大型磨煤機磨環(huán)鑄件裂紋的消除

鄭建斌

（福建興航機械鑄造有限公司，福建長樂 350203）

1 磨環(huán)生產(chǎn)概況

磨環(huán)鑄件見圖1所示，鑄件毛重約22.5 t，主要工作面為圓弧曲面部分。材質(zhì)為耐磨材料，牌號ZG65C r2N i M o，在國標《耐磨鋼鑄件》中屬于中合金鋼，此類鋼種總體鑄造工藝性較差。主要化學成分見表1，主要力學性能見表2.

圖1 磨環(huán)鑄件簡圖

表1 主要化學成分（質(zhì)量分數(shù)，%）

表2 主要力學性能[1]

鑄造按照Y B/T036—92冶金設(shè)備制造通用技術(shù)要求。所有位置按機械行業(yè)標準（J B/T5000.14-2007）進行磁粉探傷檢查，探傷等級Ⅱ級，所有位置按機械行業(yè)標準（J B/T5000.14-2007）進行超聲波探傷檢查，探傷等級Ⅱ級。鑄件表面光潔、平整，表面粗糙度保證R a100μm～200μm.鑄件應(yīng)進行完全退火處理，消除應(yīng)力，改善晶粒組織結(jié)構(gòu)。

原鑄造工藝方案如圖2所示：選擇水平分型，磨環(huán)重要工作面采用朝下方案，平做平澆；選擇單包澆注，采用4道內(nèi)澆口底注、開放式的澆注系統(tǒng)；澆注時間約3 m i n 20 s；采用4個冒口進行補縮，冒口尺寸為550 mm×825 mm×900 mm，冒口之間采用外冷鐵工藝增加末端區(qū)，配合冒口補縮。

原熱切割工藝流程：澆注→保溫→頭遍清砂→切割澆口（留150 mm根）→加熱保溫→切割冒口、澆口根→熱精整→緩冷。原熱切割冒口工藝如圖3所示。

圖2 原工藝方案

圖3 原熱切割冒口工藝

2 裂紋的產(chǎn)生及原因

切割澆冒口及精整磨環(huán)緩冷過程工序發(fā)現(xiàn)冒口根部存在一道穿透性長裂紋，裂紋形狀較直，開裂處有金屬光澤，呈輕微氧化色[2]。裂紋示意見圖4.

圖4 裂紋示意圖

根據(jù)裂紋的形狀特點及結(jié)合產(chǎn)生的工序，經(jīng)分析判斷此裂紋性質(zhì)屬于冷裂紋。

裂紋產(chǎn)生的主要原因：

）ZG65Cr2NiMo材質(zhì)本身對裂紋較為敏感。國內(nèi)外的許多冶金工作者在深入地研究了化學成分及鋼的質(zhì)量對裂紋的影響后認為，C、P、S三元素對裂紋影響大，而鉻鎳鉬鋼也比一般碳素鋼裂紋傾向性更大[3]，而且可焊性也特別差。

2）磨環(huán)上平面采用的冒口尺寸較大，切割冒口時影響區(qū)也比較大。因此，磨環(huán)本體的熱影響區(qū)溫度梯度很大。升溫時切割面下的熱影響區(qū)必然產(chǎn)生熱膨脹，而非熱影響區(qū)必然對其膨脹區(qū)施以阻力，使膨脹區(qū)受到壓應(yīng)力，此時不會產(chǎn)生裂紋。但當切割后冷卻過程中溫度急劇下降，熱影響區(qū)的溫度低于臨界轉(zhuǎn)變點M s時，過冷奧氏體會發(fā)生馬氏體轉(zhuǎn)變，這種馬氏體組織硬而脆，幾乎無變形能力。所以具有馬氏體組織的熱影響區(qū)在冷卻時要產(chǎn)生熱拉應(yīng)力。磨環(huán)僅采用650℃加熱保溫，幾乎無法消除鑄造應(yīng)力，那么熱應(yīng)力、相變應(yīng)力與鑄造應(yīng)力相疊加構(gòu)成了產(chǎn)生磨環(huán)裂紋的外力。在這種外力作用下，如果鑄件材質(zhì)裂紋敏感強、鑄件質(zhì)量差等就容易被這種外力拉裂。

3 改進后鑄造及熱切割冒口工藝方案

3.1 改進后的鑄造工藝方案

改進后工藝方案見圖5.

1）采用傾斜造型傾斜澆注，斜度1：10，內(nèi)澆道從磨環(huán)下部引入。

磨環(huán)鑄件考慮采用傾斜造型澆注方案的原因有：第一，磨環(huán)上表面積較大，采用傾斜造型澆注輻射熱不會長時間作用于整個上表面，而是不斷地作用于新的表面上，鑄型表面能及時地被上溢的金屬液所浸壓，故夾砂、鼠尾、粘砂等型砂方面的缺陷可以減少，同時縮短了熱清整鑄件的時間，減少磨環(huán)鑄件溫度下降過多，降低熱影響區(qū)溫度梯度。另外若鑄件存在粘砂層，粘砂層與鑄件冷卻時線收縮不同也使其表面裂紋更易產(chǎn)生[4]。第二，由于金屬液由鑄型底部注入，金屬液自下上溢，充型平穩(wěn)，可避免平澆時分散的薄層液流狀態(tài)。第三，金屬液流的充型方向與型腔排氣方向一致，便于型腔中的氣體順利外逸，鑄件不易產(chǎn)生氣孔。

2）選擇雙包澆注，8道內(nèi)澆口的開放式的澆注系統(tǒng)。

3）澆注時間約1分20秒，比原工藝方案縮短澆注時間2 m i n.較快的澆注時間能有效確保磨環(huán)上表面的質(zhì)量。

4）采用2個冒口放在磨環(huán)頂部位置進行補縮，冒口尺寸仍為550 mm×825 mm×900 mm，磨環(huán)下部約2/3范圍采用外冷鐵工藝，配合冒口補縮。

5）減少冒口數(shù)量，縮短了熱切割冒口的時間，減小了磨環(huán)本體的熱影響區(qū)溫度梯度，從而減小熱應(yīng)力，減少磨環(huán)鑄件產(chǎn)生裂紋的傾向性。

3.2 改進后的切割冒口工藝

圖5 改進的工藝方案

通過對裂紋產(chǎn)生的原因分析可以確認：熱應(yīng)力、相變應(yīng)力和鑄造應(yīng)力的疊加構(gòu)成了致使磨環(huán)產(chǎn)生裂紋的力學因素。熱應(yīng)力、相變應(yīng)力和鑄造應(yīng)力都可以在一定條件下改變。那么，通過人為的方法減小應(yīng)力就可以減小鑄件產(chǎn)生裂紋的可能性。

1）原熱割工藝是在鑄造組織下或者在較大的鑄造應(yīng)力下切割冒口，改變熱處理工藝制度就是基于消除鑄造應(yīng)力這種考慮而采取的工藝措施。對磨環(huán)鑄件進行完全退火，成為真正的均勻化熱處理，使金相組織由晶粒粗大的鑄造狀態(tài)變?yōu)榫哂写罅康蔫F素體和珠光體組織，從而減小了鑄造應(yīng)力[3]。

2）采用熱割冒口并在氣割后立即采取保溫或升溫措施無疑可以減小熱應(yīng)力和相變應(yīng)力。過冷奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體的量隨著溫度的降低而增加。如果在氣割過程中及氣割后能避開馬氏體轉(zhuǎn)變點M s，即可使相變應(yīng)力趨于最小。從這一觀點出發(fā)，認為日本神戶制鋼所規(guī)定在400℃左右氣割冒口比較合理。在此溫度下割冒口不但可以避開M s點，而且在塑性好且溫差小的情況下氣割冒口，裂紋形成的可能性即可減小[3]。

改進后熱切割工藝流程：澆注→保溫→頭遍清砂→切割澆口（留150 mm根）→完全退火熱處理→400℃左右切割冒口、澆口根→精整→回火熱處理→爐冷→空冷→發(fā)貨準備

改進后切割冒口工藝見圖6.

4 生產(chǎn)驗證

鑄件后經(jīng)檢驗，達到了預(yù)期的目標：鑄件組織致密，無鑄造缺陷。粗加工和表面精整后作超聲波及磁粉探傷檢測，達到產(chǎn)品技術(shù)要求，客戶反饋磨環(huán)使用壽命已超出設(shè)計要求，贏得了客戶好評，現(xiàn)場檢查情況見圖7.

圖6 改進的熱切割冒口工藝

圖7 磨環(huán)現(xiàn)場檢查

5 結(jié) 論

1）ZG65C r2N i M o材質(zhì)裂紋傾向性很大，可焊性很差，一旦出現(xiàn)裂紋等缺陷，鑄件基本是報廢。因此必須從工藝制定開始到鑄件生產(chǎn)完成全過程都要注意減少熱應(yīng)力、相變應(yīng)力和鑄造應(yīng)力。

2）對易產(chǎn)生裂紋的鑄件進行完全退火熱處理，使其金相中鑄造狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榫哂写罅胯F素體和珠光體組織，減少鑄造應(yīng)力后再進行后道工序。

3）了解合金馬氏體轉(zhuǎn)變點Ms，合理避開Ms點進行熱切割冒口操作，有利于減少裂紋形成的可能性。