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），材質是符合美國ASTM標準的A217 WC Modified，屬于低合金鋼，化學成分見表1，其要求抗拉強度為485Mpa～655Mpa，屈服強度為275Mpa。產品的外形各異，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標準的A1級（內表面）和A2級（外表面）標準。氣孔和針孔要求符合C1級（內表面）和C2級（外表面）標準。皺褶要求符合D1級（內表面）和D2級（外表面）標準。

圖1 敞口式鋁錠模箱體

1 鑄造工藝研究

1.1 鑄造工藝設計

鑄件結構簡單，壁厚較薄，產生冷隔紋、澆不足的可能性較大，表面質量不好控制，經過模擬計算設計出合理的澆注系統、冒口，增設冷鐵避免產生縮松等缺陷[1]。

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

圖2 砂型

圖3 澆注系統

1.2 煉鋼要求

熔清碳要求大于0.50%，氧化終點碳控制在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化學成分

圖4 開箱及最終產品

2 熱處理工藝

2.1 熱處理方案制定

根據產品結構特點、外形尺寸及金相組織和力學性能的標準要求，熱處理方法為淬火+高溫回火。淬火加熱溫度設定為900℃±15℃。采用L9（34）正交試驗[3]對其他因素進行工藝試驗。

2.2 試驗結果

對熱處理后的試件進行了金相試樣制備和金相組織檢測。

1#、2#、3#方案為保溫時間3h，加熱速度分別為80℃/h、100℃/h、120℃/h，入水時間分別為60s、90s、120s，顯微組織如圖5（a）、（b）、（c）。經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#方案為保溫時間4h，加熱速度分別80℃/h、100℃/h、120℃/h，入水時間90s、120s、60s，顯微組織如圖6（a）、（b）、（c）；經檢測，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#方案為保溫時間5h，加熱速度80℃/h、100℃/h、120℃/h，入水時間120s、60s、90s，顯微組織如圖7（a）、（b）、（c）；經檢測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#方案試樣進行了力學性能檢測，力學性能見表2。

表2 試樣力學性能結果

3 熱處理工藝參數的制定

根據實驗結果可知：

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

（2）當加熱速度較快時，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性能。

（3）當入水時間（冷卻速度）較長時，會出現粗大枝晶，影響材料的金相組織形成和降低力學性能。

根據實驗結果確定熱處理工藝，具體步驟如下：

（1）鑄件以每小時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間不大于90s。

（3）空冷后鑄件重新裝爐，以每小時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 結論

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