高錳鋼鑄件氧化膜缺陷的防止

趙 卓

（中鐵山橋集團(tuán)有限公司，秦皇島 066200）

高錳鋼力學(xué)性能優(yōu)良，具有在強(qiáng)烈沖擊、擠壓條件下，表層迅速發(fā)生硬化的特性，使其在心部仍保持奧氏體良好的韌性和塑性的同時(shí)硬化層具有良好的耐磨性能，這使得高錳鋼被廣泛應(yīng)用在軌道交通、礦山機(jī)械、軍工及農(nóng)機(jī)等行業(yè)中。

中鐵山橋集團(tuán)有限公司（以下簡(jiǎn)稱“我公司”）自1961年開(kāi)始生產(chǎn)高錳鋼轍叉，年生產(chǎn)能力近20000噸，品種多樣。在用鎂橄欖石砂造型生產(chǎn)線生產(chǎn)的轍叉產(chǎn)品表面出現(xiàn)大量“皺褶”，尤其耳板、翼軌頂面等厚度較小部位較集中，如圖1和圖2所示。這些“皺褶”較堅(jiān)硬，打磨處理很難達(dá)到理想狀態(tài)，嚴(yán)重影響產(chǎn)品表面質(zhì)量。

圖1 立墻缺陷

圖2 底板缺陷

圖1 和圖2所示缺陷深度最淺的不足1mm，最深可達(dá)2～3mm，對(duì)產(chǎn)品表面質(zhì)量影響很大。

1 鑄造工藝及缺陷分析

1.1 鑄造工藝

造型采用鎂橄欖石砂、水玻璃及有機(jī)酯固化劑與CO2反應(yīng)硬化，由于轍叉長(zhǎng)度尺寸較大，采用一端雙內(nèi)澆道傾斜澆注，傾斜角度根據(jù)產(chǎn)品長(zhǎng)度不同略有差異，約為5℃。澆注溫度1470℃，并有2～3次補(bǔ)澆，開(kāi)箱清砂后進(jìn)行熱處理、水韌處理。

1.2 缺陷檢測(cè)

首先針對(duì)缺陷較集中的底板部位進(jìn)行取樣（見(jiàn)圖3和圖4），同時(shí)采集趾、跟端不同位置的兩個(gè)試樣進(jìn)行分析。

圖3 趾端試樣

圖4 跟端試樣

然后利用掃描電鏡和能譜分析儀對(duì)缺陷部位進(jìn)行掃描分析，以觀察缺陷部位微觀形貌和元素組成情況。

圖5顯示了轍叉趾、跟（圖def）端底板部位（圖abc）的微觀缺陷以及成分分析。成分分析結(jié)果顯示，缺陷中檢測(cè)到大量的Fe、Mn、O元素,缺陷中含有較多的元素O，說(shuō)明該部位鋼液已被O2氧化。

圖5 微觀缺陷

“皺褶”形態(tài)類似“冷隔”，因此，導(dǎo)致局部應(yīng)力集中，產(chǎn)生裂紋。利用金相顯微鏡對(duì)氧化膜缺陷較嚴(yán)重部位進(jìn)行,觀察，并與沒(méi)有缺陷部位進(jìn)行對(duì)比，如圖6和圖7所示。

圖6 沒(méi)有缺陷的試件

圖7 有缺陷的試件

從圖7可以看出，局部出現(xiàn)了裂紋，因此氧化膜缺陷在影響產(chǎn)品表面質(zhì)量的同時(shí)也導(dǎo)致產(chǎn)品內(nèi)部出現(xiàn)了裂紋。

1.3 原因分析

在澆注過(guò)程中，鋼液與空氣接觸，鋼液中的Mn、Fe等較活躍金屬被空氣中的O2氧化，形成金屬氧化物，生成一層氧化膜。由于澆注方式為傾斜澆注，鋼液進(jìn)入型腔后流動(dòng)較快，氧化膜被沖散，附在型腔表面，當(dāng)鋼液充滿型腔、凝固時(shí)，氧化膜碎片在鑄件表面附著，最終形成表面一層厚度從不足1mm到3mm的“皺褶”。

2 氧化膜缺陷的防止措施

2.1 刷涂樹(shù)脂

根據(jù)氧化膜缺陷檢測(cè)和分析結(jié)果，若要避免發(fā)生氧化膜缺陷，就必須減少鋼液與空氣或氧氣的接觸，由于高錳鋼轍叉產(chǎn)品屬于較大型鑄件，靠提高澆注速度來(lái)實(shí)現(xiàn)減少鋼液與氧氣接觸時(shí)間的方法難以實(shí)現(xiàn)。因此，采用消除型腔中氧氣的方法從根本上避免鋼液與氧氣接觸。在型腔內(nèi)部刷涂樹(shù)脂凃劑，采用酚醛樹(shù)脂醇基涂劑，酚醛樹(shù)脂是一種復(fù)雜的碳?xì)浠衔铮?dāng)高溫液態(tài)金屬注入型腔后，樹(shù)脂迅即分解。這種高溫快速分解的產(chǎn)物是高級(jí)烴。型腔內(nèi)有氧氣存在使之燃燒，這樣型腔內(nèi)的氧氣幾乎全部除掉，即使殘留一點(diǎn)，也不具有產(chǎn)生氧化膜所必要的氧分壓，從而在根本上破壞了氧化膜的生成條件。此外，鋼液表面的一層高級(jí)烴在極高溫度下會(huì)裂解為低級(jí)烴、碳和氫。從澆包口和澆道中產(chǎn)生的氧化膜，在氫的作用下可還原除去，從而達(dá)到完全防止氧化膜缺陷發(fā)生的目的。但由于樹(shù)脂燃燒也會(huì)產(chǎn)生大量氣體，因此樹(shù)脂僅刷涂在底板及其圓弧連接處、護(hù)軌等氧化膜缺陷較集中部位，在型腔涂料點(diǎn)燃后，薄且均勻地刷涂一層樹(shù)脂涂劑。

2.2 加強(qiáng)排氣

在刷涂樹(shù)脂涂劑后的鋼液充型過(guò)程中，樹(shù)脂燃燒產(chǎn)生的氣體會(huì)使局部氣壓發(fā)生變化，若局部樹(shù)脂過(guò)多會(huì)導(dǎo)致發(fā)氣量過(guò)多對(duì)鋼液充型產(chǎn)生影響，因此，型腔的排氣變得尤為重要。首先，在耳板側(cè)面的排氣通道間距要盡量緊密，控制在100～150mm，寬度和深度為10mm。其次，在耳板上放置垂直通向大氣的排氣孔，在樹(shù)脂燃燒時(shí)起到“煙囪”的作用。由此便可穩(wěn)定型腔內(nèi)的氣壓，避免鋼液充型過(guò)程中發(fā)生抬箱現(xiàn)象，確保充型不受影響。

2.3 烘烤砂型

由于樹(shù)脂是以醇為載體，通常為乙醇。它燃燒后本身發(fā)氣量很大，因此在造型完成后，澆注之前，要對(duì)型腔進(jìn)行烘烤，采用天然氣火焰噴頭進(jìn)行烘烤，調(diào)整火焰強(qiáng)度和移動(dòng)速度，在確保型腔強(qiáng)度的前提下，使砂型升溫，可加快乙醇揮發(fā)，避免因發(fā)氣量過(guò)大導(dǎo)致局部出現(xiàn)氣孔缺陷。

3 效果

按照氧化膜缺陷防止措施進(jìn)行了小批量試驗(yàn)生產(chǎn)，試驗(yàn)前后對(duì)比如圖8和圖9所示。

圖8 工藝措施實(shí)施前

從圖8、圖9可以看出刷涂樹(shù)脂涂劑的產(chǎn)品表面光潔、平整，即使沒(méi)有刷涂樹(shù)脂涂劑的部位也沒(méi)有出現(xiàn)“皺褶”現(xiàn)象，與沒(méi)有刷涂樹(shù)脂的產(chǎn)品對(duì)比可見(jiàn)防止氧化膜缺陷的工藝措施效果顯著。

圖9 工藝措施實(shí)施后

4 結(jié)論

預(yù)防氧化膜缺陷的工藝措施實(shí)施后，進(jìn)行了大批量生產(chǎn)，沒(méi)有產(chǎn)品產(chǎn)生氧化膜缺陷。高錳鋼轍叉產(chǎn)品氧化膜缺陷的廢品率從27%降至0%，基本上消除了氧化膜缺陷。同時(shí)，氣孔、夾砂、澆不足、抬箱等鑄造缺陷既沒(méi)有增多也沒(méi)有增長(zhǎng)趨勢(shì)，工藝改進(jìn)效果明顯，提高了產(chǎn)品質(zhì)量，降低了生產(chǎn)成本。

[1]江衛(wèi)東.大型高錳鋼齒板鑄件齒面冷隔紋缺陷分析及預(yù)防措施[J].安徽冶金科技職業(yè)學(xué)院學(xué)報(bào)，2010，20（1）：15-17.

[2]呂明，陳文琳，甘瑞霞.真空鑄造下鎳基高溫合金鑄件氧化膜缺陷分析[J].韶關(guān)學(xué)院學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2014，35（8）：45-49.

[3]衛(wèi)心宏，邊功勛，張曉暉，等.提高厚大件高錳鋼性能的措施[J].鑄造設(shè)備與工藝，2014，（6）：41-43.

[4]閆金順.耐磨高錳鋼鑄件質(zhì)量控制的研究[J].中國(guó)錳業(yè)，2016，34（6）：116-117.

[5]王榮.鑄件縮孔和縮松缺陷的成因及防止措施[J].金屬加工，2016，（11）：58-59.

[6]顏文秀.覆砂鐵型鑄造氣缸體氣孔缺陷的防止措施[J].現(xiàn)代鑄鐵，2017，（2）：80-82.