低合金鋼聯(lián)接座消失模鑄造工藝與質(zhì)量控制

王萌萌，王春景，鄧宏運(yùn)

（1.西安重裝蒲白煤礦機(jī)械有限公司，陜西蒲城 715517；2.西安工業(yè)大學(xué)，陜西西安 710021；3.西安理工大學(xué)，陜西西安 710048）

聯(lián)接座是煤礦井下轉(zhuǎn)載機(jī)和刮板運(yùn)輸機(jī)的重要鑄件，材質(zhì)多選擇ZG25SiMn，重量在30 kg～80 kg，過(guò)去多采用水玻璃砂鑄造或樹(shù)脂砂鑄造，聯(lián)接座表面質(zhì)量差，獨(dú)立大冒口使得工藝出品率低，切割修磨冒口工作量大。消失模鑄造綠色環(huán)保、鑄件表面質(zhì)量好、生產(chǎn)成本低，適用于大批量生產(chǎn)。由于消失模鑄造生產(chǎn)線(xiàn)工藝條件、技術(shù)參數(shù)等的限制，鑄造低中碳鋼件時(shí)鑄件表面增碳和鑄件含碳量超標(biāo)較為普遍。消失模鑄造聯(lián)接座也面臨這樣的問(wèn)題，如果對(duì)工藝參數(shù)、鑄造條件、生產(chǎn)操作進(jìn)行嚴(yán)格的控制管理，解決消失模鑄造低合金鋼聯(lián)接座鑄件表面增碳和含碳量超標(biāo)問(wèn)題，完全能鑄造出質(zhì)量合格的低合金鋼聯(lián)接座。

1 低合金鋼聯(lián)接座消失模鑄造工藝

1.1 聯(lián)接座消失模模樣制造

由于低合金鋼聯(lián)接座每次采購(gòu)數(shù)量不太大，聯(lián)接座采用EPS泡沫板數(shù)控加工，嚴(yán)格控制EPS泡沫板的密度在16 g/cm3～18 g/cm3，充分烘干，收縮量取2%，加工余量3 mm.聯(lián)接座消失模模樣見(jiàn)圖1.

圖1 泡沫板數(shù)控加工制造的聯(lián)接座消失模模樣

1.2 聯(lián)接座的澆冒口設(shè)計(jì)與白模組合

聯(lián)接座采用頂注頂冒口工藝，上下2個(gè)聯(lián)接座白模組合一起，鑄造時(shí)頂部的聯(lián)接座相當(dāng)下邊聯(lián)接座的冒口，減少冒口可以大大提高聯(lián)接座鑄造工藝出品率。

內(nèi)澆口40 mm×50 mm，橫澆道50 mm×50 mm，直澆道55 mm×55 mm.二個(gè)聯(lián)接座白模組合見(jiàn)圖2.

圖2 二個(gè)聯(lián)接座白模組合串

1.3 組合聯(lián)接座白模串涂料涂刷及烘干

組合聯(lián)接座白模串涂料涂刷2遍水基鋯英粉復(fù)合，2遍水基石英復(fù)合涂料，每次涂料后陽(yáng)光曬干，或在55℃以下烘干房烘干8 h～10 h，烘干房濕度不高于20%.其中水基鋯英粉復(fù)合涂料配方（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）比例為：鋯英粉50%，棕剛玉粉20%，石英粉20%，酚醛樹(shù)脂4%，乳白膠6%，鈉基膨潤(rùn)土3%，羧甲基纖維素6%，水適量。加涂料聯(lián)接座模串見(jiàn)圖3.干燥過(guò)程必須保證模型擺放平直，防止因放置不符合要求而使模型變形，不得與加熱器接觸。聯(lián)接座模串涂料烘干見(jiàn)圖4.

圖3 加涂料聯(lián)接座模串

圖4 聯(lián)接座模串涂料烘干

1.4 烘干涂料聯(lián)接座模串裝箱造型

首先，裝箱前準(zhǔn)備工作.裝箱前保證消失模鑄造型砂的溫度不高于50℃.檢查聯(lián)接座模樣的完整性、涂層是否夠厚，裝箱要輕拿輕放，最終保證涂層的完整性。澆注系統(tǒng)后連接部位要保證平嚴(yán)，并用膠條封好?；境陨傲?80mm.在1200mm×1200mm×1 500 mm五面抽真空砂箱底部放20/40目石英砂刮平震實(shí)1min；

第二，在砂箱中按工藝要求位置距離擺放4串聯(lián)接座模串，分2次填砂，三維震實(shí)2min；

第三，安放澆注系統(tǒng)，必須認(rèn)真仔細(xì)，按放穩(wěn)固，接口密封良好；

第四，填砂震實(shí)至砂箱口平，用塑料薄膜密封砂箱口，安放澆口杯，放塑料薄膜保護(hù)干砂，砂箱吊移到抽真空位置，插上抽真空管。聯(lián)接座模串裝箱造型見(jiàn)圖5.

圖5 聯(lián)接座模串裝箱造型

1.5 中頻爐熔煉

1）聯(lián)接座材料為ZG25SiMn，化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）為：w（C）0.22%～0.28%，w（Si）0.60%～0.90%，w（Mn）1.1%～1.4%，w（P）≤0.04%，w（S）≤0.04%.

2）3 t中頻爐熔煉，ZG25SiMn配料全部采用優(yōu)質(zhì)低碳低磷低硫無(wú)銹廢鋼，低磷低碳錳鐵，脫氧用鋁0.8 kg/kg鋼液；

3）爐中化學(xué)成分合格后，鋼液溫度到1 660℃出爐；用3 t底注包，接盛鋼液前烘烤1 h～2 h，包壁材料達(dá)到500℃左右。

消失模鑄造澆注過(guò)程中隨著澆注溫度的提高，充型速度會(huì)加快，這是由于提高澆注溫度可改善金屬液的流動(dòng)性，加快了模樣熱解速度，有利于熱解產(chǎn)物逸出。由于模樣氣化需要消耗熱量，金屬液流動(dòng)前沿的溫度會(huì)下降，消失模鑄造澆注溫度比普通砂型鑄造澆注溫度高出50℃左右。在1 660℃出鋼，澆注溫度1 600℃，每爐澆注6根試樣進(jìn)行試驗(yàn)。

1.6 抽負(fù)壓澆注，保壓保溫翻箱時(shí)間

澆注前15 min～20 min開(kāi)真空泵，開(kāi)始抽真空，當(dāng)負(fù)壓穩(wěn)定在0.04 MPa～0.07 MPa，包中鋼液溫度1 600℃澆注，消失模鑄造充型過(guò)程金屬液需能克服氣隙阻力連續(xù)不斷地向前推進(jìn)，直至充滿(mǎn)整個(gè)鑄型，澆注結(jié)束保壓15 min～25 min關(guān)掉負(fù)壓，保溫2 h翻箱。翻箱后清理鑄件，切割澆冒口修磨。

2 ZG25SiMn聯(lián)接座熱處理工藝

ZG25SiMn聯(lián)接座熱處理，采用880℃高溫退火，800℃水淬、550℃回火調(diào)質(zhì)處理。前期高溫退火目的是細(xì)化晶粒、消除應(yīng)力，得到接近平衡組織。聯(lián)接座在煤礦井下使用過(guò)程中處于高強(qiáng)度的工作狀態(tài)，需要其具有較高強(qiáng)度與韌性。

3 表面增碳和含碳量超標(biāo)分析與解決對(duì)策

消失模鑄造的ZG25SiMn聯(lián)接座，鑄件表面光潔規(guī)則、質(zhì)量好、工藝出品率及生產(chǎn)效率比水玻璃砂鑄造，或樹(shù)脂砂鑄造明顯有優(yōu)勢(shì)，生產(chǎn)成本也比樹(shù)脂砂鑄造低。但是生產(chǎn)初期存在表面增碳和低中碳鋼鑄件含碳量超標(biāo)問(wèn)題。

3.1 聯(lián)接座ZG25SiMn增碳量測(cè)試

對(duì)其中2個(gè)聯(lián)接座分部位取樣進(jìn)行化驗(yàn)其碳含量，進(jìn)行增碳分析。在聯(lián)接座不同部分共取10個(gè)試樣，碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)化驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表1.ZG25SiMn要求碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)在0.22%～0.28%之間。

表1 聯(lián)接座不同部位碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%

聯(lián)接座增碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)在0.04%～0.08%之間，生產(chǎn)將聯(lián)接座碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)控制在0.28%以下，以確保聯(lián)接座力學(xué)性能。

3.2 造成ZG25SiMn聯(lián)接座含碳量超標(biāo)的原因

1）聯(lián)接座模樣材料密度控制不合理。聯(lián)接座白模模樣材料密度高，造成聯(lián)接座模樣澆注過(guò)程熱分解時(shí)含碳量高，使聯(lián)接座在澆注過(guò)程中液相及霧狀游離碳含量高，造成聯(lián)接座滲碳機(jī)會(huì)增大。

2）聯(lián)接座的模樣組合粘接面多。聯(lián)接座模樣組合件質(zhì)量差、組合面不光滑平整，造成聯(lián)接座模樣在組合粘接時(shí)用膠量增大，則熱分解產(chǎn)物的含碳量增高。白模粘接劑選擇不合理。對(duì)粘接劑的材料成分含量未做要求，采用了含碳量高的粘接劑；所選粘接劑的粘接能力差，造成白模組合粘接時(shí)的用膠量大；增大了聯(lián)接座澆注過(guò)程中粘接劑熱分解產(chǎn)物的含碳量，增大了聯(lián)接座滲碳機(jī)會(huì)。

3）聯(lián)接座ZG25SiMn熔煉配料中碳含量未嚴(yán)格控制。

4）聯(lián)接座澆注系統(tǒng)設(shè)計(jì)不合理。在生產(chǎn)ZG25SiMn聯(lián)接座時(shí)，聯(lián)接座模樣熱分解產(chǎn)物中碳擴(kuò)散到鋼液中機(jī)會(huì)增大，造成滲碳增碳。抽真空系統(tǒng)與砂箱或鑄件工藝造型的配置不合理，造成澆注過(guò)程砂箱內(nèi)的真空度偏差過(guò)大，或真空度不足，使模樣的熱分解產(chǎn)物無(wú)法迅速快捷地排出型腔，造成聯(lián)接座的滲碳或積碳。模樣在澆注時(shí)模樣的氣化時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，澆注時(shí)的充型方式設(shè)置不合理，造成模樣的熱分解產(chǎn)物不能順利進(jìn)入集渣腔或冒口中，延長(zhǎng)了熱分解產(chǎn)物中液相和固相的接觸反應(yīng)時(shí)間，從而增大了聯(lián)接座的滲碳機(jī)會(huì)。

如澆注充型的流程過(guò)長(zhǎng)造成鋼液溫度低，尤其是厚壁鑄件的凝固速度慢，造成液相—固態(tài)停留時(shí)間較長(zhǎng)，促使了鋼液與模樣熱分解產(chǎn)物的作用時(shí)間增長(zhǎng)，加大了聯(lián)接座件的滲碳與積碳量。

5）鑄造模樣的涂料層及澆注砂箱中的型砂透氣性差。模樣及模樣組合粘接劑熱分解產(chǎn)物，不能迅速排出聯(lián)接座澆注型腔。

3.3 解決ZG25SiMn聯(lián)接座鑄件含碳量超標(biāo)措施

針對(duì)消失模鑄造低碳合金鋼聯(lián)接座件時(shí)，各種可能造成含碳量超標(biāo)的原因，提出5個(gè)注意要點(diǎn)：

1）采用中頻爐熔煉嚴(yán)格控制低碳合金鋼ZG25SiMn的配料和選料操作。配料選料準(zhǔn)確，保證熔煉配料ZG25SiMn成分符合鑄造技術(shù)要求，這個(gè)是消失模鑄造低碳合金鋼ZG25SiMn聯(lián)接座成分控制的關(guān)鍵。

2）選擇含碳量低的泡沫塑料或預(yù)發(fā)珠粒制作聯(lián)接座模樣。保證聯(lián)接座模樣制作技術(shù)要求和澆注時(shí)不出現(xiàn)因泡沫塑料質(zhì)量引起的其他缺陷時(shí)，制作聯(lián)接座模樣的泡沫密度越小，對(duì)減少鑄件的滲碳積碳現(xiàn)象越好。

3）提高聯(lián)接座模樣的制作質(zhì)量。聯(lián)接座模樣能整體制作時(shí)不應(yīng)組合制作，要盡量減少聯(lián)接座模樣的粘接面。進(jìn)行模樣粘接結(jié)合時(shí)要保證模樣的粘接組合面光滑平整，盡量減少粘接用膠量，降低膠的熱分解產(chǎn)物量即降低了熱分解產(chǎn)物的含碳量。選用含碳量低或無(wú)碳的粘接劑。即采用消失模鑄造粘接專(zhuān)用膠進(jìn)行模樣組合粘接，不使用含碳量高的低質(zhì)普通膠粘接。在模樣組合粘接時(shí)在保證膠的粘接溫度及粘接強(qiáng)度時(shí)，要盡量減少粘接劑的用量，從而降低粘接劑的熱分解產(chǎn)物。

4）選擇合理的澆注系統(tǒng)。要盡可能使聯(lián)接座澆注過(guò)程加快模樣泡沫塑料的氣化，盡量減少及錯(cuò)開(kāi)其熱分解產(chǎn)物中液相與固相接觸和反應(yīng)的時(shí)間，從而減少或避免聯(lián)接座的滲碳發(fā)生。選擇并確定聯(lián)接座件合適的澆注溫度和澆注速度。澆注溫度提高和澆注速度提高，將造成鑄件模樣熱分解加快不易完全氣化，使熱分解的產(chǎn)物在液相中的量增加，同時(shí)因鋼液與模樣的間隙較小，液相中的熱分解物常被擠出間隙后，被擠到模樣涂料層和金屬液之間或鋼液流動(dòng)的冷角、死角，造成接觸面增加，碳濃度增加，滲碳量也將增大。

5）低碳合金鋼聯(lián)接座澆注時(shí)，要提高砂箱真空度。抽真空能加速熱分解物逸出涂層到型腔外，從而減少模樣熱分解產(chǎn)物的濃度和接觸時(shí)間，降低或避免鑄鋼件的滲碳、積碳現(xiàn)象。石英型砂粒度要求20/40目，澆注時(shí)真空度0.03 MPa～0.06 MPa.如果負(fù)壓度過(guò)大將會(huì)引起鑄件粘砂及其他缺陷的發(fā)生。

采用雨淋式澆注系統(tǒng)對(duì)低碳鋼聯(lián)接座澆注，將加大聯(lián)接座增碳、滲碳、積碳傾向。低碳鋼聯(lián)接座件澆注應(yīng)盡可能采用底注式或階梯式澆注方法，使鋼液的充型流動(dòng)平穩(wěn)，模樣熱分解產(chǎn)物能順利進(jìn)入集渣腔或溢流冒口中，從而降低和減少模樣熱分解產(chǎn)物中液相和固相的接觸反應(yīng)時(shí)間，降低和消除增碳幾率。

4 結(jié) 論

消失模鑄造采取有效的質(zhì)量控制，采用中頻爐熔煉時(shí)，嚴(yán)格控制熔煉配料的含碳量，采用含碳量少、雜質(zhì)少的優(yōu)質(zhì)回爐料進(jìn)行熔煉鑄造，完全能生產(chǎn)出優(yōu)質(zhì)低碳合金鋼ZG25SiMn聯(lián)接座件。這些技術(shù)控制措施，對(duì)解決消失模鑄造低中碳鋼件的鑄件表面增碳和低中碳鋼鑄件含碳量超標(biāo)問(wèn)題有參考價(jià)值。

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