大型軋機(jī)錳基鋁青銅壓下螺母的研制與應(yīng)用

紀(jì)云玲，胡小琳，王洪剛

（1.濟(jì)鋼集團(tuán)重工機(jī)械有限公司，山東 濟(jì)南 250101；2.中國(guó)重汽集團(tuán)濟(jì)南鑄鍛中心，山東 濟(jì)南 250101）

壓下螺母是軋機(jī)系統(tǒng)中的重要部件，主要由絲桿和螺母組成。主要作用是通過(guò)絲桿與螺母間的高速轉(zhuǎn)動(dòng)進(jìn)行壓下傳動(dòng)，產(chǎn)生巨大的軋制力，因此該壓下螺母不同于常規(guī)軋制的壓下螺母，尺寸大，重量大，單件凈重1.514 t，要求材料能夠滿足重載、具有良好的強(qiáng)度，較高的耐磨性，耐高溫和抗咬合性，以及較佳的硬度匹配性能；另外螺母的更換是和粗軋機(jī)停機(jī)檢修同時(shí)進(jìn)行，因此要求使用壽命高。以前的壓下螺母材質(zhì)為ZQAl9-4，這種材質(zhì)本身強(qiáng)度、硬度及沖擊韌性較低，不能適應(yīng)軋鋼設(shè)備的高溫、重載、高沖擊及潤(rùn)滑差的現(xiàn)狀，輕則使銅件磨損加快，增加設(shè)備的停機(jī)率及備件消耗，重則造成銅件斷裂，造成設(shè)備事故。2002年我公司中厚板廠曾因壓下螺母磨損嚴(yán)重導(dǎo)致無(wú)法生產(chǎn)造成巨大經(jīng)濟(jì)損失。鑒于該壓下螺母對(duì)各項(xiàng)性能、使用壽命的嚴(yán)格要求，研制一種新型耐磨、抗沖擊的壓下螺母供軋鋼設(shè)備使用成為必需。為此我們對(duì)中厚板廠壓下螺母進(jìn)行了研究，研制了一種錳基鋁青銅大型軋機(jī)壓下螺母。

1 主要工藝技術(shù)措施

1.1 材質(zhì)的化學(xué)成分

材料的機(jī)械性能與材料的材質(zhì)（化學(xué)成分）構(gòu)成有著密不可分的關(guān)系。根據(jù)其他單位的使用情況結(jié)合我們自己的應(yīng)用特點(diǎn)，經(jīng)過(guò)數(shù)次的選擇、試驗(yàn)，通過(guò)綜合分析，我們對(duì)化學(xué)成分進(jìn)行了選擇：

Mn的選擇：Mn加入鋁青銅中雖能縮小α單相區(qū)域，但顯著降低β相共析轉(zhuǎn)變溫度，從而提高了β相的穩(wěn)定性，使鋁黃銅的“緩冷脆性”大大減弱。另一方面由于Mn能溶解于α固溶體中，有一定的固溶強(qiáng)化作用，能提高合金的強(qiáng)度、硬度和耐磨性。同時(shí)隨著含錳量的增加，β相的穩(wěn)定性增高，避免了（或減少）γ2相的出現(xiàn)。所以在加錳后隨著強(qiáng)度增加的同時(shí)，塑性卻降低不多，Mn含量低達(dá)不到預(yù)期效果，故Mn質(zhì)量分?jǐn)?shù)選擇11.0%～13.0%.

Al的選擇：鋁是對(duì)金相組織及機(jī)械性能起決定作用的元素。在鑄造條件下，當(dāng)含鋁小于9.4%時(shí)溶于銅中形成具有面心立方晶格的固溶體，產(chǎn)生固溶強(qiáng)化作用，提高合金的強(qiáng)度和塑性，隨著含鋁量的增加而增加。但當(dāng)鋁大于9.4%時(shí)組織中出現(xiàn)共析體，硬度很高而延伸率很低，無(wú)使用價(jià)值，Al的質(zhì)量分?jǐn)?shù)應(yīng)控制在7.0%～8.5%.

Fe的選擇：鐵在鋁青銅中的溶解度很小，質(zhì)量分?jǐn)?shù)約為0.5%～1.0%，如果超過(guò)這個(gè)含量，鐵就會(huì)形成K相（CuFeAl）化合物。凝固時(shí)K相以細(xì)小質(zhì)點(diǎn)成為結(jié)晶核心，細(xì)化晶粒，并提高鋁青銅強(qiáng)度、硬度和耐磨性。Fe的質(zhì)量分?jǐn)?shù)小于2%作用不明顯，大于4%則出現(xiàn)樹(shù)枝狀化合物，降低機(jī)械性能和耐磨性，故選擇Fe的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為：5%～4.0%.

Ni的選擇：加入鎳可細(xì)化晶粒，提高機(jī)械性能，但由于其價(jià)格昂貴，選擇Ni的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1%～2%.

另外還加入了一些其他能夠提高強(qiáng)度和耐磨性的微量元素。

大型軋機(jī)錳基鋁青銅壓下螺母的化學(xué)成分如表1。

表1 大型軋機(jī)錳基鋁青銅壓下螺母的化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%）

1.2 鑄造工藝

鑄件的鑄造工藝與鑄件的質(zhì)量有著密切的關(guān)系。由于該件要求高，不得有任何鑄造缺陷，而該件又屬于壁厚不均的高大件，若采用普通的砂型鑄造容易導(dǎo)致鑄件形成縮孔、組織不均等缺陷。為此我們進(jìn)行了鑄件工藝性分析，壓下螺母的零件圖見(jiàn)圖1。

從圖1可以看出該件為壁厚不均的大型鑄件。上部包括加工余量在內(nèi)壁厚達(dá)到154mm（外部加工余量為10mm，內(nèi)部為13mm），下部壁厚也有114mm，高度包括冒口及加工余量在內(nèi)要達(dá)到1200mm（其中上部加工余量為15mm，下部為10mm，冒口高300mm），要生產(chǎn)如此厚大的鑄件必須解決其縮孔及局部過(guò)熱問(wèn)題。我們對(duì)工藝進(jìn)行了攻關(guān)，通過(guò)對(duì)砂型鑄造、金屬型鑄造等多種鑄造工藝進(jìn)行的試驗(yàn)、比較，最終選擇了外部采用金屬型、芯子采用內(nèi)冷鐵、冒口采用砂型加保溫冒口的鑄造方法，解決了鑄件的缺陷問(wèn)題，研制出合格的鑄件。為了達(dá)到良好的順序凝固的效果，加強(qiáng)冒口的補(bǔ)縮作用，將金屬型制成上薄下厚的形狀。為了使芯收縮不受阻礙，我們將冷鐵分成6部分，間隙為8mm（見(jiàn)圖2）。整個(gè)鑄型分為3部分（見(jiàn)圖3）,底箱為底返雨淋澆口，中箱為金屬型，上箱為冒口。

1.3 冶煉及起重

該壓下螺母毛坯重達(dá)2.5 t，澆冒口系統(tǒng)超過(guò)0.1t，總銅水量達(dá)2.7 t左右。采用現(xiàn)有冶煉設(shè)備對(duì)于我們這個(gè)僅有3個(gè)0.5 t坩堝爐，熔化能力為1.5 t的車間來(lái)說(shuō)是無(wú)法達(dá)到要求的，為此對(duì)坩堝爐進(jìn)行了擴(kuò)容改造，將坩堝爐爐膛擴(kuò)大，使其容量由500kg轉(zhuǎn)化為900kg，這樣用三個(gè)爐子同時(shí)熔煉，一次可出銅水2700kg，完全能滿足生產(chǎn)需要。由于整個(gè)鑄型重達(dá)5 t多，車間僅有2臺(tái)3 t天車為起重設(shè)備，若單獨(dú)使用無(wú)法滿足載荷的需要，為此我們采用了2臺(tái)天車同時(shí)起吊的方法成功地生產(chǎn)了大型壓下螺母，滿足了生產(chǎn)需要。

1.4 冶煉工藝

由于銅水需求量大，冶煉時(shí)間長(zhǎng)，并且含有鋁、錳等易氧化的元素，因此銅合金的熔煉是獲得優(yōu)質(zhì)鑄件的關(guān)鍵，必須嚴(yán)格控制合金的化學(xué)成分，防止和盡可能地減少合金的氧化和吸氣，嚴(yán)格控制熔煉和澆注溫度，快速熔化，減少合金的損耗才能提高工藝出品率。為此選用二次熔煉法，即首先熔煉含有高熔點(diǎn)及難熔化的元素的中間合金。用煤氣坩堝爐熔煉。

1.5 澆注工藝

圖1 壓下螺母零件圖

圖2 砂芯裝配圖

圖3 鑄型裝配圖

圖4 底返雨淋澆注系統(tǒng)

由于該件壁厚、高度大，若采用普通切線澆口將造成鑄件局部過(guò)熱，為此對(duì)澆注工藝進(jìn)行了攻關(guān)。采用了底返雨淋澆注，直澆口為60mm，橫澆口四道，截面為梯形，內(nèi)澆口為直徑20mm的圓澆口16個(gè)（見(jiàn)圖4）。通過(guò)合理的選擇澆注系統(tǒng)解決了厚大鑄件縮孔和局部過(guò)熱的問(wèn)題。

1.6 熱處理工藝

研制的大型軋機(jī)錳基鋁青銅壓下螺母由于含有較高的鋁和錳，所以進(jìn)行熱處理有助于改善鑄件的力學(xué)性能。通過(guò)多次試驗(yàn)，我們編制了鑄件的熱處理工藝流程如下：正火+回火。工藝曲線如圖5所示。

圖5 正火+回火工藝曲線

2 大型軋機(jī)錳基鋁青銅壓下螺母性能的測(cè)定

2003年6月研制了中厚板廠的大型軋機(jī)錳基鋁青銅壓下螺母2件。對(duì)金相組織進(jìn)行了分析，對(duì)化學(xué)成分、力學(xué)性能進(jìn)行了測(cè)試。經(jīng)測(cè)定化學(xué)成分見(jiàn)表2，性能見(jiàn)表3。

表2 測(cè)定的化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%）

目前國(guó)內(nèi)軋機(jī)所用鋁青銅ZQAL9-4的壓下螺母的機(jī)械性能如表4。

表4 機(jī)械性能比較

將錳基鋁青銅大型軋機(jī)壓下螺母的性能與鋁青銅ZQAL9-4的機(jī)械性能比較可以看出新研制的錳基鋁青銅大型軋機(jī)壓下螺母的性能明顯高于原來(lái)的材質(zhì)，達(dá)到了預(yù)期的效果。圖6為新研制的大型軋機(jī)錳基鋁青銅壓下螺母。

3 應(yīng)用效果

2003年8月新研制的大型軋機(jī)錳基鋁青銅壓下螺母用于中厚板生產(chǎn)，經(jīng)過(guò)一年多的跟蹤發(fā)現(xiàn)，新研制的大型軋機(jī)錳基鋁青銅壓下螺母的使用壽命已經(jīng)達(dá)到一年多，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于6～8個(gè)月的同行業(yè)平均水平，大大減少了備件的消耗和設(shè)備停機(jī)率，取得了良好的經(jīng)濟(jì)效益。

圖6 大型軋機(jī)錳基鋁青銅壓下螺母

［1］姜希尚.鑄造手冊(cè)·鑄造工藝［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社.

［2］黃恢元.鑄造手冊(cè)·鑄造非鐵合金［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社..