高温高湿环境下铸钢件质量的控制

王伟东 胡海成

中车齐齐哈尔车辆有限公司

高温高湿环境下铸钢件质量的控制

王伟东 胡海成

中车齐齐哈尔车辆有限公司

当前，在钢铁行业中，高温高湿期间的铸件成品率低一直是行业内的顽疾，通过近两年的数据收集，对环境与生产要素间的关系进行识别，制定改进方案。铸钢件通过适当的方式改变或保持有利于其性能的内部组织，使材料塑性更佳、强度更高，并符合一定温度、压力和环境下的使用要求，这就是铸钢件需要热处理的目的。基于此，文章就高温高湿环境下铸钢件质量的控制进行简要的分析，希望可以提供一个借鉴。

高温高湿环境；铸钢件；质量控制

1.高温高湿环境对铸钢生产的影响

铸钢件产品主要应用于制动夹钳、牵引车钩、轴箱体等，应用于动车、高铁上，对产品的内在、外观质量和尺寸要求非常高，综合考虑，采用酯硬化水玻璃砂工艺。在高温高湿环境时，水玻璃和有机酯反应后形成硅酸凝胶，使型砂形成胶结强度，而空气中的高浓度水蒸气对该反应过程产生极大阻碍，促使硅酸凝胶水解，最终导致型砂强度瓦解，给铸件带来夹砂、夹渣等缺陷。高温条件下，型砂反应速度加快，导致型砂可使用时间大大降低，容易出现分层问题，砂模报废倾向加大。

2.铸钢件中存在的质量问题

2.1 铸钢件内部缺陷

由于铸钢件在工艺和浇冒口设计中的某些不足，会导致铸钢件的缩孔缩松缺陷。冶炼过程中，又不可避免地会有各种非金属化合物(简称非金属夹杂物)存在，这些夹杂的存在破坏了金属基体的连续性，形成的空穴和尖锐角在热处理时因为应力集中极易产生裂纹，在承受载荷和冲击时就会导致铸钢件断裂失效。因此，用于抗硫、加氢、高温、高压和低温等特殊工况下的阀门承压铸钢件，一般要求在铸件热节部位做拍片处理，并规定缺陷的等级。

2.2 铸钢件失效的原因

承压铸钢件在运行中如发生了非正常的断裂或破损，可以通过对破损断口的金相分析了解铸件失效的真实原因，从而找到处理方法。阀门常见的断裂失效形式主要有几种情况。①阀体阀盖的爆裂。②阀杆的弯曲或折断。③栓接件的断裂。④闸板T形槽的断裂。⑤密封面咬合撕裂。⑥特殊工况下SSC、SCC、HSC、HIC等形式的开裂。经过对失效零件的工况分析和断口金相分析，有助于铸件材料使用、工作环境、生产工艺、尺寸设计等各环节上作出合理改进。

3.加强高温高湿环境下铸钢件质量的措施

3.1 优化过程控制

(1)水玻璃砂改良。高温高湿期间，水玻璃模数需要适当降低至2.2～2.4，有机酯采用慢酯，这是常规手段，但型砂条件的改良远不止于此。设备保障方面，要确保再生系统中冷却设备的正常运转，以充分降低回收砂的砂温，将回收砂的温度控制在不高于室温5℃；原材料进料方面，新砂在运输过程中要做好隔热措施，否则砂温可以高达40～50℃，而且降温极慢。

(2)铬铁矿砂改良。以往铬铁矿砂的准备方式为手工混制，水玻璃和有机酯加入量难以控制，经常出现水玻璃加入过量的问题。水玻璃吸湿能力很强，同时铬铁矿砂相比于普通石英砂蓄热系数较高，利于空气中水分子粘附，造成铬铁矿砂在高湿环境中极易吸潮，成为浇注过程中气体缺陷的来源。通过前几年的数据查询，发现使用铬铁矿砂的产品在高温高湿期间的废品率是正常水平的2～3倍。对铬铁矿砂的混制方法进行改良，采用碗型混砂机进行混制，将每天用量分为A、B两等分，A组分仅加入水玻璃充分混制，B组分仅加入有机酯混制，混制完成后单独存放，使用时将加入同等质量的两种组分，混匀。以上做法实现了水玻璃、有机酯加入量的精确控制。

3.2 提高技术

钢件在高温氧化环境中工作时，表面与氧发生复杂的化学反应生成铁的多种氧化物层，该氧化物层很疏松，失去了钢原有的特性，极易脱落。为提高钢的高温抗氧化性，可向钢中加入抗氧化性能比较好的合金元素，从而改变氧化物的结构。常用的合金元素有铬、硅、铝等，它们均可与氧反应生成致密、稳定且与钢件表面牢固结合的Cr2O3，SiO2、Al2O3等氧化膜层，这些氧化膜可以有效阻止氧、硫等腐蚀性气体向钢中扩散，也能阻止金属离子向外扩散，以保护钢体不再继续氧化。一定范围内，铬、硅、铝等合金化元素加入量越多，钢的高温抗氧化性越好，但硅、铝等加入量过多时，钢的力学性能和工艺性会变差。所以，耐热钢应以铬为主要合金元素，以硅、铝为辅助元素。

钢的热强性表示金属在高温和载荷长时间作用下抵抗蠕变和断裂的能力，为了提高耐热钢的热强性，可以采用固溶强化、第二析出相强化和晶界强化等方法。

固溶强化是将某些合金元素加入耐热钢中，形成单相过饱和固溶体，从而强化其热强性。大量研究和实践表明，固溶强化是提高耐热钢热强性最有效的途径。因此通常采取向基体中加入一种或几种合金元素的办法，以形成单相固溶体，来提高基体金属的热强性。而且在元素周期表中合金元素距基体元素位置越远，强化效果越明显，Mo、Cr、Mn等是提高金属基体热强性效果显著的几种合金元素。

3.3 涂料刷涂

实际观察中发现冷铁在高湿度环境中吸潮很快，涂料刷涂后无法正常点燃，即使经过表干处理后，冷铁表面的涂料板结性非常差，极易成为浇注过程中的缺陷来源。实际控制中，当涂料点燃完成后随即采用煤气喷灯对冷铁表面进行烘烤，帮助冷铁表面涂料的燃烧，实现涂料的常温固化。高温高湿环境下，水玻璃夺取空气中水分子的能力很强，当湿度高时，水玻璃砂表面的稳定性急剧下降，原因在于钠水玻璃重新发生水合作用，基体中Na+和OH-吸收水分并侵蚀基体，最后使Si-O-Si断裂重新溶解，大大降低钠水玻璃砂粘结强度。在没有针对型砂进行改良时，最好的方法便是在砂模自硬化完成后尽快刷涂料，在型腔与大气间建立一道屏障，减缓表层型砂的吸湿速度。

综上，在铸钢件的质量控制中，高温高湿环境的影响作用非常大。因此，需要通过对过程、技术以及涂刷等措施，从而保证铸钢件的质量。

[1]李凤玉.基于数值模拟的大型铸钢件质量预测研究[D].哈尔滨理工大学，2005.

[2]牟相山.冒口位置对铸钢件质量的影响[J].金属加工(热加工)，2012，23：65-66.