高锰钢铸件氧化膜缺陷的防止

2018-04-24赵卓

现代制造技术与装备 2018年3期

赵卓

（中铁山桥集团有限公司，秦皇岛 066200）

高锰钢力学性能优良，具有在强烈冲击、挤压条件下，表层迅速发生硬化的特性，使其在心部仍保持奥氏体良好的韧性和塑性的同时硬化层具有良好的耐磨性能，这使得高锰钢被广泛应用在轨道交通、矿山机械、军工及农机等行业中。

中铁山桥集团有限公司（以下简称“我公司”）自1961年开始生产高锰钢辙叉，年生产能力近20000吨，品种多样。在用镁橄榄石砂造型生产线生产的辙叉产品表面出现大量“皱褶”，尤其耳板、翼轨顶面等厚度较小部位较集中，如图1和图2所示。这些“皱褶”较坚硬，打磨处理很难达到理想状态，严重影响产品表面质量。

图1 立墙缺陷

图2 底板缺陷

图1 和图2所示缺陷深度最浅的不足1mm，最深可达2～3mm，对产品表面质量影响很大。

1 铸造工艺及缺陷分析

1.1 铸造工艺

造型采用镁橄榄石砂、水玻璃及有机酯固化剂与CO2反应硬化，由于辙叉长度尺寸较大，采用一端双内浇道倾斜浇注，倾斜角度根据产品长度不同略有差异，约为5℃。浇注温度1470℃，并有2～3次补浇，开箱清砂后进行热处理、水韧处理。

1.2 缺陷检测

首先针对缺陷较集中的底板部位进行取样（见图3和图4），同时采集趾、跟端不同位置的两个试样进行分析。

图3 趾端试样

图4 跟端试样

然后利用扫描电镜和能谱分析仪对缺陷部位进行扫描分析，以观察缺陷部位微观形貌和元素组成情况。

图5显示了辙叉趾、跟（图def）端底板部位（图abc）的微观缺陷以及成分分析。成分分析结果显示，缺陷中检测到大量的Fe、Mn、O元素,缺陷中含有较多的元素O，说明该部位钢液已被O2氧化。

图5 微观缺陷

“皱褶”形态类似“冷隔”，因此，导致局部应力集中，产生裂纹。利用金相显微镜对氧化膜缺陷较严重部位进行,观察，并与没有缺陷部位进行对比，如图6和图7所示。

图6 没有缺陷的试件

图7 有缺陷的试件

从图7可以看出，局部出现了裂纹，因此氧化膜缺陷在影响产品表面质量的同时也导致产品内部出现了裂纹。

1.3 原因分析

在浇注过程中，钢液与空气接触，钢液中的Mn、Fe等较活跃金属被空气中的O2氧化，形成金属氧化物，生成一层氧化膜。由于浇注方式为倾斜浇注，钢液进入型腔后流动较快，氧化膜被冲散，附在型腔表面，当钢液充满型腔、凝固时，氧化膜碎片在铸件表面附着，最终形成表面一层厚度从不足1mm到3mm的“皱褶”。

2 氧化膜缺陷的防止措施

2.1 刷涂树脂

根据氧化膜缺陷检测和分析结果，若要避免发生氧化膜缺陷，就必须减少钢液与空气或氧气的接触，由于高锰钢辙叉产品属于较大型铸件，靠提高浇注速度来实现减少钢液与氧气接触时间的方法难以实现。因此，采用消除型腔中氧气的方法从根本上避免钢液与氧气接触。在型腔内部刷涂树脂凃剂，采用酚醛树脂醇基涂剂，酚醛树脂是一种复杂的碳氢化合物，当高温液态金属注入型腔后，树脂迅即分解。这种高温快速分解的产物是高级烃。型腔内有氧气存在使之燃烧，这样型腔内的氧气几乎全部除掉，即使残留一点，也不具有产生氧化膜所必要的氧分压，从而在根本上破坏了氧化膜的生成条件。此外，钢液表面的一层高级烃在极高温度下会裂解为低级烃、碳和氢。从浇包口和浇道中产生的氧化膜，在氢的作用下可还原除去，从而达到完全防止氧化膜缺陷发生的目的。但由于树脂燃烧也会产生大量气体，因此树脂仅刷涂在底板及其圆弧连接处、护轨等氧化膜缺陷较集中部位，在型腔涂料点燃后，薄且均匀地刷涂一层树脂涂剂。

2.2 加强排气

在刷涂树脂涂剂后的钢液充型过程中，树脂燃烧产生的气体会使局部气压发生变化，若局部树脂过多会导致发气量过多对钢液充型产生影响，因此，型腔的排气变得尤为重要。首先，在耳板侧面的排气通道间距要尽量紧密，控制在100～150mm，宽度和深度为10mm。其次，在耳板上放置垂直通向大气的排气孔，在树脂燃烧时起到“烟囱”的作用。由此便可稳定型腔内的气压，避免钢液充型过程中发生抬箱现象，确保充型不受影响。