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KF60自翻车摇枕热裂纹产生的原因分析及防止措施

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【摘要】分析了KF60自翻车摇枕热裂纹的产生原因，并相应在产品冶炼、造型、浇注等方面制定了工艺解决措施，这些措施在摇枕的生产中实施后各项技术质量指标均有大幅度提高。
    KF60摇枕是冶金矿山生产运输设备自翻车上的重要受力备件。车辆承载部分的工作条件十分恶劣，其结构复杂，技术要求严格，一段时间以来，我厂在生产摇枕产品时，部分铸件时断时续地产生裂纹铸造缺陷，有的产品因裂纹缺陷严重而报废，有的产品按照技术标准虽然没达到报废程度，焊修并经热处理后进行了安装使用，但对人力、物力、能源会造成一定程度的浪费，并且危及到矿山的安全运输生产。对此，我们选择了消除摇枕裂纹缺陷作为研究课题，经过一段时间的研究，总结出了解决摇枕裂纹缺陷的工艺措施，保证了摇枕质量的稳步提高。
一、KF60自翻车摇枕产品及工艺简介
    KF60自翻车摇枕的材质为ZG230 —450 ，其化学成分要求为wC=0.20%～0.30% ，wSi=0.20%～0.50% ，wMn=0.50%～0.80%，wP≤0.04% ，wS ≤0.04% ，wCu ≤0.30% ，重量为500kg ，其轮廓尺寸为2285mm×490mm×430 mm，主要壁厚尺寸为16mm，属于框架类结构，箱形断面轮廓大、壁薄，铸造过程中极易出现质量缺陷。铸造方法为手工实样、水玻璃硅砂造型、制芯，分型面如附图所示。铸件大部分放在下箱,心盘处壁最厚，为28mm，并且需要进行机械加工，故设置??180mm 冒口两个。浇注系统由直浇道、横浇道、内浇道组成，且内浇道设置在分型面上，并由摇枕一端沿两侧壁引入砂型型腔。采用5t 碱性电弧炉氧化法冶炼，每炉冶炼钢液8t ，共浇注16个铸件，出钢温度为1620℃，浇注温度1550℃，浇注后2h 打箱，水爆清砂。

二、热裂纹的产生原因分析
    Ⅰ、Ⅱ位置处产生的裂纹在摇枕打箱后经观察发现，在Ⅲ位置处产生的裂纹经机械加工后检查发现。裂纹常呈弯曲状，断口有氧化色，表明是热裂纹，Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ裂纹位置见附图。目前，关于热裂形成机理主要有液膜理论和强度理论。液膜理论认为，当铸件凝固到固相线附近时，晶体周围还有少量未凝固的液体，构成一层薄膜，初期较厚，温度越接近固相线，液膜越薄，当铸件全部凝固时，液膜即消失。合金中若含有较多的低熔点化合物,如钢中的硫和磷，会使实际固相线下移，扩大凝固温度范围，并相应增加凝固期间的收缩量。在结晶末期，当铸件收缩因某种原因受到阻碍时，晶体和晶间液膜内将产生应力。此时晶体和晶间液膜在应力的作用下将被拉伸，当应力足够大时，液膜就会开裂，形成晶间裂缝。
    强度理论认为，合金在固相线上下温度范围内伸长率极低，金属呈脆性断裂，这个温度范围称作“脆性温度区间”。热裂就是在脆性区内形成的，脆性区越大,金属处于低塑性区时间越长，热裂也越易形成。铸件凝固时如能自由收缩，不受外部和内部阻力，即使合金在凝固时呈现较低的强度和塑性，也不至形成热裂。而事实上，铸件由于形状不同，凝固时往往受到铸型、砂芯、铸件结构本身及浇注系统等各种阻力，致使铸件内部产生应力，如果应力超过金属在高温下的强度，即产生热裂。综上所述，我们分析摇枕裂纹产生的原因有以下几个方面。
1.化学成分
    硫对热裂的影响最大。硫含量越高，铸件产生裂纹的温度越低。当大部分钢液凝固后，铸件产生裂纹Ⅰ位置是铸件较厚的圆角部分，壁与壁、壁与筋交接处由于钢液的热量汇集而形成热节，凝固最晚，在枝晶间存在强度低、塑性差的残留富硫液膜，凝固收缩受阻造成开裂。硫化物收缩析出的状态可分三类: 第一类为球状硫化物：第二类为晶界共晶硫化物：第三类为多角型硫化物。铸件表面二类硫化物较多，裂纹多数发生在铸件表面晶界共晶硫化物的应力集中处，所以内控wS ≤0.025% 。
    铝是一种强有力的脱氧剂，炼钢时加适量的铝是提钢液质量的重要措施，铝在钢中呈三种状态存在，即①固溶铝。②氮化铝。③氧化铝和铝酸盐夹杂物。这三种物质之和即是钢总残铝的含量，其中固溶铝、氮化铝在化学分析中属于酸溶铝，氧化铝的化合物不溶于酸,在钢中呈明显的夹杂物存在。
    钢中加铝较多时，它就会大量生成此种夹杂物，电炉炼钢操作不当、加铝量少时也会出现夹杂物和气孔等，因此一般控制含铝量在0.02%～0.04%。钢的质量较好，气孔、夹杂物少，产生裂纹就少; 反之抗脆性差，裂纹就多。氧在钢液中以FeO的形态存在，钢液中氧含量越多，在钢液凝固过程中，FeO因溶解度下降而析出在钢的晶粒周界处越多，降低钢的抗裂性，所以严格控制钢液含氧量为0.006%( 体积分数) 以下。
2.浇注系统
    摇枕浇注系统的设置如附图所示，内浇道在摇枕一端设置，钢液浇注后的凝固顺序是远离内浇道的另一端先凝固，然后逐渐向靠近内浇道处凝固，这种凝固顺序倾向于弱顺序凝固方式，特点是铸件各部位凝固时温差大，产生的应力较大，并在靠近内浇道Ⅰ位置处的型腔由于长时间处于高温钢液的烘烤，产生严重的化学粘砂，凝固阻碍铸件的收缩，致使该位置处产生热裂纹。
3.铸件结构
    由于摇枕属于薄壁箱体类结构，铸件造型、制芯均采用水玻璃硅砂，内腔主要由1 # 、2 # 共3 个大砂芯组成，水玻璃砂型、砂芯退让性较差，所以在钢液凝固时产生很大阻力，对摇枕裂纹的产生有直接影响。
4.浇注温度
    对于薄壁铸件，提高浇注温度可改善充型能力，但随着浇注温度的提高，铸件凝固过程中形成的一次结晶组织粗大，当粗大的等轴晶相互连接后，在铸件中产生热裂的倾向性很大，这是因为等轴晶越粗大，高温强度就越低; 此外，当晶间出现裂纹时，也得不到液态金属的充填使之愈合。因此，在操作上对铸件的浇注温度要严格控制。

三、防止措施

1.熔炼
    (1) 采用碱性电弧炉氧化法工艺进行熔炼。氧化方法用矿石- 氧气结合进行操作，以保证顺利脱磷、去气、去夹杂，氧化应在良好的沸腾条件下进行，脱碳速度为每分钟0.01% ～0.02% 。氧化末期，当碳含量低于成分下限0.08% (质量分数) 时，经充分搅拌取样分析C、Mn、P。进入净沸腾，时间应≥15min。净沸腾5min后，熔池温度≥1620℃时，加锰铁进行预脱氧，使熔池w Mn>0.15% 。
    (2) 还原期充分脱氧，在还原期初期，加纯铝进行预脱氧，用铝终脱氧时，加入量应确保钢液wAl_残=0.02% ～0.04% 。
    (3) 将氩气通到钢包中进行包内精炼。氩气压力一般为0.4 ～0.6MPa ，时间为5 ～8min，钢液不得裸露。
    (4) 控制浇注温度，浇注前测温，镇静钢液，将浇注温度控制在1540 ～1580℃之间。
    (5) 铸件浇注后及时松掉箱卡，以减少收缩阻力。
2.浇注系统
    改变内浇道位置，浇注时钢液由摇枕中间位置引入型腔。铸件凝固顺序倾向于同时凝固，可减少铸件各部温差，从而减少应力，并可防止Ⅰ位置处产生粘砂。
3.设置冷铁和防裂筋
    在圆弧Ⅱ位置处设置圆弧外冷铁，可使该处的凝固速度与相邻断面的凝固速度均衡，取冷铁厚度等于铸件壁厚，并在该位置处设3条防裂筋，厚度等于铸件壁厚的1/3 ，设置防裂筋后，由于其凝固快，强度建立较早,故能承受较大的拉应力，有利于防止该位置产生裂纹。
4.采用铬铁矿砂
    造型时在圆弧Ⅲ 位置处模样表面放置一层厚度为30mm 的铬铁矿砂。由于铬铁矿砂的热导率比硅砂大几倍，可使该处的凝固速度与相邻断面的凝固速度均衡，有利于防止该位置产生裂纹。铬铁矿砂的技术条件:Cr2O3 ≥45 %，SiO2 ≤5 % ，CaO ≤1% ，灼减量≤1%，耐火度1600 ～1800 ℃。
四、效果
    采取改进后的工艺措施共试生产100 件摇枕，经统计原始生产记录，将工艺措施改进前后生产的摇枕技术质量指标进行了对比，结果如附表所示。

    从表中可看出，实施改进的工艺措施后，摇枕的各项技术指标及产品成品率有了显著的提高。
五、结语
    在工艺装备水平一定的情况下，消除摇枕热裂纹以提高其质量的关键是改进工艺技术条件。我们通过不断总结经验，完善工艺技术条件，基本上消除了KF60 自翻车摇枕铸造生产过程中产生的热裂纹缺陷，产品的成品率大幅提高，取得了明显的经济和社会效益。

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