敞口式鋁錠模箱體鑄造及熱處理工藝研究

周志勇，孟少峰，白愛琴，陳小花，康 鋒

（1.晉西車軸股份有限公司，山西 太原 030027；2.晉西鐵路車輛有限責(zé)任公司，山西 太原 030027）

敞口式鋁錠模箱體是出口某大型鋁廠澆注鋁錠的模具（如圖1），材質(zhì)是符合美國ASTM標(biāo)準(zhǔn)的A217 WC Modified，屬于低合金鋼，化學(xué)成分見表1，其要求抗拉強(qiáng)度為485Mpa～655Mpa，屈服強(qiáng)度為275Mpa。產(chǎn)品的外形各異，壁厚32mm～55mm，重量約800kg～3000kg。組織要求為回火馬氏體，鐵素體含量不能超過5%。表面粗糙度要求符合SCRATA標(biāo)準(zhǔn)的A1級（內(nèi)表面）和A2級（外表面）標(biāo)準(zhǔn)。氣孔和針孔要求符合C1級（內(nèi)表面）和C2級（外表面）標(biāo)準(zhǔn)。皺褶要求符合D1級（內(nèi)表面）和D2級（外表面）標(biāo)準(zhǔn)。

圖1 敞口式鋁錠模箱體

1 鑄造工藝研究

1.1 鑄造工藝設(shè)計(jì)

鑄件結(jié)構(gòu)簡單，壁厚較薄，產(chǎn)生冷隔紋、澆不足的可能性較大，表面質(zhì)量不好控制，經(jīng)過模擬計(jì)算設(shè)計(jì)出合理的澆注系統(tǒng)、冒口，增設(shè)冷鐵避免產(chǎn)生縮松等缺陷[1]。

采用酯硬化水玻璃砂工藝造型制芯（如圖2），在熱節(jié)部位放置鉻礦砂或冷鐵，以消除鑄件縮松縮孔缺陷[2]的產(chǎn)生。內(nèi)澆口用成型陶瓷變徑，以提高充型平穩(wěn)性（如圖3所示）。

圖2 砂型

圖3 澆注系統(tǒng)

1.2 煉鋼要求

熔清碳要求大于0.50%，氧化終點(diǎn)碳控制在0.08%～0.10%左右，渣中FeO含量小于0.6%。出鋼溫度為1595℃～1610℃，澆鑄溫度為1550℃～1585℃。澆注完后砂箱靜置待鑄件冷卻后開箱清砂，如圖4。

表1 A217 WC Modified化學(xué)成分

圖4 開箱及最終產(chǎn)品

2 熱處理工藝

2.1 熱處理方案制定

根據(jù)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、外形尺寸及金相組織和力學(xué)性能的標(biāo)準(zhǔn)要求，熱處理方法為淬火+高溫回火。淬火加熱溫度設(shè)定為900℃±15℃。采用L9（34）正交試驗(yàn)[3]對其他因素進(jìn)行工藝試驗(yàn)。

2.2 試驗(yàn)結(jié)果

對熱處理后的試件進(jìn)行了金相試樣制備和金相組織檢測。

1#、2#、3#方案為保溫時(shí)間3h，加熱速度分別為80℃/h、100℃/h、120℃/h，入水時(shí)間分別為60s、90s、120s，顯微組織如圖5（a）、（b）、（c）。經(jīng)檢測鐵素體含量分別15%、17%、50%（呈大片狀分布），均不符合要求。

圖5 方案1#、2#、3#顯微組織（400×）

4#、5#、6#方案為保溫時(shí)間4h，加熱速度分別80℃/h、100℃/h、120℃/h，入水時(shí)間90s、120s、60s，顯微組織如圖6（a）、（b）、（c）；經(jīng)檢測，4#方案鐵素體含量為4.5%，符合要求；5#、6#方案鐵素體含量分別為10.5%（呈片狀分布）、8%，均不符合要求。

圖6 方案4#、5#、6#顯微組織（400×）

7#、8#、9#方案為保溫時(shí)間5h，加熱速度80℃/h、100℃/h、120℃/h，入水時(shí)間120s、60s、90s，顯微組織如圖7（a）、（b）、（c）；經(jīng)檢測7#方案鐵素體呈片狀分布，含量為7.5%，不符合要求；8#、9#方案鐵素體含量分別為4%、5%，符合要求。

圖7 方案7#、8#、9#顯微組織（400×）

2#、4#方案試樣進(jìn)行了力學(xué)性能檢測，力學(xué)性能見表2。

表2 試樣力學(xué)性能結(jié)果

3 熱處理工藝參數(shù)的制定

根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知：

（1）當(dāng)保溫時(shí)間較短時(shí)，組織含有大量的片狀鐵素體，抗拉強(qiáng)度較高，塑性較低，脆性很大。

（2）當(dāng)加熱速度較快時(shí)，析出片狀鐵素體，組織無法完全均勻化，影響組織形成及降低力學(xué)性能。

（3）當(dāng)入水時(shí)間（冷卻速度）較長時(shí)，會出現(xiàn)粗大枝晶，影響材料的金相組織形成和降低力學(xué)性能。

根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果確定熱處理工藝，具體步驟如下：

（1）鑄件以每小時(shí)80℃的加熱速度加熱到900℃±15℃，保溫4h。

（2）鑄件出爐后水冷，鑄件自出爐至入水時(shí)間不大于90s。

（3）空冷后鑄件重新裝爐，以每小時(shí)80℃的加熱速度加熱到675℃～700℃，至少保溫4h。

（4）等待爐溫冷卻到500℃以下，鑄件出爐空冷。

4 結(jié)論

通過對A217 WC Modified鑄造工藝設(shè)計(jì)，并通過研究試樣L9（34）正交試驗(yàn)熱處理后的組織及性能，最終確定了A217 WC Modified鋁錠模的生產(chǎn)工藝。