆道選用內(nèi)徑120 mm 耐火陶瓷管。澆注系統(tǒng)如圖6 所示。

圖6 上座板澆注系統(tǒng)

經(jīng)核算，上座板鑄件的澆注時(shí)間、鋼水在型腔中的上升速度較為適宜。利用計(jì)算機(jī)模擬軟件對(duì)上座板鑄件鋼液充型過程進(jìn)行模擬，如圖7 所示，最終模擬結(jié)果顯示金屬液平穩(wěn)快速上升，無紊流、飛濺和卷氣現(xiàn)象，說明澆注系統(tǒng)設(shè)計(jì)合理。

圖7 上座板鋼液充型過程模擬

3 低溫性能研究

3.1 主要元素對(duì)低溫沖擊性能的影響與控制

在碳鋼中，隨著碳含量的增加，鋼的脆性轉(zhuǎn)變溫度區(qū)間變寬，且脆性轉(zhuǎn)變溫度升高。在正火或退火狀態(tài)下，錳在鋼中由于降低臨界轉(zhuǎn)變溫度，能夠達(dá)到細(xì)化晶粒的交果，也間接地起到提高珠光體鋼強(qiáng)度的作用，有助于提高金屬韌性。在熔煉過程中控制C 質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.16%～0.20%、Mn 質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1.20%～1.30%，有利于提高材料的低溫沖擊韌性。Si、P 和S 在金屬中屬于雜質(zhì)元素，容易偏聚于晶界，使晶界表面能下降，易出現(xiàn)沿晶斷裂，降低金屬脆斷應(yīng)力，低含量的Si、P 和S 有利于提升材料的低溫沖擊韌性。故在熔煉過程中應(yīng)盡量降低其含量[7]。公司采用中頻爐+LF 精煉方式，可以較好控制P 和S 含量。

表5 熔煉過程控制主要化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%）

3.2 合金元素對(duì)低溫沖擊性能的影響

利用微合金化技術(shù)，添加微合金元素，是提高鑄件性能的一種常用方法，不但可提高鑄件的強(qiáng)度，還可保證足夠的塑性、韌性等[8]。鎳元素具有與鐵元素相近的原子半徑，在鋼中以置換固溶體形式存在，通過改變鐵原子晶格結(jié)構(gòu)來改變鑄件性能。合金元素Ni 具有很好的可塑性、耐腐蝕性和磁性等性能，在鋼中加入Ni 可提高鋼的強(qiáng)度，而不降低其塑性，可明顯改善鋼的低溫韌性[9]。

鎳元素作為一種貴金屬，在滿足性能要求條件下，適當(dāng)控制其加入量。試驗(yàn)了Ni 加入質(zhì)量分?jǐn)?shù)在0.20%～0.25%范圍對(duì)低溫性能影響，如表6（第三方檢測(cè)數(shù)據(jù)）所示，可見Ni 加入質(zhì)量分?jǐn)?shù)在0.20%時(shí)，低溫沖擊性能就有明顯提高。

表6 ZG20Mn 試棒檢測(cè)報(bào)告

3.3 熱處理工藝的控制

由于上座板綜合性能要求高，因此鑄件熱處理工藝考慮采用正火+回火處理，正火處理目的是使晶粒細(xì)化和碳化物分布均勻化，提高其機(jī)械性能。回火處理目的是使金相組織趨于穩(wěn)定，減少內(nèi)應(yīng)力，以保證在使用過程中不再發(fā)生變形，保持工件幾何尺寸和性能穩(wěn)定。

為防止熱處理過程中鑄件的變形和裂紋產(chǎn)生，對(duì)于這種大型鑄鋼件，必須選擇合適的正火溫度。對(duì)于大型鑄鋼件，正火奧氏體化溫度一般在AC3以上50 ℃～80 ℃，確定正火溫度為900 ℃；保溫時(shí)間根據(jù)上座板最大壁厚，按照傳統(tǒng)1 h/inch 保溫系數(shù)計(jì)算[10]，并適當(dāng)延長(zhǎng)，則為18 h，可給予上座板奧氏體化足夠的時(shí)間，使其內(nèi)部成分均勻化。回火采用高溫回火處理，回火溫度為620 ℃，回火保溫時(shí)間為20 h，超過正火保溫時(shí)間，其目的是獲得強(qiáng)度、硬度、塑性和韌性都較好的綜合力學(xué)性能。

加熱冷卻時(shí)要保證各處均勻，升溫過程選擇緩慢升溫，加熱速度控制低于80 ℃/h，升溫過快會(huì)導(dǎo)致表里的溫差過大，造成內(nèi)應(yīng)力過大，內(nèi)部及表面易產(chǎn)生細(xì)小裂紋。并采用分級(jí)保溫?zé)崽幚砉に?，?50 ℃保溫4 h，使鑄件內(nèi)外溫度均勻后再繼續(xù)升溫。其熱處理工藝曲線如圖8 所示。

圖8 正火與回火熱處理工藝

4 實(shí)際生產(chǎn)情況

通過設(shè)計(jì)鑄造工藝及熱處理工藝，清理完后經(jīng)檢驗(yàn)，鑄件達(dá)到了預(yù)期的目標(biāo)。鑄件尺寸符合要求，外觀無鑄造缺陷；化學(xué)成分、力學(xué)性能、特別是低溫沖擊性能都符合技術(shù)要求；粗加工后按GB/T 7233.1的規(guī)定，進(jìn)行超聲波探傷，符合2 級(jí)要求；鑄件經(jīng)精加工后，按GB/T 9444-2007 進(jìn)行磁粉探傷，符合2級(jí)要求。鑄件實(shí)體如圖9 所示。

圖9 上座板鑄件及客戶現(xiàn)場(chǎng)無損檢測(cè)

5 結(jié)論

通過分析上座板結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及技術(shù)要求，研究制定合適的冒口補(bǔ)縮工藝和平穩(wěn)上升澆注系統(tǒng)方案，同時(shí)結(jié)合CAE 模擬技術(shù)驗(yàn)證，生產(chǎn)出滿足客戶高標(biāo)準(zhǔn)要求的大型橋梁支座板鑄件。類似ZG20Mn 材質(zhì)的低溫性能要求，可以通過控制化學(xué)成分、微合金化、制定合適熱處理工藝等綜合工藝方案，滿足特殊性能要求。