耐磨襯板消失模鑄造質(zhì)量控制的研究

賀全智，閆金順，劉 麗

(呂梁學(xué)院 礦業(yè)工程系，山西 離石 033001)

·材料學(xué)研究·

耐磨襯板消失模鑄造質(zhì)量控制的研究

賀全智，閆金順，劉 麗

(呂梁學(xué)院 礦業(yè)工程系，山西 離石 033001)

為改善耐磨襯板消失模鑄件的質(zhì)量，分析化學(xué)成分對(duì)耐磨襯板質(zhì)量的影響機(jī)理，利用solidworks軟件建立澆注系統(tǒng)三維模型，采用procast軟件對(duì)襯板消失模鑄造充型過程進(jìn)行數(shù)值模擬，探討熱處理工藝對(duì)襯板質(zhì)量的影響方式.研究表明，適量加入鉻、鉬、鎢及稀土元素，選擇底注雨淋式澆注方案，采用水淬處理工藝，可有效提高襯板鑄件的強(qiáng)硬度及耐磨性.

化學(xué)成分；消失模鑄造；Procast；熱處理

耐磨襯板廣泛應(yīng)用于礦山、建材、冶金、鐵路及農(nóng)機(jī)行業(yè)，襯板的力學(xué)性能對(duì)設(shè)備的使用壽命影響巨大，因此，有必要對(duì)耐磨襯板化學(xué)成分、鑄造工藝及熱處理工藝展開研究.

1 化學(xué)成分對(duì)材料性能的影響

耐磨襯板材料成分選擇的關(guān)鍵在于滿足襯板對(duì)耐磨性和沖擊韌度的要求，保證襯板在復(fù)雜沖擊載荷條件下的使用穩(wěn)定性.破碎機(jī)襯板必須具備高硬度、高強(qiáng)度及良好的沖擊韌性，才能承受高硬度物料的沖擊與磨損，防止襯板發(fā)生宏觀斷裂而失效，減緩襯板表面磨損，延長(zhǎng)使用壽命[1].本文研究中襯板材料選擇在傳統(tǒng)高錳鋼的基礎(chǔ)上進(jìn)行合金化處理，以進(jìn)一步提高材料的耐磨性、強(qiáng)度、硬度及沖擊韌度，以滿足襯板的使用要求.

(1)鉻.在高錳鋼中加入適量鉻，可以形成彌散的顆粒分布在基體上，提高襯板的耐磨性，但鉻對(duì)材料的加工硬化能力作用有限，需要加入一定量的鉬，以減少基體組織中的碳化物數(shù)量，從而降低高錳鋼鑄態(tài)組織的脆性，通過鉻與鉬的變質(zhì)處理，在高錳鋼的奧氏體基體上會(huì)出現(xiàn)彌散分布的硬質(zhì)顆粒，另外，鉻的固溶強(qiáng)化增加了位錯(cuò)密度，材料變形抗力增大，強(qiáng)度、硬度提高.

(2)鉬.鉬原子可發(fā)揮固溶強(qiáng)化作用，減少晶界處的碳化物，從而降低耐磨襯板的脆性；抑制過冷奧氏體的分解，減小奧氏體樹枝狀晶的形成傾向；減少碳化物數(shù)量，鉬元素經(jīng)常與鉻元素配合使用，鉻原子的加入會(huì)導(dǎo)致襯板中出現(xiàn)大量碳化物，加入鉬則可以減小襯板的脆性.

(3)鎢.在高錳鋼中加入鎢，鎢原子與碳原子在奧氏體中容易結(jié)合形成的碳-鎢原子對(duì)鍵結(jié)構(gòu)，并且按照特定的順序排列，鑒于高錳鋼中鎢原子與碳原子結(jié)合能力遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于錳原子和碳原子之間的的結(jié)合能力，所以，鎢的加入，可以起到細(xì)化晶粒和固溶強(qiáng)化的效果，提高襯板材料基體的力學(xué)性能.

(4)稀土元素.高錳鋼中加入適量的稀土元素，可以提高C原子與Mn原子在奧氏體組織中的固溶度，減少基體晶界處碳化物數(shù)量，抑制連續(xù)式網(wǎng)狀晶界的生成，降低針狀碳化物引起的材料脆性；稀土元素的加入后，高溫下生成稀土氧化物和硫化物，其熔點(diǎn)高，呈球化聚集狀態(tài)，易上浮，從而提高鑄液的純度.

2 消失模鑄造工藝

本文對(duì)耐磨襯板的消失模鑄造充型過程的數(shù)值模擬研究中，采用了solidworks三維軟件對(duì)襯板鑄件、澆道及砂箱進(jìn)行了建模，導(dǎo)出了.stl格式文件，在Visual-Mesh8.6環(huán)境下完成了網(wǎng)格劃分、邊界條件、初始條件及運(yùn)行參數(shù)的設(shè)置，耐磨襯板尺寸為400 mm×200 mm×35 mm，先后采用了階梯側(cè)注式和底注雨淋式的澆注方案，負(fù)壓度為0.05MP，設(shè)置澆注溫度為1350℃，澆口杯設(shè)置為Casting/Yes Empty，填充的泡沫鑄型設(shè)置為Foam/No empty，砂型設(shè)置為 Mold/No empty；將泡沫和鑄件的界面類型為EQUIV ，其余界面為COINC；添加澆注模型的heat、Pressure、Temperature及Pressure邊界條件；考慮充型過程的卷氣作用，激活GAS=1、PREF=1 atm、PINLET=1、LVSURF=1;設(shè)置計(jì)算過程中液態(tài)金屬到達(dá)BURNZONE范圍內(nèi)的換熱系數(shù)FOAMHTC為0.02，設(shè)置液態(tài)金屬與FOAM接觸的換熱系數(shù)FOAMHTCMAX為0.25，液態(tài)金屬與FOAM換熱系數(shù)的距離BURNZONE為1.0，將設(shè)置好的澆注模型保存為.dat文件，在Procast求解器中進(jìn)行運(yùn)算，并將充型后固態(tài)質(zhì)量分?jǐn)?shù)、充型時(shí)間及縮松分布以云圖形式輸出[2].

圖1 階梯側(cè)注式澆注系統(tǒng)充型過程模擬結(jié)果

分析圖1可知，采用階梯側(cè)注方式對(duì)耐磨襯板進(jìn)行澆注，金屬液流動(dòng)自右上角內(nèi)澆口區(qū)域向型腔左下角區(qū)域擴(kuò)展，襯板充型時(shí)間最大值為18.51 s，襯板鑄件上部局部區(qū)域固相分?jǐn)?shù)為0.867，預(yù)測(cè)該區(qū)域有可能出現(xiàn)澆不足、縮孔或縮松缺陷.原因分析：①耐磨襯板散熱面積大、厚度小，鑄件冷卻過程中的收縮量比較大，在重力的作用下，鑄液優(yōu)先對(duì)鑄件底部進(jìn)行了補(bǔ)縮.②冒口截面偏小，冷速較快，金屬液沿著型腔壁向冒口中心快速凝固，阻斷了液體的補(bǔ)縮通道.③橫向充型過程中出現(xiàn)了卷氣，凝固時(shí)氣泡逐漸上浮到型腔上部，橫向流動(dòng)的距離過遠(yuǎn)，導(dǎo)致鑄件左側(cè)冷卻較快，缺陷位置偏右.

為改善耐磨襯板鑄件質(zhì)量，項(xiàng)目組將階梯側(cè)注式方案改為底注雨淋式，同時(shí)，增大鑄件頂部冒口的橫截面積，其他條件不變，對(duì)耐磨襯板消失模鑄造過程重新進(jìn)行了數(shù)值模擬，結(jié)果如圖2所示.

圖2 底注雨淋式澆注系統(tǒng)充型過程模擬結(jié)果

由圖2可知，采用底注雨淋式澆注方案，鑄液在型腔中流動(dòng)左右對(duì)稱，避免了鑄液大范圍水平流動(dòng)，充型過程平穩(wěn)，充型時(shí)間減??；泡沫受熱氣化后向上擴(kuò)散，侵入液相的比例降低，卷氣傾向減?。荒毯蟮目s松缺陷分布在冒口部分，鑄件區(qū)域無明顯縮松分布，襯板鑄件質(zhì)量較好.

3 熱處理工藝

合金元素與碳的結(jié)合力很強(qiáng)，必須合理控制材料的加熱溫度，以保證碳化物在合金溶液中的溶解度、獲得均勻的奧氏體晶粒尺寸、均勻的化學(xué)成分分布、確保襯板材料的綜合力學(xué)性能滿足使用要求.

傳統(tǒng)高錳鋼中加入鉻、鎢、鉬等合金元素后，在高錳鋼的組織中形成了對(duì)應(yīng)的碳化物，溶解度較低，因此需要適當(dāng)提高加熱溫度[3].本文研究中，應(yīng)將優(yōu)化后的高錳鋼的加熱溫度比傳統(tǒng)高錳鋼加熱溫度提高30～50℃.本研究中，將高錳鋼的淬火溫度設(shè)為 1 080℃.為了使高錳鋼中的奧氏體彌散化，固溶強(qiáng)化后出現(xiàn)彌散的第二相質(zhì)點(diǎn)，設(shè)計(jì)了以下幾種熱處理方案：(1)以100℃/h的加熱速度，將材料加熱到600℃保溫 2 h，然后加熱到1 080～1 100℃保溫3 h,最后進(jìn)行水淬處理；(2)以100℃/h的加熱速度，將材料直接加熱到1 080～1 100℃保溫4 h，水淬處理，再加熱到250℃左右，保溫3 h,空冷處理.(3)以100℃/h的加熱速度，先將材料加熱到400℃，保溫1 h，再加熱到700℃保溫 2 h，最后加熱到1 080～1 100℃保溫3 h，水淬處理.

研究結(jié)果表明，采用第一種熱處理方案后，襯板金相組織中出現(xiàn)了較多的碳化物，而且晶枝粗大，晶粒分布不均勻；采用第二種熱處理方案后，晶相組織得到了一定程度的細(xì)化，但仍有少量珠光體和碳化物分布在基體上；采用第三種熱處理方案后，襯板組織中晶粒細(xì)心而均勻，晶界處碳化物減少；綜合上述分析，襯板熱處理采用第三種方案較為合理.

4 結(jié)語

(1)在高錳鋼中加入適量的鉬、鉻、鎢及稀土元素，可以細(xì)化耐磨襯板鑄件晶粒，產(chǎn)生固溶強(qiáng)化作用，改善襯板鑄件耐磨性.

(2)在1 350℃的澆注溫度下，采用底注雨淋式澆注系統(tǒng)對(duì)耐磨襯板進(jìn)行澆注，可以獲得較好的鑄件質(zhì)量.

(3)采用階梯式的加熱，在1 100℃左右保溫3 h，然后進(jìn)行水淬處理，可以進(jìn)一步減少襯板晶界處碳化物，細(xì)化晶粒，提高襯板強(qiáng)硬度.

[1]彭萬銀.HT300液壓件的消失模鑄造[J].特種鑄造及有色合金.2012.

[2]羅堉平.基于ProCAST消失模鑄造的高鉻鑄鐵左旋葉片的工藝優(yōu)化[J].熱加工工藝.2012.

[3]田煒.基于ProCAST的葉輪消失模鑄造缺陷模擬分析[J].鑄造技術(shù).2015.

2017-01-20

呂梁學(xué)院基金項(xiàng)目(ZRXN201405).

賀全智(1964-)，男，山西汾陽人，副教授，研究方向?yàn)榈V山機(jī)械.

TG249.6

A

2095-185X(2017)02-0054-03