敞口式铝锭模箱体铸造及热处理工艺研究

周志勇，孟少峰，白爱琴，陈小花，康 锋

（1.晋西车轴股份有限公司，山西 太原 030027；2.晋西铁路车辆有限责任公司，山西 太原 030027）

敞口式铝锭模箱体是出口某大型铝厂浇注铝锭的模具（如图1），材质是符合美国ASTM标准的A217 WC Modified，属于低合金钢，化学成分见表1，其要求抗拉强度为485Mpa～655Mpa，屈服强度为275Mpa。产品的外形各异，壁厚32mm～55mm，重量约800kg～3000kg。组织要求为回火马氏体，铁素体含量不能超过5%。表面粗糙度要求符合SCRATA标准的A1级（内表面）和A2级（外表面）标准。气孔和针孔要求符合C1级（内表面）和C2级（外表面）标准。皱褶要求符合D1级（内表面）和D2级（外表面）标准。

图1 敞口式铝锭模箱体

1 铸造工艺研究

1.1 铸造工艺设计

铸件结构简单，壁厚较薄，产生冷隔纹、浇不足的可能性较大，表面质量不好控制，经过模拟计算设计出合理的浇注系统、冒口，增设冷铁避免产生缩松等缺陷[1]。

采用酯硬化水玻璃砂工艺造型制芯（如图2），在热节部位放置铬矿砂或冷铁，以消除铸件缩松缩孔缺陷[2]的产生。内浇口用成型陶瓷变径，以提高充型平稳性（如图3所示）。

图2 砂型

图3 浇注系统

1.2 炼钢要求

熔清碳要求大于0.50%，氧化终点碳控制在0.08%～0.10%左右，渣中FeO含量小于0.6%。出钢温度为1595℃～1610℃，浇铸温度为1550℃～1585℃。浇注完后砂箱静置待铸件冷却后开箱清砂，如图4。

表1 A217 WC Modified化学成分

图4 开箱及最终产品

2 热处理工艺

2.1 热处理方案制定

根据产品结构特点、外形尺寸及金相组织和力学性能的标准要求，热处理方法为淬火+高温回火。淬火加热温度设定为900℃±15℃。采用L9（34）正交试验[3]对其他因素进行工艺试验。

2.2 试验结果

对热处理后的试件进行了金相试样制备和金相组织检测。

1#、2#、3#方案为保温时间3h，加热速度分别为80℃/h、100℃/h、120℃/h，入水时间分别为60s、90s、120s，显微组织如图5（a）、（b）、（c）。经检测铁素体含量分别15%、17%、50%（呈大片状分布），均不符合要求。

图5 方案1#、2#、3#显微组织（400×）

4#、5#、6#方案为保温时间4h，加热速度分别80℃/h、100℃/h、120℃/h，入水时间90s、120s、60s，显微组织如图6（a）、（b）、（c）；经检测，4#方案铁素体含量为4.5%，符合要求；5#、6#方案铁素体含量分别为10.5%（呈片状分布）、8%，均不符合要求。

图6 方案4#、5#、6#显微组织（400×）

7#、8#、9#方案为保温时间5h，加热速度80℃/h、100℃/h、120℃/h，入水时间120s、60s、90s，显微组织如图7（a）、（b）、（c）；经检测7#方案铁素体呈片状分布，含量为7.5%，不符合要求；8#、9#方案铁素体含量分别为4%、5%，符合要求。

图7 方案7#、8#、9#显微组织（400×）

2#、4#方案试样进行了力学性能检测，力学性能见表2。

表2 试样力学性能结果

3 热处理工艺参数的制定

根据实验结果可知：

（1）当保温时间较短时，组织含有大量的片状铁素体，抗拉强度较高，塑性较低，脆性很大。

（2）当加热速度较快时，析出片状铁素体，组织无法完全均匀化，影响组织形成及降低力学性能。

（3）当入水时间（冷却速度）较长时，会出现粗大枝晶，影响材料的金相组织形成和降低力学性能。

根据实验结果确定热处理工艺，具体步骤如下：

（1）铸件以每小时80℃的加热速度加热到900℃±15℃，保温4h。

（2）铸件出炉后水冷，铸件自出炉至入水时间不大于90s。

（3）空冷后铸件重新装炉，以每小时80℃的加热速度加热到675℃～700℃，至少保温4h。

（4）等待炉温冷却到500℃以下，铸件出炉空冷。

4 结论

通过对A217 WC Modified铸造工艺设计，并通过研究试样L9（34）正交试验热处理后的组织及性能，最终确定了A217 WC Modified铝锭模的生产工艺。