厚壁高锰钢导轮的铸造工艺.docx

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1、厚壁高铳钢导轮的铸造工艺摘 要：介绍了厚壁高镒钢导轮的铸造工艺，采用ProCaSt软件对两种工 艺方案进行了数值模拟，选取了铸件内应力较小且应力分布均匀的冒口设计，同 时结合以往的生产经验，最终获得了合格的铸件产品。关键词：导轮；ProCAST；铸造工艺高镒钢具有加工硬化的重要特性，作为一种传统的耐磨材料，以其优异 的耐磨损性能广泛应用于冶金、矿山、建材、铁路、电力、煤炭等机械装备 中。高镒钢铸件凝固收缩大，热导率低，铸造过程中极易出现收缩类缺陷与 裂纹缺陷，而厚大实体类铸件由于凝固时间长，会导致晶粒粗大，组织不够 致密，高温强度低，晶界碳化物、夹杂物多，成分偏析等，因此更易产生热 裂。我公司

2、生产的一种矿山机械用导轮属厚大实体高锦钢铸件，净重1.7 t, 结构尺寸见图Io本文针对此产品，利用Procast模拟技术对比了两种冒口 设计在铸件内形成的应力分布，并介绍了我厂生产此类产品的生产经验。图1导轮铸件结构图Figure 1 Structure diagram of the idler casting1产品技术要求1.1化学成分高钵钢导轮的材质为ASTM A128-E,其化学成分要求见表1。表1化学成分要求(质量分数，%)Tablel Requirement of chemical compositions (mass fraction, %)CSiMnMoSP0. 71.31.0

3、11. 5-140. 91.20.070.071.2性能及无损检测要求渗透检测需达到ASTM E433质量等级2级，射线检测按照ASTM E280的 3级标准验收。铸件不允许做缺陷类焊补，只允许做表面修饰性焊补。表面 硬度450500HBk2冒口及补贴设计2.1设计思路高锦钢的凝固属中间凝固方式，通常情况下冒口的作用区比碳钢大，而 末端区的作用比碳钢小。加之该钢种导热性差，且导轮铸件表面弯曲不平， 重力方向尺寸不大，因此工艺设计时没有在轮缘底部使用外冷铁，着重设计 了冒口的形状和尺寸。高镒钢铸件较容易在冒口下生成裂纹，适于使用缩颈 型冒口，这样可以减少接触热节的尺寸，使铸型内钢液最终凝固的位置

4、即收 缩类缺陷、成分偏析尽量远离铸件本体。在满足补缩通道顺畅、缩孔缩松预 测远离铸件的前提下，设计了两种冒口方案，示意图见图2。方案一，在轮 毂端面设置1个圆形大冒口，将轴孔铸死一部分作为冒口补贴，使得顶部大 冒口可以为整个铸件进行补缩；方案二，在轮毂端面设置1个椭圆形细长形 的冒口，冒口下铸死至轮辐的表面，轴孔内完整铸出，也能实现顶部大冒口 为铸件的两处大热节进行补缩。方案一的钢水总重为3.77t,方案二的钢水总重为3. 15t。(a)方案一(b)方案二图2导轮铸件的两种工艺方案Figure 2 Two kinds of process plan for idler casting2. 2两

5、种方案的应力分析使用成熟的铸造CAE软件ProCAST对上述两种方案进行应力分析，该软 件使用的是有限元方法对成形过程进行数值模拟，其在应力与变形方面模拟 结果较有限差分更为准确，它可以根据用户输入的合金化学成分自动计算产 生模拟所需的物性能数。经过对比发现，对于导轮材质，使用PrOCAST计算 产生的物性参数与专业的材料性能模拟软件JMatPrO所计算出的结果十分接 近，模拟时可任选其一。对方案一纵向剖面的有效应力分布模拟结果如图3,对方案二纵向剖面 的有效应力分布模拟结果如图4,凝固用时t=95000s,从图3可以看到，方案一的有效应力分布并不均匀，在冒口下缩颈部位的心部有效应力较小，而

6、缩颈部位的周边有效应力较大，且在轮毂与轮辐间过渡的转角处应力值较大, 这与以往转角处易产生裂纹的情况相吻合。观察方案二对应的图4中的两个 纵剖面可以发现，铸件内部有效应力分布均匀，呈单方向逐渐变化的趋势， 没有出现局部的应力集中情况，且模拟结果显示的有效应力值也普遍低于方 案一的结果。有效应力MPa156.0145.6135.2124.8114.4104.093.683.272.862.452.041.631.220.810.40.0图 3 方案一对应的有效应力分布图 Figure 3 Effective stress distribution of plan有效应力MPa156.0145.6

7、135.2124.8114.4104.093.683.272.862.452.041.631.220.810.40.0图4方案二对应的有效应力分布图Figure 4 Effective stress distribution of plan 2有效应力MPa 1156.0145.6135.2124.8114.4104.093.683.272.862.452.0 41.31.20.810.4 0.02. 3方案确定方案一在落砂并切割冒口后，铸件毛坯外观质量好，精整打磨工作量小， 但是轴孔内部补贴（铸死区域）需要机械加工去除，由于高镒钢的形变强化作 用会导致加工工时长，加工成本高。而方案二正相反，

8、轴孔内铸造时仅需留 有少量的加工余量，冒口下至轮辐之间补贴采用气割去除，只要措施得当， 壁免切割形成裂纹，则方案二的整体精整工作量会很小。结合铸件内部有效 应力的分布情况，选择了方案二为最终的工艺方案。3生产技术要点2.1 化学成分控制与冶炼S、P是有害元素，低磷低硫是冶炼的最基本要求。由于高的Mn含量会 起到脱硫作用，因此S危害相对较小。P在奥氏体中的溶解度很小，且极易 在晶界和枝晶间偏析形成磷共晶，降低奥氏体晶界强度和结合力，从而使高 镒钢在室温下塑性和强度明显降低，因此P含量应尽量低，冶炼时应使P低 于O. 04%。浇注温度控制在14205。浇注系统采取底注开放式，使金属液 快速平稳地注

9、入铸型，防止整个铸型内的温差过大。3. 2型砂与涂料造型型砂宜用碱性的镁砂、橄榄石砂或中性的铭铁矿砂。铭铁矿砂蓄热 量大，可以使高镭钢散热快一些，是很好的造型材料。最好用镁砂高铝粉或 铭铁矿粉做涂料，以提高铸件表面质量，避免发生化学粘砂。4. 3铸后热处理铸件在1050C均匀化保温，严格防止加热温度过高和保温时间过长，温 度过高或保温时间过长会导致铸件表面严重脱碳，同时奥氏体晶粒和晶界上 也会析出不能消除的脆性共晶碳化物。铸件水韧入水温度不得低于950, 应尽量缩短空中停留时间，入水后，用吊车不停摆动铸件以加速水冷，也可 以使用循环冷却水防止水温过高。水韧处理后，浸水切割冒口。4结论(1)由于在生产前对工艺方案进行了充分的比较论证，并结合了以往的生 产经验，最终该批次的6件导轮铸件均一次性合格发出，仅对个别铸件表面 进行了修饰性点焊。(2)厚壁高镒钢铸件生产时:各序的工艺参数都十分重要，稍有偏差就会 导致收缩类缺陷或裂纹。钢水冶炼时的化学成分、冒口切割时机及热处理工 艺参数都需要严格控制。