鑄鋼件質(zhì)量分析及質(zhì)量改進措施

■ 徐遠蒙，吳春光，李蔚，陳珍山，張虞婷

我公司采用一臺3t/h電弧爐，主要進行碳鋼、多元低合金鋼以及高鉻白口鑄鐵的熔煉，鑄件應用于電廠磨煤機的備品備件等。這些鑄件在磨煤機上高負荷長時間連續(xù)運轉(zhuǎn)，因而對鑄件的可靠性和耐磨性有嚴格的要求。鑄鋼車間生產(chǎn)工序多，從工藝制訂、模具制作、造型、制芯、烘模、配模，一直到鋼液熔煉、澆注、清理、打磨及熱處理等，其中任一工序質(zhì)量控制不到位，都將對鑄鋼件的質(zhì)量產(chǎn)生一定的影響。

1. 主要質(zhì)量問題

我公司鑄鋼件生產(chǎn)中存在的質(zhì)量問題主要有：外表粘砂、縮孔、氣孔、尺寸偏差、錯型、脆性材質(zhì)的裂紋、硬度不足及變形等。其中較為常見的鑄造缺陷是大件表面粘砂、氣孔，以及冒口下方縮孔。這些問題引起車間技術(shù)人員的足夠重視，通過分析原因，采取了合理有效的措施，防止鑄件的報廢給車間生產(chǎn)和成本造成極大的損失。

2. 質(zhì)量問題的影響因素

質(zhì)量問題的影響因素主要分為兩方面：一是工藝制訂的合理性；二是操作不當引發(fā)的質(zhì)量問題。

（1）工藝問題 是指工藝設(shè)計人員制訂的工藝不合理，引發(fā)的鑄件質(zhì)量問題有縮孔、尺寸偏差、硬度不足、裂紋及變形等，如表1所示。

在鑄鋼件的鑄造工藝設(shè)計上，澆注系統(tǒng)的布置和冒口的尺寸、位置等，都必須根據(jù)鑄件形狀及熱節(jié)大小，經(jīng)過嚴格的工藝設(shè)計，工藝不當容易使鑄件補縮距離不足，在冒口下方產(chǎn)生縮孔。鑄件采用順序凝固的原則，保證鑄件上各部分按照遠離冒口的部分最先凝固，然后是靠近冒口部分，最后是冒口本身凝固的次序進行。加強冒口的補縮作用可以通過在鑄件底部和側(cè)面放置冷鐵、在冒口下方設(shè)置補貼來增加冒口的補縮距離、傾斜10°澆注，以及澆注結(jié)束時從冒口補澆后用保溫劑覆蓋等措施，使鑄件遵循順序凝固的原則，保證縮孔集中在冒口中，從而獲得致密的鑄件。

鑄件的尺寸偏差主要是由于技術(shù)人員對鑄造收縮率的把握不準確所致，鑄造線收縮率應該充分考慮金屬本身的化學成分、澆注溫度、鑄件的結(jié)構(gòu)復雜程度和尺寸的大小，同時應該考慮鑄件在鑄型中的收縮是自由收縮還是受阻收縮，綜合確定實際收縮率。

表1 工藝制訂不合理引發(fā)的質(zhì)量問題

硬度不足的問題主要是由于熱處理工藝不當引起的。熱處理工藝參數(shù)如加熱溫度、加熱速度、保溫時間、冷卻速度等，應根據(jù)鑄件材質(zhì)、壁厚、化學成分等制訂。我公司高鉻白口鑄鐵件采用高溫淬火+中溫回火的熱處理工藝，以獲得高硬度的馬氏體基體，鑄件熱處理后的硬度≥58HRC。

脆性材質(zhì)的裂紋，如高鉻白口鑄鐵，其wCr為18%～21%，硬度高，脆性大，容易產(chǎn)生裂紋。裂紋分為熱裂紋和冷裂紋。熱裂紋外觀特征沿晶界擴散，外形曲折，表面呈氧化色，不光滑。防止熱裂的措施有降低鋼中的硫、磷含量；采用冷鐵加速熱節(jié)冷卻；厚薄搭接處應作出過渡；直角相接觸應作出圓角等。冷裂紋外形是連續(xù)直線或圓滑曲線，常穿過晶粒，斷口有金屬光澤或呈輕微氧化色。預防措施：第一，要制訂合理的鑄造工藝，開箱時間要留足，若過早打箱，由于鑄件溫度高，在空氣中冷卻會加大內(nèi)外溫差，以致引起變形和開裂。第二，要制訂合理的熱處理工藝，消除鑄造應力。對于碳鋼，采用正火+高溫回火處理。圖1為ZG270-500的熱處理工藝。

鑄件在冷卻過程中，可能會由收縮應力引起鑄件外形和尺寸與圖樣不符，發(fā)生變形。截面均勻的鑄件在冷卻速度不均時會發(fā)生撓曲變形。平板鑄件中心部分比邊緣部分冷卻慢，產(chǎn)生拉應力，而邊緣部分產(chǎn)生壓應力，發(fā)生撓曲變形。對于鑄件變形應該盡量減少鑄件冷卻過程中的溫差。具體預防措施：在鑄件厚實處加放冷鐵；控制打箱落砂的時間；放置較重的壓鐵以減少鑄件的撓曲；采取設(shè)置加強筋的方式；平板鑄件適當增大加工余量。

（2）操作問題 作業(yè)人員操作不當、未按工藝執(zhí)行或者違章操作，也是引發(fā)質(zhì)量問題的主要原因之一。常見的鑄造缺陷有粘砂、氣孔和錯型等（見表2）。

粘砂的問題，一方面與涂料的選用、涂刷方法和涂層厚度有關(guān)，涂料一般選用醇基鋯英粉涂料，其耐火度高，抗粘砂性能好，涂刷后涂層致密光滑，能有效抵抗金屬液的滲透，起到良好的抗粘砂作用，涂料涂層厚度不宜太薄。另一方面與砂型的緊實度和強度有關(guān)，砂型緊實度要高。我公司采用樹脂砂和陶白砂兩種造型方式，樹脂砂要求24h抗拉強度≥0.6MPa、24h抗彎強度≥1MPa。另外，粘砂問題還與鋼液澆注溫度有關(guān)，溫度越高，則越容易出現(xiàn)粘砂，因此應適當降低澆注溫度，提高澆注速度。我公司高鉻白口鑄鐵厚大件出爐溫度控制在1400～1450℃，澆注溫度在1360～1400℃，力求高溫出爐，低溫澆注，出鐵后鎮(zhèn)靜3～5min開始澆注；碳鋼件的出爐溫度一般1580～1600℃，出鋼后靜置3min，澆注溫度為1530～1550℃。圖2所示為碳鋼件HP1163輥套，從中可以看出鑄件外表面有粘砂，給清理工作造成困難。

在氣孔問題上，大型鑄鋼件采用陶白砂造型，砂型需要烘干，其烘干工藝如圖3所示。高鉻鑄件由于硬度高，冒口難以清割，常在冒口下放置易割片，其使用時也需要烘干水分。采用樹脂砂造型的鑄件，樹脂砂干透氣性≥240，砂芯要加強出氣，可以通過預埋草繩或出氣繩的方式排氣；醇基涂料要烘干；樹脂、固化劑和原砂的混合比例要適當，我公司樹脂、固化劑、原砂的混合比例為（0.9～1.4）：（0.4～0.9）：100，保證型砂強度和緊實度的同時，降低樹脂、固化劑過多引起的發(fā)氣量。

圖1 ZG270-500的熱處理工藝

表2 操作不當引起的質(zhì)量問題

對于錯型的問題，配模合箱時，至少三個人在場配合，其中兩個人合箱，第三個人在旁邊觀察定位銷，發(fā)現(xiàn)合箱位置有偏差時馬上要求停止。合箱后，擰緊扣箱螺栓，并按照工藝要求用紅泥糊箱，防止?jié)沧r“跑火”。

3. 質(zhì)量改進措施

針對上述關(guān)于質(zhì)量問題的影響因素，車間從管理、操作兩個層面統(tǒng)籌考慮，制訂了以下措施。

（1）明確質(zhì)量管理職責 明確質(zhì)量目標、提高質(zhì)量意識；通過公司每年“質(zhì)量月”活動的契機，明確質(zhì)量的管理職責。

車間技術(shù)管理人員負責工藝管理、工藝監(jiān)督、工藝完善等技術(shù)工作，確保工藝執(zhí)行到位；同時積極深入生產(chǎn)實踐，不斷改進工藝、發(fā)展新工藝，通過改善工藝來提高質(zhì)量。深入生產(chǎn)現(xiàn)場，對生產(chǎn)過程的工藝執(zhí)行、操作質(zhì)量進行監(jiān)督。對出現(xiàn)的質(zhì)量問題進行跟蹤、統(tǒng)計；對缺陷產(chǎn)生的部位、頻次，以及生產(chǎn)過程中的各種因素進行分析，做到持續(xù)跟蹤和改進。

（2）確定技術(shù)攻關(guān)方向 由于產(chǎn)生鑄造缺陷因素具有多樣性，因此尋求完善的過程工藝還需深入實踐。根據(jù)鑄件具體的質(zhì)量問題，制訂合適的鑄造及熱處理工藝來消除鑄缺。

（3）強化質(zhì)量過程控制 針對不同鋼種的特性以及具體鑄件的結(jié)構(gòu)和大小，合理選擇樹脂砂和陶白砂造型以及澆注溫度，來減輕鑄件粘砂的傾向；根據(jù)鑄件大小及壁厚制訂相應的涂料涂刷工藝和涂刷次數(shù)；對型砂的性能進行定期檢測，并作檢定記錄；加強大件配模質(zhì)量的監(jiān)督；通過合理裝爐、改進烘干爐操作工藝，確保砂型烘干；加強車間工藝紀律檢查。

樹立工藝持續(xù)改進和完善的理念，設(shè)定具體工藝發(fā)展方向，嚴格把關(guān)各道生產(chǎn)工序，減輕粘砂、氣孔、縮孔等現(xiàn)象，避免大件報廢，拓展新材料、新工藝，提高生產(chǎn)鑄件的質(zhì)量。

圖2 碳鋼鑄件輥套的粘砂

圖3 砂型的烘干工藝

4. 結(jié)語

通過提高工藝人員的設(shè)計水平，規(guī)范操作工人的操作行為，強化工藝執(zhí)行力度，保證鑄造過程的可控性，確保鑄鋼件成品率的提高，以穩(wěn)定的質(zhì)量迎接市場的考驗。

[1] 李新亞. 鑄造手冊：第5卷鑄造工藝[M].3版.北京：機械工業(yè)出版社. 2011.

[2] 安閣英. 鑄件形成理論[M].北京：機械工業(yè)出版社，1990：248-249.

[3] 廖瓊. 鑄鋼件缺陷及防止措施[J]. 經(jīng)濟技術(shù)協(xié)作信息,2011(15)：149.