【摘要】 分析了KF60自翻車搖枕熱裂紋的產(chǎn)生原因，并相應(yīng)在產(chǎn)品冶煉、造型、澆注等方面制定了工藝解決措施，這些措施在搖枕的生產(chǎn)中實施后各項技術(shù)質(zhì)量指標均有大幅度提高。
    KF60搖枕是冶金礦山生產(chǎn)運輸設(shè)備自翻車上的重要受力備件。車輛承載部分的工作條件十分惡劣，其結(jié)構(gòu)復(fù)雜，技術(shù)要求嚴格，一段時間以來，我廠在生產(chǎn)搖枕產(chǎn)品時，部分鑄件時斷時續(xù)地產(chǎn)生裂紋鑄造缺陷，有的產(chǎn)品因裂紋缺陷嚴重而報廢，有的產(chǎn)品按照技術(shù)標準雖然沒達到報廢程度，焊修并經(jīng)熱處理后進行了安裝使用，但對人力、物力、能源會造成一定程度的浪費，并且危及到礦山的安全運輸生產(chǎn)。對此，我們選擇了消除搖枕裂紋缺陷作為研究課題，經(jīng)過一段時間的研究，總結(jié)出了解決搖枕裂紋缺陷的工藝措施，保證了搖枕質(zhì)量的穩(wěn)步提高。
一、KF60自翻車搖枕產(chǎn)品及工藝簡介 
    KF60自翻車搖枕的材質(zhì)為ZG230 —450 ，其化學成分要求為wC=0.20%～0.30% ，wSi=0.20%～0.50% ，wMn=0.50%～0.80%，wP≤0.04% ，wS ≤0.04% ，wCu ≤0.30% ，重量為500kg ，其輪廓尺寸為2285mm×490mm×430 mm，主要壁厚尺寸為16mm，屬于框架類結(jié)構(gòu)，箱形斷面輪廓大、壁薄，鑄造過程中極易出現(xiàn)質(zhì)量缺陷。鑄造方法為手工實樣、水玻璃硅砂造型、制芯，分型面如附圖所示。鑄件大部分放在下箱,心盤處壁最厚，為28mm，并且需要進行機械加工，故設(shè)置??180mm 冒口兩個。澆注系統(tǒng)由直澆道、橫澆道、內(nèi)澆道組成，且內(nèi)澆道設(shè)置在分型面上，并由搖枕一端沿兩側(cè)壁引入砂型型腔。采用5t 堿性電弧爐氧化法冶煉，每爐冶煉鋼液8t ，共澆注16個鑄件，出鋼溫度為1620℃，澆注溫度1550℃，澆注后2h 打箱，水爆清砂。
         
二、熱裂紋的產(chǎn)生原因分析 
    Ⅰ、Ⅱ位置處產(chǎn)生的裂紋在搖枕打箱后經(jīng)觀察發(fā)現(xiàn)，在Ⅲ位置處產(chǎn)生的裂紋經(jīng)機械加工后檢查發(fā)現(xiàn)。裂紋常呈彎曲狀，斷口有氧化色，表明是熱裂紋，Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ裂紋位置見附圖。目前，關(guān)于熱裂形成機理主要有液膜理論和強度理論。液膜理論認為，當鑄件凝固到固相線附近時，晶體周圍還有少量未凝固的液體，構(gòu)成一層薄膜，初期較厚，溫度越接近固相線，液膜越薄，當鑄件全部凝固時，液膜即消失。合金中若含有較多的低熔點化合物,如鋼中的硫和磷，會使實際固相線下移，擴大凝固溫度范圍，并相應(yīng)增加凝固期間的收縮量。在結(jié)晶末期，當鑄件收縮因某種原因受到阻礙時，晶體和晶間液膜內(nèi)將產(chǎn)生應(yīng)力。此時晶體和晶間液膜在應(yīng)力的作用下將被拉伸，當應(yīng)力足夠大時，液膜就會開裂，形成晶間裂縫。 
    強度理論認為，合金在固相線上下溫度范圍內(nèi)伸長率極低，金屬呈脆性斷裂，這個溫度范圍稱作“脆性溫度區(qū)間”。熱裂就是在脆性區(qū)內(nèi)形成的，脆性區(qū)越大,金屬處于低塑性區(qū)時間越長，熱裂也越易形成。鑄件凝固時如能自由收縮，不受外部和內(nèi)部阻力，即使合金在凝固時呈現(xiàn)較低的強度和塑性，也不至形成熱裂。而事實上，鑄件由于形狀不同，凝固時往往受到鑄型、砂芯、鑄件結(jié)構(gòu)本身及澆注系統(tǒng)等各種阻力，致使鑄件內(nèi)部產(chǎn)生應(yīng)力，如果應(yīng)力超過金屬在高溫下的強度，即產(chǎn)生熱裂。綜上所述，我們分析搖枕裂紋產(chǎn)生的原因有以下幾個方面。
1.化學成分 
    硫?qū)崃训挠绊懽畲蟆Ａ蚝吭礁撸T件產(chǎn)生裂紋的溫度越低。當大部分鋼液凝固后，鑄件產(chǎn)生裂紋Ⅰ位置是鑄件較厚的圓角部分，壁與壁、壁與筋交接處由于鋼液的熱量匯集而形成熱節(jié)，凝固最晚，在枝晶間存在強度低、塑性差的殘留富硫液膜，凝固收縮受阻造成開裂。硫化物收縮析出的狀態(tài)可分三類: 第一類為球狀硫化物：第二類為晶界共晶硫化物：第三類為多角型硫化物。鑄件表面二類硫化物較多，裂紋多數(shù)發(fā)生在鑄件表面晶界共晶硫化物的應(yīng)力集中處，所以內(nèi)控wS ≤0.025% 。 
    鋁是一種強有力的脫氧劑，煉鋼時加適量的鋁是提鋼液質(zhì)量的重要措施，鋁在鋼中呈三種狀態(tài)存在，即①固溶鋁。②氮化鋁。③氧化鋁和鋁酸鹽夾雜物。這三種物質(zhì)之和即是鋼總殘鋁的含量，其中固溶鋁、氮化鋁在化學分析中屬于酸溶鋁，氧化鋁的化合物不溶于酸,在鋼中呈明顯的夾雜物存在。 
    鋼中加鋁較多時，它就會大量生成此種夾雜物，電爐煉鋼操作不當、加鋁量少時也會出現(xiàn)夾雜物和氣孔等，因此一般控制含鋁量在0.02%～0.04%。鋼的質(zhì)量較好，氣孔、夾雜物少，產(chǎn)生裂紋就少; 反之抗脆性差，裂紋就多。氧在鋼液中以FeO的形態(tài)存在，鋼液中氧含量越多，在鋼液凝固過程中，F(xiàn)eO因溶解度下降而析出在鋼的晶粒周界處越多，降低鋼的抗裂性，所以嚴格控制鋼液含氧量為0.006%( 體積分數(shù)) 以下。
2.澆注系統(tǒng) 
    搖枕澆注系統(tǒng)的設(shè)置如附圖所示，內(nèi)澆道在搖枕一端設(shè)置，鋼液澆注后的凝固順序是遠離內(nèi)澆道的另一端先凝固，然后逐漸向靠近內(nèi)澆道處凝固，這種凝固順序傾向于弱順序凝固方式，特點是鑄件各部位凝固時溫差大，產(chǎn)生的應(yīng)力較大，并在靠近內(nèi)澆道Ⅰ位置處的型腔由于長時間處于高溫鋼液的烘烤，產(chǎn)生嚴重的化學粘砂，凝固阻礙鑄件的收縮，致使該位置處產(chǎn)生熱裂紋。
3.鑄件結(jié)構(gòu) 
    由于搖枕屬于薄壁箱體類結(jié)構(gòu)，鑄件造型、制芯均采用水玻璃硅砂，內(nèi)腔主要由1 # 、2 # 共3 個大砂芯組成，水玻璃砂型、砂芯退讓性較差，所以在鋼液凝固時產(chǎn)生很大阻力，對搖枕裂紋的產(chǎn)生有直接影響。
4.澆注溫度 
    對于薄壁鑄件，提高澆注溫度可改善充型能力，但隨著澆注溫度的提高，鑄件凝固過程中形成的一次結(jié)晶組織粗大，當粗大的等軸晶相互連接后，在鑄件中產(chǎn)生熱裂的傾向性很大，這是因為等軸晶越粗大，高溫強度就越低; 此外，當晶間出現(xiàn)裂紋時，也得不到液態(tài)金屬的充填使之愈合。因此，在操作上對鑄件的澆注溫度要嚴格控制。

三、防止措施

1.熔煉 
    (1) 采用堿性電弧爐氧化法工藝進行熔煉。氧化方法用礦石- 氧氣結(jié)合進行操作，以保證順利脫磷、去氣、去夾雜，氧化應(yīng)在良好的沸騰條件下進行，脫碳速度為每分鐘0.01% ～0.02% 。氧化末期，當碳含量低于成分下限0.08% (質(zhì)量分數(shù)) 時，經(jīng)充分攪拌取樣分析C、Mn、P。進入凈沸騰，時間應(yīng)≥15min。凈沸騰5min后，熔池溫度≥1620℃時，加錳鐵進行預(yù)脫氧，使熔池w Mn>0.15% 。 
    (2) 還原期充分脫氧，在還原期初期，加純鋁進行預(yù)脫氧，用鋁終脫氧時，加入量應(yīng)確保鋼液wAl_殘=0.02% ～0.04% 。 
    (3) 將氬氣通到鋼包中進行包內(nèi)精煉。氬氣壓力一般為0.4 ～0.6MPa ，時間為5 ～8min，鋼液不得裸露。 
    (4) 控制澆注溫度，澆注前測溫，鎮(zhèn)靜鋼液，將澆注溫度控制在1540 ～1580℃之間。 
    (5) 鑄件澆注后及時松掉箱卡，以減少收縮阻力。
2.澆注系統(tǒng) 
    改變內(nèi)澆道位置，澆注時鋼液由搖枕中間位置引入型腔。鑄件凝固順序傾向于同時凝固，可減少鑄件各部溫差，從而減少應(yīng)力，并可防止Ⅰ位置處產(chǎn)生粘砂。
3.設(shè)置冷鐵和防裂筋 
    在圓弧Ⅱ位置處設(shè)置圓弧外冷鐵，可使該處的凝固速度與相鄰斷面的凝固速度均衡，取冷鐵厚度等于鑄件壁厚，并在該位置處設(shè)3條防裂筋，厚度等于鑄件壁厚的1/3 ，設(shè)置防裂筋后，由于其凝固快，強度建立較早,故能承受較大的拉應(yīng)力，有利于防止該位置產(chǎn)生裂紋。
4.采用鉻鐵礦砂 
    造型時在圓弧Ⅲ 位置處模樣表面放置一層厚度為30mm 的鉻鐵礦砂。由于鉻鐵礦砂的熱導(dǎo)率比硅砂大幾倍，可使該處的凝固速度與相鄰斷面的凝固速度均衡，有利于防止該位置產(chǎn)生裂紋。鉻鐵礦砂的技術(shù)條件:Cr2O3 ≥45 %，SiO2 ≤5 % ，CaO ≤1% ，灼減量≤1%，耐火度1600 ～1800 ℃。
四、效果 
    采取改進后的工藝措施共試生產(chǎn)100 件搖枕，經(jīng)統(tǒng)計原始生產(chǎn)記錄，將工藝措施改進前后生產(chǎn)的搖枕技術(shù)質(zhì)量指標進行了對比，結(jié)果如附表所示。
         
    從表中可看出，實施改進的工藝措施后，搖枕的各項技術(shù)指標及產(chǎn)品成品率有了顯著的提高。
五、結(jié)語 
    在工藝裝備水平一定的情況下，消除搖枕熱裂紋以提高其質(zhì)量的關(guān)鍵是改進工藝技術(shù)條件。我們通過不斷總結(jié)經(jīng)驗，完善工藝技術(shù)條件，基本上消除了KF60 自翻車搖枕鑄造生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的熱裂紋缺陷，產(chǎn)品的成品率大幅提高，取得了明顯的經(jīng)濟和社會效益。