低合金钢联接座消失模铸造工艺与质量控制

2018-05-08王萌萌王春景邓宏运

铸造设备与工艺 2018年1期

王萌萌，王春景，邓宏运

（1.西安重装蒲白煤矿机械有限公司，陕西蒲城 715517；2.西安工业大学，陕西西安 710021；3.西安理工大学，陕西西安 710048）

联接座是煤矿井下转载机和刮板运输机的重要铸件，材质多选择ZG25SiMn，重量在30 kg～80 kg，过去多采用水玻璃砂铸造或树脂砂铸造，联接座表面质量差，独立大冒口使得工艺出品率低，切割修磨冒口工作量大。消失模铸造绿色环保、铸件表面质量好、生产成本低，适用于大批量生产。由于消失模铸造生产线工艺条件、技术参数等的限制，铸造低中碳钢件时铸件表面增碳和铸件含碳量超标较为普遍。消失模铸造联接座也面临这样的问题，如果对工艺参数、铸造条件、生产操作进行严格的控制管理，解决消失模铸造低合金钢联接座铸件表面增碳和含碳量超标问题，完全能铸造出质量合格的低合金钢联接座。

1 低合金钢联接座消失模铸造工艺

1.1 联接座消失模模样制造

由于低合金钢联接座每次采购数量不太大，联接座采用EPS泡沫板数控加工，严格控制EPS泡沫板的密度在16 g/cm3～18 g/cm3，充分烘干，收缩量取2%，加工余量3 mm.联接座消失模模样见图1.

图1 泡沫板数控加工制造的联接座消失模模样

1.2 联接座的浇冒口设计与白模组合

联接座采用顶注顶冒口工艺，上下2个联接座白模组合一起，铸造时顶部的联接座相当下边联接座的冒口，减少冒口可以大大提高联接座铸造工艺出品率。

内浇口40 mm×50 mm，横浇道50 mm×50 mm，直浇道55 mm×55 mm.二个联接座白模组合见图2.

图2 二个联接座白模组合串

1.3 组合联接座白模串涂料涂刷及烘干

组合联接座白模串涂料涂刷2遍水基锆英粉复合，2遍水基石英复合涂料，每次涂料后阳光晒干，或在55℃以下烘干房烘干8 h～10 h，烘干房湿度不高于20%.其中水基锆英粉复合涂料配方（质量分数）比例为：锆英粉50%，棕刚玉粉20%，石英粉20%，酚醛树脂4%，乳白胶6%，钠基膨润土3%，羧甲基纤维素6%，水适量。加涂料联接座模串见图3.干燥过程必须保证模型摆放平直，防止因放置不符合要求而使模型变形，不得与加热器接触。联接座模串涂料烘干见图4.

图3 加涂料联接座模串

图4 联接座模串涂料烘干

1.4 烘干涂料联接座模串装箱造型

首先，装箱前准备工作.装箱前保证消失模铸造型砂的温度不高于50℃.检查联接座模样的完整性、涂层是否够厚，装箱要轻拿轻放，最终保证涂层的完整性。浇注系统后连接部位要保证平严，并用胶条封好。基本吃砂量180mm.在1200mm×1200mm×1 500 mm五面抽真空砂箱底部放20/40目石英砂刮平震实1min；

第二，在砂箱中按工艺要求位置距离摆放4串联接座模串，分2次填砂，三维震实2min；

第三，安放浇注系统，必须认真仔细，按放稳固，接口密封良好；

第四，填砂震实至砂箱口平，用塑料薄膜密封砂箱口，安放浇口杯，放塑料薄膜保护干砂，砂箱吊移到抽真空位置，插上抽真空管。联接座模串装箱造型见图5.

图5 联接座模串装箱造型

1.5 中频炉熔炼

1）联接座材料为ZG25SiMn，化学成分（质量分数）为：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中频炉熔炼，ZG25SiMn配料全部采用优质低碳低磷低硫无锈废钢，低磷低碳锰铁，脱氧用铝0.8 kg/kg钢液；

3）炉中化学成分合格后，钢液温度到1 660℃出炉；用3 t底注包，接盛钢液前烘烤1 h～2 h，包壁材料达到500℃左右。

消失模铸造浇注过程中随着浇注温度的提高，充型速度会加快，这是由于提高浇注温度可改善金属液的流动性，加快了模样热解速度，有利于热解产物逸出。由于模样气化需要消耗热量，金属液流动前沿的温度会下降，消失模铸造浇注温度比普通砂型铸造浇注温度高出50℃左右。在1 660℃出钢，浇注温度1 600℃，每炉浇注6根试样进行试验。

1.6 抽负压浇注，保压保温翻箱时间

浇注前15 min～20 min开真空泵，开始抽真空，当负压稳定在0.04 MPa～0.07 MPa，包中钢液温度1 600℃浇注，消失模铸造充型过程金属液需能克服气隙阻力连续不断地向前推进，直至充满整个铸型，浇注结束保压15 min～25 min关掉负压，保温2 h翻箱。翻箱后清理铸件，切割浇冒口修磨。

2 ZG25SiMn联接座热处理工艺

ZG25SiMn联接座热处理，采用880℃高温退火，800℃水淬、550℃回火调质处理。前期高温退火目的是细化晶粒、消除应力，得到接近平衡组织。联接座在煤矿井下使用过程中处于高强度的工作状态，需要其具有较高强度与韧性。

3 表面增碳和含碳量超标分析与解决对策

消失模铸造的ZG25SiMn联接座，铸件表面光洁规则、质量好、工艺出品率及生产效率比水玻璃砂铸造，或树脂砂铸造明显有优势，生产成本也比树脂砂铸造低。但是生产初期存在表面增碳和低中碳钢铸件含碳量超标问题。

3.1 联接座ZG25SiMn增碳量测试

对其中2个联接座分部位取样进行化验其碳含量，进行增碳分析。在联接座不同部分共取10个试样，碳质量分数化验结果见表1.ZG25SiMn要求碳质量分数在0.22%～0.28%之间。

表1 联接座不同部位碳质量分数，%

联接座增碳质量分数在0.04%～0.08%之间，生产将联接座碳质量分数控制在0.28%以下，以确保联接座力学性能。

3.2 造成ZG25SiMn联接座含碳量超标的原因

1）联接座模样材料密度控制不合理。联接座白模模样材料密度高，造成联接座模样浇注过程热分解时含碳量高，使联接座在浇注过程中液相及雾状游离碳含量高，造成联接座渗碳机会增大。

2）联接座的模样组合粘接面多。联接座模样组合件质量差、组合面不光滑平整，造成联接座模样在组合粘接时用胶量增大，则热分解产物的含碳量增高。白模粘接剂选择不合理。对粘接剂的材料成分含量未做要求，采用了含碳量高的粘接剂；所选粘接剂的粘接能力差，造成白模组合粘接时的用胶量大；增大了联接座浇注过程中粘接剂热分解产物的含碳量，增大了联接座渗碳机会。

3）联接座ZG25SiMn熔炼配料中碳含量未严格控制。

4）联接座浇注系统设计不合理。在生产ZG25SiMn联接座时，联接座模样热分解产物中碳扩散到钢液中机会增大，造成渗碳增碳。抽真空系统与砂箱或铸件工艺造型的配置不合理，造成浇注过程砂箱内的真空度偏差过大，或真空度不足，使模样的热分解产物无法迅速快捷地排出型腔，造成联接座的渗碳或积碳。模样在浇注时模样的气化时间过长，浇注时的充型方式设置不合理，造成模样的热分解产物不能顺利进入集渣腔或冒口中，延长了热分解产物中液相和固相的接触反应时间，从而增大了联接座的渗碳机会。

如浇注充型的流程过长造成钢液温度低，尤其是厚壁铸件的凝固速度慢，造成液相—固态停留时间较长，促使了钢液与模样热分解产物的作用时间增长，加大了联接座件的渗碳与积碳量。

5）铸造模样的涂料层及浇注砂箱中的型砂透气性差。模样及模样组合粘接剂热分解产物，不能迅速排出联接座浇注型腔。

3.3 解决ZG25SiMn联接座铸件含碳量超标措施

针对消失模铸造低碳合金钢联接座件时，各种可能造成含碳量超标的原因，提出5个注意要点：

1）采用中频炉熔炼严格控制低碳合金钢ZG25SiMn的配料和选料操作。配料选料准确，保证熔炼配料ZG25SiMn成分符合铸造技术要求，这个是消失模铸造低碳合金钢ZG25SiMn联接座成分控制的关键。

2）选择含碳量低的泡沫塑料或预发珠粒制作联接座模样。保证联接座模样制作技术要求和浇注时不出现因泡沫塑料质量引起的其他缺陷时，制作联接座模样的泡沫密度越小，对减少铸件的渗碳积碳现象越好。

3）提高联接座模样的制作质量。联接座模样能整体制作时不应组合制作，要尽量减少联接座模样的粘接面。进行模样粘接结合时要保证模样的粘接组合面光滑平整，尽量减少粘接用胶量，降低胶的热分解产物量即降低了热分解产物的含碳量。选用含碳量低或无碳的粘接剂。即采用消失模铸造粘接专用胶进行模样组合粘接，不使用含碳量高的低质普通胶粘接。在模样组合粘接时在保证胶的粘接温度及粘接强度时，要尽量减少粘接剂的用量，从而降低粘接剂的热分解产物。

4）选择合理的浇注系统。要尽可能使联接座浇注过程加快模样泡沫塑料的气化，尽量减少及错开其热分解产物中液相与固相接触和反应的时间，从而减少或避免联接座的渗碳发生。选择并确定联接座件合适的浇注温度和浇注速度。浇注温度提高和浇注速度提高，将造成铸件模样热分解加快不易完全气化，使热分解的产物在液相中的量增加，同时因钢液与模样的间隙较小，液相中的热分解物常被挤出间隙后，被挤到模样涂料层和金属液之间或钢液流动的冷角、死角，造成接触面增加，碳浓度增加，渗碳量也将增大。

5）低碳合金钢联接座浇注时，要提高砂箱真空度。抽真空能加速热分解物逸出涂层到型腔外，从而减少模样热分解产物的浓度和接触时间，降低或避免铸钢件的渗碳、积碳现象。石英型砂粒度要求20/40目，浇注时真空度0.03 MPa～0.06 MPa.如果负压度过大将会引起铸件粘砂及其他缺陷的发生。

采用雨淋式浇注系统对低碳钢联接座浇注，将加大联接座增碳、渗碳、积碳倾向。低碳钢联接座件浇注应尽可能采用底注式或阶梯式浇注方法，使钢液的充型流动平稳，模样热分解产物能顺利进入集渣腔或溢流冒口中，从而降低和减少模样热分解产物中液相和固相的接触反应时间，降低和消除增碳几率。