G20Mn5低碳低合金钢拱索索夹铸造质量控制

黄韬睿，杨世杰，邓宏运，罗晓明，沈佳勇

1.中国铁建国际集团有限公司 北京 100855

2.西安理工大学664信箱 陕西西安 710048

3.杭州海伦铸钢有限公司 浙江杭州 311116

1 序言

拱索索夹是在会展中心、体育场、飞机场等大型民用标志性建筑应用的重要铸钢件，中国铁建国际集团有限公司总包国外2022年足球世界杯大型体育场拱索索夹，设计时选用材质为G20Mn5钢，单重240kg，外廓尺寸为820mm×535mm×385mm，主要壁厚90mm。拱索索夹铸造难点如下。

1）结构复杂，壁厚不均匀，存在局部变截面区域，热节较多，易产生缩孔、疏松等缺陷。按技术要求需进行超声波、磁粉检测，首件必须射线检测，因此铸造工艺措施要科学合理。

2）拱索索夹铸件无损检测要求高，G20Mn5钢力学性能及冲击吸收能量的试块不同于国标（GB），力学性能等质量要求高，同时工期要求紧。

2 拱索索夹有关技术及铸造质量要求

（1）G20Mn5钢化学成分和力学性能要求 拱索索夹G20M n5钢化学成分要求见表1(欧标E N 10293—2005)，力学性能要求见表2[1]。

表1 拱索索夹G20Mn5钢化学成分（质量分数）（%）

表2 拱索索夹G20Mn5钢力学性能

G20Mn5钢C含量低、Mn含量高，并含有Ni元素，适合厚大断面且有焊接及调质要求的复杂铸钢结构件。铸造时各个化学元素的选择与控制有以下特点[2，3]。

1）C含量：由于G20Mn5钢C含量要求低，同时技术要求碳当量≤0.49%，且C又在碳当量中占有较大的权重，因此应尽量采购C含量较低的废钢，这是保证降低碳当量的有效措施，同时要保证调质后力学性能，C也不能太低，铸造过程wC最好控制在0.18%~0.21%。

2）Si含量：硅可强化铁素体，提高耐热性和耐蚀性，降低韧性和塑性。wSi在0.40%左右能改善热裂倾向。Si含量高时易形成柱状晶，增加热裂倾向，因此wSi宜控制在0.35%~0.45%。

3）Mn含量：Mn元素会缩小结晶范围，提高钢液流动性，且会扩大奥氏体相区，降低相变温度，细化相变组织，同时具有较强的固溶强化作用，强化基体作用很大，提高强度和耐磨性。Mn含量过高也会增加体收缩和线收缩，增加冷裂、热裂倾向，在低合金范围内增加回火脆性，降低韧性。因此，在低碳钢中wMn一般≤2%。

Mn元素能显著提高低碳钢的淬透性和硬度，延迟低碳钢形变，强化相变进程。综合考虑，wMn最好控制在1.20%~1.50% 。

4）Ni含量：对于更高的屈服强度下仍要求保持冲击性能，则必须考虑加入适量的Ni元素。镍和铁能无限固溶，镍扩大铁的奥氏体区，镍和碳不形成碳化物；镍能固溶强化及降低临界转变温度，降低钢中各元素的扩散速率，提高淬透性，可以细化铁素体晶粒，提高屈服强度，同时改善钢的塑性和韧性，提高钢的疲劳抗力，减小钢对缺口的敏感性。另外，Ni元素加入对钢的显微组织及热处理与力学性能有重要的作用。由于镍的稀缺又是重要的战略物资，所以综合考虑，将wNi控制在0.30%~0.40%。

5）P、S含量：P、S属于有害元素，中频感应电炉熔炼时，要达到G20Mn5钢标准要求，最有效的措施就是采用符合标准P、S含量的优质废钢。

（2）拱索索夹的试块及铸件本身规范要求 拱索索夹除了满足EN 10293—2015的化学成分、力学性能、热处理要求规范外，拱索索夹的试块及铸件本身要求遵守欧标EN 1559-1及EN 1559-2铸造技术交货条件[4，5]，拱索索夹外观检查应符合E N 1369—2012铸造外观检查标准[6，7]。拱索索夹的试块按照E N 1559-2的要求，试块的横截面积为t×t，其中t为相关壁厚，从试块上截取试样来测试力学性能，按照铸件截面厚度＞50m m，同时＜100mm，试样轴线应在距试块表面距离为22.5mm 处。依据订货协议，试块是通过浇注拱索索夹同炉钢液同一浇注系统直接充填的，根据拱索索夹相关壁厚t=90mm及试块几何形状等要求，确定拱索索夹试块尺寸为90mm×90mm×300mm，这比美标ANSI/ASTM或国标GB/T 11352—2009的基尔试样壁厚大，而且取样深度大[8，9]。拉伸试棒为φ10mm，标距为50mm。常温冲击性能采用试块10mm×10mm×55mm、2mm深的标准V型缺口测试。

（3）拱索索夹铸件无损检测 对于拱索索夹的浇冒口根部、所有圆弧部位、有气割和碳弧气刨痕迹处等重点部位，属于高应力区域，应进行目视和磁粉检测，不允许有夹砂和裂纹缺陷存在，也不允许有影响拱索索夹使用性能的密集型气孔、夹渣、缩孔及冷隔等缺陷存在。

1）拱索索夹首件射线检测，应符合ASTM E94标准，等级为3级。

2）铸件磁粉检测，应符合B S E N 1369：2012[8]，质量等级如下：非线性缺陷验收等级（SM）- 严格级别SM2；线性缺陷验收等级（LM）-严格级别LM2；点线性缺陷验收等级（AM）-严格级别AM2。

3）铸件超声波检测，应符合B S 12680-1：2003[9]，质量等级如下：平面不连续-无裂纹缺陷验收等级-质量等级2；非平面不连续性缺陷验收等级- 质量等级3。

3 拱索索夹铸造工艺设计

拱索索夹模样收缩量为2%，模样起模斜度1°~ 2°，模样工艺补正量2~5mm，加工余量10~15mm，一箱1件并带2个（90mm×90mm×350mm）欧标试块，水玻璃砂CO2硬化法造型，使用醇基锆石粉涂料，涂刷2遍。

拱索索夹采用侧注式浇注系统，直浇道采用φ60mm的陶瓷管，横浇道和内浇道一体，截面尺寸40mm×50mm，为了保证拱索索夹与试块组织致密，不产生缩孔、缩松缺陷，设计5个专用保温冒口，冒口根部及圆角部位使用铬铁矿砂（厚度≥20mm），拱索索夹及2个试块的铸造工艺如图1所示。

图1 拱索索夹及2个试块的铸造工艺三维示意

4 拱索索夹铸造过程工艺控制

4.1 拱索索夹铸造流程

拱索索夹铸造工艺CAD→木模样制作→造型及制芯→涂料涂刷→合箱→钢液熔炼→炉前化学成分光谱分析→浇注钢液→拱索索夹保温与冷却→落砂清理→目视检测→表面缺陷修补→退火处理→表面打磨→MT/UT检测→调质处理→表面打磨→铸件尺寸检测→RT/MT/UT检测→机械加工→检验→喷砂→涂装→合格拱索索夹待出厂。

4.2 拱索索夹铸造原辅材料要求

为便于碳元素的成分控制，废钢表面要求干净，无明显的锈蚀，无油，无水，无泥沙，无油漆，无橡胶，无塑料及铜、铅等有色金属，不使用废铸铁件、废高锰钢件，不使用废钢切屑等。选用同材料或成分相近的干净的低碳冲压余料，优质P08钢冲压边角剩余废钢，或者同材质浇冒口、废铸件。

选用电解锰、电解镍板、FeSi72硅铁及硅钡稀土合金等，合金入厂需有化学成分单。

造型砂选用S i O2≥95%、粒度40~70 目（0.425~0.212mm）的硅砂，铸造涂料选用醇基锆石粉涂料。

4.3 拱索索夹造型制芯及下芯合箱规程

1）拱索索夹造型、制芯前，检查模样、芯盒是否符合工艺图样要求，检查混砂系统是否完好，所混制的型砂是否符合要求，砂芯要求全部使用新砂制芯。

2）造型时按照工艺要求摆放好浇道，浇道接口处必须用胶带封牢，保温冒口套按工艺要求放置好，冒口套根部使用铬铁矿砂填充。填砂时头砂或尾砂不得用于面砂，砂型表面80~100mm范围内使用新砂作为面砂，圆角处采用铬铁矿砂作为面砂，再生砂作为背砂填充。

3）涂刷涂料时，用风管将型腔（砂芯表面）清理干净，第一遍使用较浓的锆石粉涂料涂刷，涂刷完成后点火，待涂料溶剂充分燃烧后，用砂纸将铸型（芯）表面附砂及堆积的涂料打磨光顺，用风管将型腔（砂芯表面）清理干净，涂刷第二遍锆石粉涂料，并再次用上述方法将表面处理干净。

4）下芯。确定下芯顺序，下芯时将砂芯吊平稳，下入型腔后认真检查各个配合尺寸，确认无误后将砂芯固定牢，芯头缝隙用砂填满。

5）清理型腔合箱。用风管沿一定方向吹型腔、浇道，并用抽砂管清理型腔内砂子。清理完型腔后将砂型底箱吊至预定的浇注场地，浇注场地要垫实，防止浇注时由于钢液压力导致砂型下沉而造成铸件变形、跑火。按照要求经过验箱后再合箱，砂箱合好后用箱卡或压铁紧固砂箱。等待浇注的砂箱摆放整齐，砂箱间距＞500mm，便于浇注人员穿行、引气等工作，砂箱浇口成一直线，合箱后6h内必须浇注。

4.4 G20Mn5钢中频感应电炉熔炼与浇注质量控制

2t中频感应电炉熔炼，首先加入优质废钢，熔炼中期按照配料组分依次加入电解镍板及FeSi72硅铁继续熔炼，最后加电解锰。待全部炉料熔清，测温达1550℃后第1次取样进行化学成分光谱分析，根据光谱分析结果调整有关合金成分，加入电解锰，并快速升温到1600℃，取样第2次进行光谱分析化学成分，成分合格后，在钢液到达1650℃时，按0.6kg/t钢液加入硅钡稀土合金脱氧出炉，并在浇包内按1.0kg/t钢液加入脱氧铝，出炉后钢液上加保温覆盖剂，浇注温度1580~1600℃，每箱浇注重量500kg，浇注时间30~40s。另外，熔炼过程、光谱分析、测温、出炉及浇注过程等需要分包商，3家第三方监理见证。

4.5 拱索索夹保温与落砂清理

浇注后铸件在砂型中缓慢冷却18h后，开箱落砂清理，切割浇冒口及毛刺，并进行打磨。

4.6 拱索索夹退火处理

为了消除拱索索夹铸造应力并有利于粗加工，对拱索索夹铸件进行退火处理，如图2所示。装炉时将拱索索夹垫平，防止铸件变形。

图2 拱索索夹退火处理曲线

5 拱索索夹首件铸造过程质量缺陷及改进

水玻璃砂CO2硬化法造型，由于型腔砂型强度低，涂料质量及涂料烘干不稳定，浇包没有烘烤透，用钢液烫烤，浇注系统也没有用过滤网，以及翻转包浇注挡渣不好，因此虽然第一炉(炉号0841)浇注后4件化学成分主要合金元素在规范要求内，但是碳当量为0.52%，超出CEV≤0.49%的要求，同时也有拱索索夹出现夹渣、夹砂、冷隔等缺陷，清理打磨后超声波、MT检测个别部位不能满足规范要求，全部不合格。

在拱索索夹浇口根部周围存在夹砂和夹渣缺陷，浇注速度快时会造成钢液对砂型的冲击加剧，出现冲砂现象。夹砂的主要原因是由于铸型表面的砂粒与高温钢液接触，剥离后混入钢中形成的。这两种缺陷都是由于砂子渗入铸件内部而产生的，当砂型的紧实度不均匀时，砂型受钢液冲击、砂型未清理干净都会产生夹砂。钢液中混入熔渣后又将钢液注入铸型中，熔渣没有上浮而形成夹渣。采用直浇道下部设置钢液过滤网，控制金属液的流速， 注意撇渣和除渣。夹砂和夹渣缺陷的形态都比气孔略有棱角，因此UT检测时，反射波相对较弱，与气孔的反射近似。

冷隔是由于样件生产初期，浇注工人没有掌握工艺，浇注温度、浇注速度偏低造成的，UT检测时有很强的反射回波。

通过总结，细化拱索索夹铸造质量控制，优化型砂中水玻璃加入量及CO2硬化时间，保证砂型强度，直浇道下部设置钢液过滤网，提高两遍醇基锆石粉涂料刷涂质量，碳含量向下限调整，浇包接钢液前烘烤1h到400℃以上，钢液温度至1650℃出炉，浇包加铝线与硅钡稀土复合脱氧，出炉后加入保温覆盖剂，保证浇注温度在1570~1600℃，翻转包浇注认真挡渣，连续生产3炉次15件，拱索索夹化学成分见表3。由于铸造过程质量管控严格，拱索索夹表面质量、UT/MT检测全部满足规范要求，拱索索夹RT检测也满足规范要求。

表3 合格G20Mn5钢拱索索夹化学成分（质量分数) （%）

6 拱索索夹调质处理及力学性能

低碳低合金铸钢拱索索夹件wC在0.2%左右，碳当量≤0.49%，低碳低合金铸钢拱索索夹铸态组织为多角粗大的铁素体+珠光体，要求性能满足工程要求，需要利用淬火加高温回火处理的工艺（称为调质处理）来提高综合力学性能。将零件加热到奥氏体化并保持一定时间后，以适当方式冷却淬火，获得马氏体或贝氏体组织。淬火后及时进行回火处理，以消除淬火应力，获得所需综合力学性能。淬火采用75kW台式电阻炉，淬火池大小为2.5m×4m×3m。拱索索夹及试样调质处理前抛丸或打磨表面氧化皮，目的是减少调质处理加热与冷却的热传导。调质工艺如图3、图4所示。

6.1 拱索索夹首件淬火工艺

（1）淬火装炉温度 装炉炉温≤350℃，试块与拱索索夹装在框中间隙放置，有利于每件均匀加热、快速冷却；淬火加热升温速度按280～330℃/h控制，升温速度要均匀。

（2）淬火保温时间 温度升至（930±10）℃后保温4h。

图3 拱索索夹淬火工艺

图4 拱索索夹回火工艺

（3）淬火冷却 保温结束后快速出炉油淬，保证淬火液量，保持淬火液温度30～40℃，使拱索索夹在淬火池中不停地移动，15min后出淬火液测温，淬火液冷却到300℃左右，转入回火炉进行回火。

6.2 拱索索夹首件回火工艺

（1）回火装炉温度 回火装炉炉温≤300℃，试块与拱索索夹装在框中间隙放置，有利于每件均匀加热；回火加热升温：回火升温速度按250～300℃/h控制，升温速度要均匀。

（2）回火保温时间 温度升至（630±10）℃后保温5h。

（3）回火冷却 保温结束后快速出炉并散放（不能堆积）在专用吹风冷却床上风冷。

6.3 拱索索夹首件力学性能检测

G20Mn5钢拱索索夹试块相关壁厚90mm，拱索索夹与大试块同炉、同工艺QT调质，试样(V型缺口)的形状和尺寸以及试验方法应按照EN ISO 148-1—2016[10]执行；对规定的G20Mn5牌号，冲击吸收能量平均值应不小于产品标准内的规定值60J；单个值不小于规定值60J的70%，则该单个值可小于规定值60J，测得大试块力学性能及冲击吸收能量结果见表4。从5个炉批调质大试块力学性能检测结果看，G20Mn5钢拱索索夹首件调质处理工艺是合理的，就是接头调质处理要加强对热处理工培训，严格执行调质工艺规程操作。

表4 G20Mn5钢拱索索夹试块力学性能检测结果

7 结束语

1）采用优质废钢，中频感应电炉熔炼钢液，1630℃出炉，浇包加铝线及硅钡稀土复合脱氧，控制浇注温度在1570~1600℃，翻转包浇注认真挡渣等严格的铸造质量控制，可以铸造满足欧标各项严格规范要求的拱索索夹铸件。

2）为了保证调质后力学性能及冲击吸收能量的各项要求，同时满足综合成本因素， G20Mn5钢拱索索夹铸件最佳化学成分为：wC控制在0.18%～0.21%，wSi控制在0.35%～0.45%，wMn最好控制在1.10%～1.30%，wNi控制在0.20%～0.40%，wP、wS均＜0.020%。拱索索夹首件及大试块优化调质工艺，淬火为（930±10）℃保温4h，进入油液淬火并用吊车不停来回移动，保证每个拱索索夹均匀冷却，冷却到300℃以下进入台式电阻炉中，回火升温到（630±10）℃后保温5h，快速出炉至专用吹风冷却床空冷，拱索索夹首件及大试块达到欧标EN 10293及EN 1559-1、EN 1559-2中G20Mn5+QT拱索索夹90mm×90mm大试块力学性能及冲击吸收能量的各项要求。