升船機螺母柱的鑄造工藝設計及生產(chǎn)質(zhì)量控制

梁愛蘭（太重集團公司，山西太原　030024）

升船機螺母柱的鑄造工藝設計及生產(chǎn)質(zhì)量控制

梁愛蘭
（太重集團公司，山西太原030024）

對三峽升船機安全裝置用合金鋼鑄件螺母柱的鑄造工藝優(yōu)化設計、生產(chǎn)過程中各種原輔材料及造型、冶煉過程的工序質(zhì)量控制及鑄件缺陷產(chǎn)生的原因進行了分析。通過幾次工藝改進及結果驗證，最終在不實施補焊的情況下通過三峽工程項目組驗收。

螺母柱；無損檢測；優(yōu)質(zhì)鋼水；調(diào)質(zhì)熱處理

螺母柱是三峽升船機安全裝置使用的關鍵零部件（如圖1所示），其作用是用來保護螺母的。螺母柱的質(zhì)量將直接影響升船機的運行安全。全套裝置共用螺母柱216件。太重承制了108件。為防止驟冷驟熱環(huán)境影響時應力的產(chǎn)生，該鑄件對內(nèi)部質(zhì)量及表面質(zhì)量要求很高，而且不允許補焊。通過采用優(yōu)化鑄造工藝設計、計算機凝固模擬、優(yōu)選造型材料、型腔熱風烘干并吹氬，采用優(yōu)質(zhì)精煉鋼水、嚴格控制化學成分偏差、澆注溫度區(qū)間及詳細的理化檢定等措施，最終完成了全部生產(chǎn)任務，生產(chǎn)出了不補焊的完美鑄件。

圖1 螺母柱的形狀

2　螺母柱技術要求及鑄造工藝設計

2.1材料

G35CrNiMo6-6+QT1，輪廓尺寸4 930 mm× 1 980 mm×553 mm，凈重22 954 kg.其化學成分具體要求如表1.

表1化學成分（%）

機械性能如表2.

表2機械性能

純凈度見表3.

表3純凈度

晶粒度要求6.5級，無損檢測質(zhì)量要求如表4.

表4驗收標準

鑄件不允許補焊。

2　鑄造工藝方案的設計及工藝參數(shù)的選擇

2.1鑄件結構分析

根據(jù)螺母柱的形狀、結構及技術要求綜合考慮，分型面選擇在螺母柱的大平面，螺牙向下，凸臺向上的工藝方案，同時結合其技術要求為確保質(zhì)量在螺牙部位設置外冷鐵。

2.2工藝參數(shù)的選擇

1）加工余量：由于螺母柱需要調(diào)質(zhì)處理，考慮到熱處理變形，以及鑄件表面不允許補焊等因素，加工余量定為上部50 mm，下部和側面35 mm，螺母柱長度方向的兩端放特殊加工余量40 mm.

2）縮尺：鑄造縮尺為2%.

2.3冒口和外冷鐵的設計原則

根據(jù)鑄件結構，為確保冒口的補縮效率，將大平面上部凸臺之間空檔全部做平，放兩個橢圓形保溫冒口，在齒面、鑄件的端部和兩個冒口之間放置外冷鐵，使鑄件按照順序凝固的方式進行凝固，以保證鑄件的內(nèi)部質(zhì)量。

2.4澆注方案

按照計算結果，鑄件毛重39.5 t，液重77.5 t.鋼水的冶煉采用30 t電爐和40 t LF鋼包精煉爐及15 t電爐和25 t VOD爐精煉鋼水，用一大一小兩包三眼（φ80 mm）同時澆注，首澆鋼水量59 t，過1 h～1.5 h，補澆鋼水量18.5 t.

澆注溫度控制在1 560℃±10℃.為確保鋼水進入型腔時的質(zhì)量及鑄件充型速度，采用吹氬澆注，澆注時鋼水上分型面的時間控制在2min左右。鑄件澆注系統(tǒng)用開放式澆注系統(tǒng)設置3道φ120mm直澆口，φ120 mm橫澆口，8個φ90 mm內(nèi)澆口。

晶粒度和超聲波探傷符合標準要求，在螺紋面上存在大量的線性缺陷，不符合標準要求。

3　生產(chǎn)結果驗證

1）首批生產(chǎn)了7件其各項性能指標全部合格。但精加工后經(jīng)熒光磁粉檢測發(fā)現(xiàn)七件螺母柱的齒面全部存在超標線性缺陷。由于技術要求鑄件不允許補焊，因此首批7件全部報廢。

對線性缺陷產(chǎn)生的部位、形成的原因進行了分析和總結，認為螺牙面線性缺陷是由于螺牙部位的直接外冷鐵阻礙螺牙收縮產(chǎn)生的。

2）在原有工藝的基礎上進行了工藝改進，將螺牙面上的外冷鐵全部取消，生產(chǎn)了兩件。即第8、第9件。其中，第8件在澆注時，包眼沒有全部打開，鋼水澆注至分型面的時間為4 min，比正常澆注時間增加一倍。

對第8和第9件螺母柱進行熒光磁粉探傷檢查。MT檢測結果為第8件螺母柱粗加工和半精加工后，沒有發(fā)現(xiàn)線性缺陷。精加工后，MT檢測螺牙面存在少量線性缺陷，符合標準要求。第9件螺母柱螺牙部位仍存在許多線性缺陷。

4　螺母柱線性缺陷的原因分析

4.1缺陷情況描述

螺母柱的線性缺陷主要存在于螺牙部位的頂面、斜面和底面上、寬度方向的中間位置，線性缺陷與長度平行。說明在螺母柱的寬度方向鑄件凝固收縮時受到拉應力，并且在中間位置應力最大。

在加工過程中，在螺母柱螺牙面見光、粗加工后（留10 mm余量）和精加工三個工序完成后都進行了MT檢測，在每個工序都發(fā)現(xiàn)有線性缺陷存在，缺陷的位置也發(fā)生變化。進一步用顯微鏡對裂紋類線性缺陷進行觀察，發(fā)現(xiàn)在線性缺陷中間存在夾渣。

4.2原因分析

在鑄造的過程中，鑄件的裂紋、線性缺陷是由于應力產(chǎn)生的。應力包括鑄型的阻力和熱應力。鑄型的阻力就是鑄件在冷卻過程中，砂型對鑄件收縮的阻力。鑄件熱應力是由于鑄件凝固過程中各部位溫度不同，收縮不一致而產(chǎn)生的應力。當鑄件的強度小于應力時，即鑄件所受的拉力大于鑄件的抗拉強度，就會產(chǎn)生線性缺陷，甚至裂紋缺陷。

4.2.1螺母柱的結構

從圖2螺母柱毛坯的結構看，在螺母柱毛坯的冷卻過程中溫度下降，鑄件凝固收縮。在收縮過程中，只有螺牙面受到砂型的阻力。所以，螺牙易產(chǎn)生線性缺陷。

圖2 螺母柱毛坯圖

4.2.2利用華鑄CAE凝固模擬觀察螺牙面的冷卻過程

圖3、圖4、圖5為不同凝固時間螺母柱的凝固圖，從圖中可以看出，螺牙面的冷卻是非常快的。2 060 s（0.57 h）（圖3），螺牙面凝固50 mm；6 599 s （1.83 h）時（圖4），螺牙面凝固100 mm，即螺牙面完全凝固。而螺牙底面在29 733 s（8.26 h）時（圖5），也只有很少一部分凝固。所以，螺牙面的凝固要比螺牙底面快的多。

圖3　螺母柱凝固圖（凝固時間2 060 s）

圖4　螺母柱凝固圖（凝固時間6 599 s）

圖5　螺母柱凝固圖（凝固時間29 733 s）

4.2.3螺牙面的應力

螺母柱螺牙面的應力是由其凝固收縮造成的。

隨著溫度的下降，螺牙面進行凝固，并產(chǎn)生收縮。這時砂型對螺牙面具有阻礙收縮作用，即收縮阻力。

在凝固初期，螺牙面最先凝固，螺牙底還處于液態(tài)。由于牙面的凝固會產(chǎn)生凝固收縮，這時牙面要拉動整個螺母柱向內(nèi)收縮，每個齒面受到的阻力面積不是203 cm2，而是716 cm2，即每個牙面的阻力約為14 t～35 t.也就是說，受到螺牙面和螺牙底面凝固速度不一致的影響，螺牙牙面所受的阻力是同時凝固的3.5倍。

4.2.4砂型的退讓性

要減少螺牙面的阻力，砂型不僅具有退讓性，而且要保證砂型的退讓時刻與螺牙面的凝固相一致。

螺牙面的凝固比較快。當螺牙面凝固時，砂型的抗壓強度還處于上升階段，砂型的阻力還在增加。所以，對螺牙面來說，砂型不具備退讓性。

螺牙底的凝固比較慢。砂型的受熱時間比較長，當螺牙底凝固時，砂型的抗壓強度比較低，砂型的阻力變小。對螺牙底來說，砂型具備一定的退讓性。

4.2.5夾雜物

冶煉好的鋼水，存在一些微小的夾雜物。在澆注過程中，鋼水中的夾雜物會增多。

在螺母柱的螺牙面上，鑄件所受的阻力是非常大的。如果在螺牙面上存在夾雜物，就會減少（割裂）受力面積，使齒面的應力增大，促進線性缺陷的形成。

4.2.6螺牙面放外冷鐵

螺牙面放外冷鐵的目的是提高鑄件液態(tài)收縮時螺牙面的強度?？墒牵饫滂F是把雙刃劍，在提高螺牙面冷卻速度，增加螺牙面強度的同時，也增加了螺牙面的收縮，即加大了螺牙面的應力。

4.2.7第1、11號螺牙與其他螺牙的差別

從凝固圖上可以看出，每個螺牙面的凝固是一致的，說明每個螺牙面的強度是一樣的。每個螺牙面的阻力面積和阻力也是一樣的。并且，螺牙面阻力大于強度，所以螺牙面產(chǎn)生線性缺陷。

在螺母柱冷卻的過程中，鑄件的端面也要冷卻，也要進行凝固收縮。由于兩端的螺眼即第1、11號螺牙距離端面比較近，冷卻快，端面的凝固收縮可以減少第1、11號螺牙的應力，甚至可以將第1、11號螺牙的拉應力轉化為壓應力。所以第1、11號牙沒有線性缺陷。螺母柱兩端對第2、10號螺牙影響比較小，產(chǎn)生的線性缺陷比較少。對中間部位的螺牙基本沒有影響，產(chǎn)生的線性缺陷比較多。

5　工藝改進方案及質(zhì)量控制

5.1工藝改進措施

從以上分析可以看出，要減少螺母柱螺牙面的線性缺陷，可以采取以下措施：

1）造型時，在螺牙面的周圍放鋸末干砂或草繩，提高砂型的退讓性，減少砂型的阻力。

2）澆注前鋼水要引流，防止引流砂進入鑄型。澆注前，型腔內(nèi)充氬氣、澆注時要氬氣保護，防止在澆注的過程鋼水氧化產(chǎn)生夾渣。澆注系統(tǒng)使用高強度二級高鋁磚。以防在澆注的過程中鋼水對鋼磚管的沖刷導致鑄件夾渣。

3）使用外冷鐵，提高鑄件的強度。

4）慢澆，減少鑄件的收縮，從而減少收縮應力。

5.2工藝改進方案

按照以上措施，制定以下改進工藝方案：

改進工藝方案一：在齒面上放掛砂外冷鐵，外冷鐵后面放草繩，見圖6.

改進工藝方案二：在第8件的基礎上，調(diào)整外冷鐵，只在螺母柱的中間放2塊外冷鐵，快澆，見圖7.

改進工藝方案三：在第8件的基礎上，進行完善，見圖8.

圖6　螺母柱改進工藝方案一

圖7 螺母柱改進工藝方案二

圖8　螺母柱改進工藝方案三

6　螺母柱工藝改進后的驗證結果

經(jīng)理化檢測，螺母柱的化學成分、機械性能、晶粒度、夾雜物和超聲波探傷等各項指標都能達到標準要求。

螺母柱在毛坯面粗加工見光、粗加工（留量10 mm）、精加工等狀態(tài)下齒面磁探結果可以看出：工藝改進之后，螺牙面的線性缺陷還存在，但是線性缺陷的數(shù)量在減少，缺陷的長度在變短。經(jīng)用戶聯(lián)檢驗收的6件螺母柱中，第1、12件存在超標缺陷，但是可以讓步使用；工藝改進后的方案一生產(chǎn)的第11、15件全部合格。用慢澆工藝生產(chǎn)的第8、16件完全滿足標準要求，

7　結論

1）采用慢澆工藝，減少鑄件的凝固收縮，提高螺牙面強度，減少線性缺陷的產(chǎn)生。

為了比較澆注速度對鑄件牙面的影響，用凝固模擬軟件模擬正常澆注和慢速澆注的充型過程，圖9為正常澆注的模擬過程，上分型面時間為2 min，圖10為慢速澆注的模擬過程，上分型面時間為4 min.從圖9和圖10可以看出，在慢澆的過程中，鋼水的凝固速度比較快，溫度比較低，甚至有些部位在左右兩部分鋼水匯合以前已經(jīng)凝固為固態(tài)，就已經(jīng)產(chǎn)生凝固收縮，這時收縮為自由收縮。這樣就會減少鋼水匯合以后的凝固收縮，從而降低由于齒面凝固收縮產(chǎn)生的應力。另外，慢澆時螺牙面的鋼水散熱快、溫度相對低，牙面強度比較高。

圖9　模擬快速澆注過程

圖10　模擬慢速澆注過程

2）提高砂型的退讓性，減少鑄件的收縮阻力，可以減少線性缺陷的產(chǎn)生。

放鋸末干砂，降低砂型的強度，可以減少收縮阻力。

3）螺牙面上放外冷鐵，加大螺牙面冷卻速度，可以提高表面強度，減少線性缺陷的產(chǎn)生。

4）采用優(yōu)質(zhì)真空精煉鋼水，嚴格控制鋼水的化學成分，降低S、P含量，控制［H］、［O］、［N］含量，可以減少鑄件夾渣缺陷，防止線性缺陷的產(chǎn)生。

5）適當降低澆注溫度，低溫澆注加快鑄件的凝固速度，可減少線性缺陷的產(chǎn)生。

［1］胡彭生.型砂［M］.上海：上?？萍即髮W出版社，1980.

［2］趙建華，陳紅兵.淺析鑄造過程模擬仿真技術［J］.鑄造設備研究，2007（2）：48-52.

TG269文獻識別碼：A

1674-6694（2016）02-0015-05

10.16666/j.cnki.issn1004-6178.2016.02.006

2016-01-22 作者簡介：梁愛蘭（1964-），女，高級工程師。從事鑄造工藝研究開發(fā)工作。