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大型鑄鋼件工藝設計的關鍵技術(三)
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大型鑄鋼件工藝設計的關鍵技術(三)
發布日期: 2019-02-26   點擊量: 348  

鑄件成形的控制

主要包括澆、冒系統,冷鐵設計??刂瞥湫凸毯湍坦?,在鑄造生產過程中起著重要的作用。許多的鑄造缺陷都與上述兩個過程直接相關,如縮松、縮孔、卷氣、冷隔、夾渣等。是鑄造工藝的關鍵技術之一。

1.液態金屬充型過程控制

液態金屬充型過程控制將影響澆注的成敗和鑄件質量,大型鑄件的澆注工藝應滿足大流量、快速平穩充型的基本要求。大型鑄件的澆注多采用多包多澆道同時澆注,充型過程控制的關鍵是:(1)嚴格控制鋼液的澆注溫度和補澆鋼液的溫度,(2)協調好各包、各澆口的開啟步調時間和順序,(3)嚴格控制澆注時間,(4)要設置防止殘砂、鋼渣、引流砂進入型腔的措施,如防砂帽、溢流口、緩流澆道等。

2.鑄件的結晶、凝固與收縮控制

對于大型鑄鋼件,保證鑄件凝固順序和補縮效率,這是控制鑄造缺陷,獲得優質大型鑄鋼件的重要條件。需要合理設置冒口的尺寸、數量、位置,考慮到充分補縮的要求,通常需要設置足夠的冒口補貼,并配合適當的掛砂冷鐵,掛砂冷鐵設計時,冷鐵布置、掛砂層厚度、掛砂層附著強度等工藝因素對控制凝固順序,防止缺陷均有重大影響。為提高冒口補縮效果,除盡量采用保溫、發熱冒口,高校發熱覆蓋劑外,還需要補澆冒口。對大型鑄鋼件而言,冒口補澆工藝一方面可以提高冒口補縮效率,另一方面可以解決熔煉能力不足而采用的多爐、多階段澆注的問題。多爐、多階段澆注工藝設計時,要充分考慮各爐鋼水的出爐時機,控制各爐鋼水的出爐溫度和化學成分,控制各階段、各澆包開啟時間,控制澆注溫度和澆注時間。補澆冒口的鋼水的熔煉要求視前階段冒口高度而定,但要滿足快速高溫的要求。

3.計算機模擬技術

要獲得優質鑄件,必須控制鑄件的凝固過程。鑄件凝固是在鑄型內的高溫狀態下進行的,難以直接觀察。長期以來,主要憑經驗或以實測資料為依據進行控制鑄件的凝固過程的工藝設計。大型鑄件凝固過程的溫度場難以實測,而且實際生產條件也不允許通過實驗得出鑄件的合理工藝方案后才進行工藝設計和正式生產。因此,通常作法主要是憑經驗指導鑄件的生產。

隨著計算機技術的發展,生產過程的數值模擬技術已應用于鑄造過程并取得了成功,具有代表性的工作是基于凝固過程數值模擬的縮松、縮孔預測和冒口優化。計算機模擬凝固過程,可以幫助工程技術人員在計算機上進行模擬計算。通過模擬計算,可在實際鑄造前對鑄件可能出現的縮孔縮松缺陷及大小、部位和發生的時間進行有效的預測。以不斷改進工藝,有效控制凝固過程,達到縮短產品試制周期,降低生產成本,確保鑄件質量的目的,使鑄造生產由憑經驗走向科學理論指導。

鑄件充型過程的數值模擬近年來在模型建立、算法實現、計算效率的提高和工程實用化方面取得了一些重要突破,并重點研究了充型流動對凝固進程的影響。建立了鑄件充型和凝固過程的流動和傳熱模型,實現了流速場和溫度場的耦合模擬,預示著已經可能利用數值模擬的方法對復雜鑄件充型過程進行數值仿真。

鑄造工藝裝備的設計

鑄件生產所使用工藝裝備的設計。工藝裝備包括模樣、模板、芯、盒、砂箱、 量具、夾具、樣板等。大型鑄件一般生產批量小,形狀差異大,工裝通用性較差,許多工裝需要綜合考慮、專門設計,如芯鐵、冷鐵等。冷鐵設計通?;掛派杓乒疑骯ひ占耙?。

預備熱處理技術

大型鑄件在澆注冷卻過程中,鑄件壁厚相差懸殊的不同部位,壁厚尺寸大的同一部位的表面及心部,冷卻過程溫差很大,會產生很大的熱應力,尺寸大,形狀復雜的鑄件不同部位冷卻速度不同,收縮的時間不同,相互之間產生很大的機械應力,型、芯復雜,型、芯對鑄件的收縮有較強的阻礙,也造成很大的機械應力,這樣,鑄件完全冷卻后不可避免的在鑄件內部產生較大的鑄造殘余應力。高碳鋼、合金鋼中的碳、錳、鉻等元素的含量增加,可以提高強度,卻降低導熱性,加大鑄件各部位冷卻的溫度差,因此,高碳鋼、合金鋼中的鑄造殘余應力更大。

另外,大型鑄件截面厚大,冷卻時速度較慢,通常鑄態組織晶粒粗大,偏析嚴重,極大影響力學性能,為了保證后續的后處理,滿足設計要求,一般鑄件都需在澆注冷卻后進行適當的熱處理,通常稱為預備熱處理,預備熱處理的目的:一是消除或減少鑄造應力,二是改善組織,獲得足夠的力學性能,如強度、塑韌性等。一般的預備熱處理規范有:退火、正火、正火+回火等。

預備熱處理的關鍵技術是裝爐時機和升溫速度,大型鑄件因為工期的要求,往往不能等到冷卻到常溫再打箱,造成打箱后較高溫度情況下快速冷卻,使鑄件應力增高,需要及時裝爐進行熱處理;裝爐后升溫要適宜,此時的升溫類似鑄件的冷卻,不同部位,同一部位的表面及心部,存在溫差和膨脹的差異,從而,形成新的應力,這種新的應力稱為熱處理應力,這種熱處理應力與原有鑄造應力相互作用、相互影響,極為危險,使鑄件發生變形、開裂的機率大為增加,不能升溫過快,但從快速生產和節約能源的角度要求,不能升溫過慢,需要設計適宜的升溫速度。熱處理的技術也是極為復雜和精確的,也需要長期的經驗積累和豐富的理論知識。

后處理技術

鑄件在型內應有足夠的冷卻時間,防止產生變形、裂紋等缺陷,為防止產生過大的鑄造應力,可在澆注后,鑄件凝固基本凝固完成時,松弛型、芯,使鑄件最大限度地自由收縮。

冒口切割是鑄件后處理的最重要的環節,絕不能忽視。冒口根部在工藝熱節和流通效應的影響下,是整個鑄件組織最差、熱應力最大的部位。在進行常溫氣割冒口時,由于割口處溫度較高,與周圍溫差較大,產生一定的熱應力,加上本身又存在較大的殘余應力,當兩種應力的方向正好相同時,應力便會疊加,應力得到進一步加強,如果應力超過合金的強度極限,則產生裂紋。絕大多數的鑄件采用熱割冒口的工藝,熱割冒口可預防裂紋。尤其高碳鋼、合金鋼中的碳、錳、鉻等元素的含量高,導熱性差,淬透性高,進行常溫氣割冒口時,熱應力更大,并且很容易發生相變,如果相變則會產生相變應力,產生裂紋的風險更高,必須采用熱割冒口的工藝。熱割冒口可在鑄態冷卻過程中進行,到一定溫度時(400℃以上,避免彈塑性轉變溫度區間400℃~600℃),迅速清理冒口部位進行切割,切割后繼續冷卻,直至打箱清理,再熱處理,這種工藝的好處是可以降低能耗,縮短工期,壞處是產生缺陷的風險大。大型件價值很高,應盡量控制風險,最好采取在退火后進行熱割冒口的工藝。無論何種工藝都應特別注意熱割溫度和割后的保溫緩冷。

結語

大型鑄件的工藝設計是一個復雜的系統過程,需要設計人員具備深厚的理論知識和豐富的實踐經驗。設計過程中要考慮工藝因素較多,這些因素不是獨立的,往往相互作用、相互影響,因此,在設計之初,就要通盤考慮,全面籌劃,不能顧此失彼。

大型鑄件的工藝設計不可能面面俱到,要有主有次,以鑄件制造的難點、重點為基礎,制定合理的工藝方案,各個工藝因素相互配合、相互補充。

大型鑄件多為重大技術裝備的重要零件,對其性能及質量要求嚴格,大型鑄件批量較小,生產過程復雜,工期漫長,價值很高,工藝試驗和改進困難,一些在小件中不顯眼的因素,在大件中有顯著的影響。設計時以穩妥慎重為原則,在沒有充分依據和保證的前提下,宜采取保險的工藝方案。


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