淺議鋼熔模鑄件中殘留鋁的合理含量

潘玉洪

淺議鋼熔模鑄件中殘留鋁的合理含量

潘玉洪

通過(guò)對(duì)結(jié)構(gòu)鋼熔模鑄件化學(xué)成分中的殘留鋁的實(shí)驗(yàn)分析，提出了工頻爐（酸性爐襯）熔煉中殘留鋁的合理含量，以及如何控制殘留鋁的含量。對(duì)編制熔模鑄鋼件通用技術(shù)條件，或指導(dǎo)生產(chǎn)有一定的實(shí)際作用。

熔模鑄件；殘留鋁；鑄件斷裂；標(biāo)準(zhǔn)修訂

1 提出問(wèn)題

筆者在編制一機(jī)部重企標(biāo)準(zhǔn) “鑿巖機(jī)械與氣動(dòng)工具 結(jié)構(gòu)鋼熔模鑄件通用技術(shù)條件”期間，所在工廠收到從某礦山寄來(lái)的一些報(bào)廢鑄件。這些鑄件的材質(zhì)為RZG45；斷裂的部位基本相同——鑄件受力截面最小處；借助放大鏡觀察斷口：斷口比較平齊而且光亮，斷口呈人字或放射花樣。由此判斷是脆性斷裂。所謂脆性斷裂是金屬材料受到?jīng)_擊力后幾乎沒(méi)有發(fā)生明顯的塑性變形就突然發(fā)生的斷裂。材料的脆性是引起脆性斷裂的重要原因。

2 鑄件斷裂原因分析

2.1 常規(guī)檢驗(yàn)

（1）化學(xué)成分

合金中含磷元素含量高，易引起脆斷；而本次化驗(yàn)的 C、Si、Mn、S和 P， 均在合格的范圍內(nèi)。

（2）金相組織

金相組織符合鑄件出廠標(biāo)準(zhǔn)要求。

（3）什么原因產(chǎn)生的脆斷呢？

查閱資料[1]：鑄件中殘留鋁過(guò)量。在電鏡（×7200）下觀察，形成的氮化鋁沿著初始奧氏體晶界呈點(diǎn)狀或網(wǎng)狀分布，引起鑄件脆性斷裂。

2.2 化驗(yàn)殘留鋁

經(jīng)對(duì)十幾個(gè)鑄件取樣，化驗(yàn)鑄件的殘留鋁（指酸溶鋁的殘留鋁，以[Al]殘表示）。 [Al]殘＝0.086%，可以認(rèn)定鑄件中殘留鋁過(guò)高，是這批鑄件產(chǎn)生脆性斷裂的主要原因。

3 鋁的最佳殘留量

使用工頻爐熔煉時(shí)，鋁是最常用的鎮(zhèn)靜劑和終脫氧劑。金屬液中，鋁的加入量少，起不到鎮(zhèn)靜和脫氧作用；脫氧不足，使鑄件產(chǎn)生氣孔等缺陷。鋁的加入量多，使鑄件的殘留鋁過(guò)高，引起鑄件的機(jī)械性能下降，尤其是塑性和沖擊韌性下降，促使鑄件產(chǎn)生脆性斷裂。

由此可見，鑄件中殘留鋁的多少，直接影響到鑄件的質(zhì)量。那么，對(duì)于熔模鑄造結(jié)構(gòu)鋼鑄件的最佳殘留鋁是多少呢？筆者做了如下的實(shí)驗(yàn)。

3.1 制備試樣

在500kg無(wú)芯工頻感應(yīng)爐中（酸性爐襯）熔煉，精煉期加入鎮(zhèn)靜用鋁200g。當(dāng)金屬液升溫至1580～1600℃（光學(xué)高溫計(jì)，未校正）時(shí)，用鋁進(jìn)行終脫氧（加入量500g）。停電2分鐘，扒渣出鋼。

在澆包中預(yù)先放入不同重量的補(bǔ)充脫氧用鋁，從而得到了不同殘留鋁含量的五種單根成型試樣。

3.2 試樣的化學(xué)成分與機(jī)械性能

（1）試樣的化學(xué)成分見表1。

表1 試樣的化學(xué)成分

（2）機(jī)械性能

單根成型試樣經(jīng)857℃～863℃，20分鐘正火處理，單根成型拉伸試樣未經(jīng)機(jī)加工，一次沖擊試樣經(jīng)過(guò)磨加工，機(jī)械性能結(jié)果見圖1。

圖1 試樣中的殘留鋁量與其機(jī)械性能的關(guān)系注：在西安交通大學(xué)強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)室做的機(jī)械性能實(shí)驗(yàn)。每組數(shù)據(jù)選用5支試樣，取其算術(shù)平均值

3.3 實(shí)驗(yàn)分析

由圖1可以看出：當(dāng)試樣中的殘留鋁在0.033%～0.067%之間時(shí)，隨著殘留鋁的增加，其機(jī)械性能提高；當(dāng)殘留鋁超過(guò)0.067%時(shí)，機(jī)械性能開始下降，尤其是沖擊韌性顯著下降。這是因?yàn)檫^(guò)多的殘留鋁二次氧化導(dǎo)致金屬液被夾雜物沾污，加之氮化鋁在晶界析出，使其機(jī)械性能顯著下降。

上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：RZG45熔模鑄件中的殘留鋁應(yīng)為0.03%～0.065%。

4 生產(chǎn)中如何控制殘留鋁

4.1 影響鑄件中殘留鋁的因素

在500kg無(wú)芯工頻感應(yīng)爐中（酸性爐襯）熔煉。

為了排除其他因素的影響，利用同一爐金屬液在不同時(shí)間段取樣，共實(shí)驗(yàn)5爐，結(jié)果相近，其過(guò)程與結(jié)果如圖2和表2，表2為其中1爐的數(shù)據(jù)。

圖2 金屬液在爐中停留時(shí)間與殘留鋁的關(guān)系

4.2 實(shí)驗(yàn)分析

（1）從試樣001和002可以看出，在爐料熔化過(guò)程中，爐料中的殘留鋁很快被氧化燒損（燒損率約97.8%）。這是由于鋁與氧的親和力很強(qiáng)的原因，所以在熔煉時(shí)，不必考慮爐料中的殘留鋁。

同樣從試樣003可以看出，加入的鎮(zhèn)靜用鋁也幾乎被燒損（燒損率約85.7%）。

所以，在正常使用范圍內(nèi)，也應(yīng)不予考慮。有的生產(chǎn)單位在工藝中明確規(guī)定鎮(zhèn)靜用鋁包括在終脫氧用鋁的范圍內(nèi)，是不妥的。

（2）從 試 樣 006、008、009、011、012 和014可以看出，在澆包中加入鋁，其燒損率很低，約為3.4%～6.7%，這種補(bǔ)充脫氧的方法是確保鑄件中最佳殘留鋁的關(guān)鍵。

生產(chǎn)中應(yīng)嚴(yán)格控制補(bǔ)充脫氧用鋁量。

（3）加入終脫氧用鋁，靜置2分鐘，金屬液中的鋁燒損率較高，約為50%～60%。這是因?yàn)榇藭r(shí)的金屬液溫度高，鋁的加入量多；金屬液有明顯的“沸騰”現(xiàn)象，與空氣的接觸幾率多；因此燒損率較高。隨著金屬液在爐中停留時(shí)間的延長(zhǎng)，金屬液溫度的降低，以及與空氣接觸時(shí)間的減少，鋁的燒損率明顯減少。

表2 取樣過(guò)程與結(jié)果

在熔煉工藝中應(yīng)嚴(yán)格規(guī)定終脫氧后的出鋼時(shí)間，應(yīng)為2分鐘為宜。

（4）金屬液在澆注過(guò)程中，由于殘留鋁的二次氧化，殘留鋁的燒損率約在50%；為此，在生產(chǎn)中要盡量提高澆注速度。

有些熔煉工藝只重視終脫氧用鋁在爐內(nèi)的燒損，而忽略了在澆注過(guò)程中殘留鋁的二次氧化；致使殘留鋁太少，補(bǔ)充脫氧不足，而使鑄件因有氣孔報(bào)廢。

5 編制通用技術(shù)條件

5.1 鑄件的分類

在參照三機(jī)部 “結(jié)構(gòu)鋼精密鑄件技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)”和“鑿巖機(jī)械與氣動(dòng)工具 結(jié)構(gòu)鋼熔模鑄件通用技術(shù)條件”的基礎(chǔ)上，按照鑄件的檢驗(yàn)項(xiàng)目，筆者認(rèn)為應(yīng)把熔模鑄件的合格品分為三類：見表3。

表3 熔模鑄件的分類標(biāo)準(zhǔn)

5.2 化學(xué)成分

當(dāng)時(shí)按照鑿巖機(jī)械與氣動(dòng)工具行業(yè)正常使用的熔模鑄造鋼種和化學(xué)成分分為：碳鋼和低合金鋼兩種。

（1）碳鋼

碳鋼的化學(xué)成分見表4。

表4 碳鋼的化學(xué)成分

（2）低合金鋼

低合金鋼的化學(xué)成分見表5。

表5 低合金鋼的化學(xué)成分

6 結(jié)論

（1）熔煉結(jié)構(gòu)鋼熔模鑄件時(shí)，殘留鋁應(yīng)為0.03%～0.065%；

（2）爐料中的殘留鋁和鎮(zhèn)靜用鋁不計(jì)算在終脫氧用鋁量之內(nèi)；

（3）終脫氧用鋁不僅在爐內(nèi)燒損50%～60%，而且殘留鋁在澆注過(guò)程中仍然二次氧化，燒損50%～60%；

（4）為了使結(jié)構(gòu)鋼熔模鑄件中的殘留鋁在0.03%～0.065%范圍內(nèi)，鋁在爐中和澆注過(guò)程中的燒損均以50%計(jì)算，則爐中加入終脫氧用鋁應(yīng)為0.12%～0.23%。如果金屬液的重量為500kg，需加鋁600～1400克。這樣多的鋁一次性加入，既不經(jīng)濟(jì)又會(huì)影響鑄件的質(zhì)量；所以生產(chǎn)中采用二次加入法，即第一次爐內(nèi)終脫氧，加入量為0.10%～0.12%（鋁的加入量與爐料的銹蝕有關(guān)，爐料銹蝕嚴(yán)重時(shí)，加入量取上限；反之取下限）。第二次在澆包中加入補(bǔ)充脫氧用鋁0.02%～0.05%；

（5）使用工頻爐，或中頻爐熔煉結(jié)構(gòu)鋼時(shí)，應(yīng)嚴(yán)格控制殘留鋁；尤其是機(jī)械性能不合格時(shí)，應(yīng)化驗(yàn)鑄件中的殘留鋁。

（6）目前國(guó)內(nèi)仍然沒(méi)有一部熔模鑄件的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，本文提出的論點(diǎn)可供以后編制國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)時(shí)參考。

[1]JB/ZQ6001-81，鑿巖機(jī)械與氣動(dòng)工具 結(jié)構(gòu)鋼熔模鑄件通用技術(shù)條件 （中華人民共和國(guó)第一機(jī)械工業(yè)部重企標(biāo)準(zhǔn)）[S].

[2]JB/SQ17-87，鑿巖機(jī)械與氣動(dòng)工具結(jié)構(gòu)鋼熔模鑄件通用技術(shù)條件 （國(guó)家機(jī)械工業(yè)委員會(huì)工程農(nóng)業(yè)機(jī)械局）[S].

[3]HB5001-73，結(jié)構(gòu)鋼精密鑄件技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)（中華人民共和國(guó)第三機(jī)械工業(yè)部部標(biāo)準(zhǔn)）[S].

TG206 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

潘玉洪（1942－），男，遼寧丹東市人，本科，高級(jí)工程師，主要研究方向：熔模鑄造工藝。