高溫高濕環境下鑄鋼件質量的控制

王偉東 胡海成

中車齊齊哈爾車輛有限公司

高溫高濕環境下鑄鋼件質量的控制

王偉東 胡海成

中車齊齊哈爾車輛有限公司

當前，在鋼鐵行業中，高溫高濕期間的鑄件成品率低一直是行業內的頑疾，通過近兩年的數據收集，對環境與生產要素間的關系進行識別，制定改進方案。鑄鋼件通過適當的方式改變或保持有利于其性能的內部組織，使材料塑性更佳、強度更高，并符合一定溫度、壓力和環境下的使用要求，這就是鑄鋼件需要熱處理的目的?；诖?，文章就高溫高濕環境下鑄鋼件質量的控制進行簡要的分析，希望可以提供一個借鑒。

高溫高濕環境；鑄鋼件；質量控制

1.高溫高濕環境對鑄鋼生產的影響

鑄鋼件產品主要應用于制動夾鉗、牽引車鉤、軸箱體等，應用于動車、高鐵上，對產品的內在、外觀質量和尺寸要求非常高，綜合考慮，采用酯硬化水玻璃砂工藝。在高溫高濕環境時，水玻璃和有機酯反應后形成硅酸凝膠，使型砂形成膠結強度，而空氣中的高濃度水蒸氣對該反應過程產生極大阻礙，促使硅酸凝膠水解，最終導致型砂強度瓦解，給鑄件帶來夾砂、夾渣等缺陷。高溫條件下，型砂反應速度加快，導致型砂可使用時間大大降低，容易出現分層問題，砂模報廢傾向加大。

2.鑄鋼件中存在的質量問題

2.1 鑄鋼件內部缺陷

由于鑄鋼件在工藝和澆冒口設計中的某些不足，會導致鑄鋼件的縮孔縮松缺陷。冶煉過程中，又不可避免地會有各種非金屬化合物(簡稱非金屬夾雜物)存在，這些夾雜的存在破壞了金屬基體的連續性，形成的空穴和尖銳角在熱處理時因為應力集中極易產生裂紋，在承受載荷和沖擊時就會導致鑄鋼件斷裂失效。因此，用于抗硫、加氫、高溫、高壓和低溫等特殊工況下的閥門承壓鑄鋼件，一般要求在鑄件熱節部位做拍片處理，并規定缺陷的等級。

2.2 鑄鋼件失效的原因

承壓鑄鋼件在運行中如發生了非正常的斷裂或破損，可以通過對破損斷口的金相分析了解鑄件失效的真實原因，從而找到處理方法。閥門常見的斷裂失效形式主要有幾種情況。①閥體閥蓋的爆裂。②閥桿的彎曲或折斷。③栓接件的斷裂。④閘板T形槽的斷裂。⑤密封面咬合撕裂。⑥特殊工況下SSC、SCC、HSC、HIC等形式的開裂。經過對失效零件的工況分析和斷口金相分析，有助于鑄件材料使用、工作環境、生產工藝、尺寸設計等各環節上作出合理改進。

3.加強高溫高濕環境下鑄鋼件質量的措施

3.1 優化過程控制

(1)水玻璃砂改良。高溫高濕期間，水玻璃模數需要適當降低至2.2～2.4，有機酯采用慢酯，這是常規手段，但型砂條件的改良遠不止于此。設備保障方面，要確保再生系統中冷卻設備的正常運轉，以充分降低回收砂的砂溫，將回收砂的溫度控制在不高于室溫5℃；原材料進料方面，新砂在運輸過程中要做好隔熱措施，否則砂溫可以高達40～50℃，而且降溫極慢。

(2)鉻鐵礦砂改良。以往鉻鐵礦砂的準備方式為手工混制，水玻璃和有機酯加入量難以控制，經常出現水玻璃加入過量的問題。水玻璃吸濕能力很強，同時鉻鐵礦砂相比于普通石英砂蓄熱系數較高，利于空氣中水分子粘附，造成鉻鐵礦砂在高濕環境中極易吸潮，成為澆注過程中氣體缺陷的來源。通過前幾年的數據查詢，發現使用鉻鐵礦砂的產品在高溫高濕期間的廢品率是正常水平的2～3倍。對鉻鐵礦砂的混制方法進行改良，采用碗型混砂機進行混制，將每天用量分為A、B兩等分，A組分僅加入水玻璃充分混制，B組分僅加入有機酯混制，混制完成后單獨存放，使用時將加入同等質量的兩種組分，混勻。以上做法實現了水玻璃、有機酯加入量的精確控制。

3.2 提高技術

鋼件在高溫氧化環境中工作時，表面與氧發生復雜的化學反應生成鐵的多種氧化物層，該氧化物層很疏松，失去了鋼原有的特性，極易脫落。為提高鋼的高溫抗氧化性，可向鋼中加入抗氧化性能比較好的合金元素，從而改變氧化物的結構。常用的合金元素有鉻、硅、鋁等，它們均可與氧反應生成致密、穩定且與鋼件表面牢固結合的Cr2O3，SiO2、Al2O3等氧化膜層，這些氧化膜可以有效阻止氧、硫等腐蝕性氣體向鋼中擴散，也能阻止金屬離子向外擴散，以保護鋼體不再繼續氧化。一定范圍內，鉻、硅、鋁等合金化元素加入量越多，鋼的高溫抗氧化性越好，但硅、鋁等加入量過多時，鋼的力學性能和工藝性會變差。所以，耐熱鋼應以鉻為主要合金元素，以硅、鋁為輔助元素。

鋼的熱強性表示金屬在高溫和載荷長時間作用下抵抗蠕變和斷裂的能力，為了提高耐熱鋼的熱強性，可以采用固溶強化、第二析出相強化和晶界強化等方法。

固溶強化是將某些合金元素加入耐熱鋼中，形成單相過飽和固溶體，從而強化其熱強性。大量研究和實踐表明，固溶強化是提高耐熱鋼熱強性最有效的途徑。因此通常采取向基體中加入一種或幾種合金元素的辦法，以形成單相固溶體，來提高基體金屬的熱強性。而且在元素周期表中合金元素距基體元素位置越遠，強化效果越明顯，Mo、Cr、Mn等是提高金屬基體熱強性效果顯著的幾種合金元素。

3.3 涂料刷涂

實際觀察中發現冷鐵在高濕度環境中吸潮很快，涂料刷涂后無法正常點燃，即使經過表干處理后，冷鐵表面的涂料板結性非常差，極易成為澆注過程中的缺陷來源。實際控制中，當涂料點燃完成后隨即采用煤氣噴燈對冷鐵表面進行烘烤，幫助冷鐵表面涂料的燃燒，實現涂料的常溫固化。高溫高濕環境下，水玻璃奪取空氣中水分子的能力很強，當濕度高時，水玻璃砂表面的穩定性急劇下降，原因在于鈉水玻璃重新發生水合作用，基體中Na+和OH-吸收水分并侵蝕基體，最后使Si-O-Si斷裂重新溶解，大大降低鈉水玻璃砂粘結強度。在沒有針對型砂進行改良時，最好的方法便是在砂模自硬化完成后盡快刷涂料，在型腔與大氣間建立一道屏障，減緩表層型砂的吸濕速度。

綜上，在鑄鋼件的質量控制中，高溫高濕環境的影響作用非常大。因此，需要通過對過程、技術以及涂刷等措施，從而保證鑄鋼件的質量。

[1]李鳳玉.基于數值模擬的大型鑄鋼件質量預測研究[D].哈爾濱理工大學，2005.

[2]牟相山.冒口位置對鑄鋼件質量的影響[J].金屬加工(熱加工)，2012，23：65-66.