鄭貴峰

(山東鋼鐵萊鋼集團(tuán)設(shè)備檢修中心,山東萊蕪 271104)

大型復(fù)合錫青銅法蘭套生產(chǎn)新工藝的探索

鄭貴峰

(山東鋼鐵萊鋼集團(tuán)設(shè)備檢修中心,山東萊蕪 271104)

復(fù)合錫青銅法蘭套作為一種內(nèi)圓柱面接觸自潤(rùn)滑形式的軸套,能夠承受重載、適應(yīng)惡劣工作環(huán)境、具備自潤(rùn)滑功能的重要工件,廣泛應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)中。由于錫青銅材料的固有特性,制造加工比較困難。本文通過(guò)在45#鋼套基體內(nèi)孔設(shè)計(jì)輔助工裝內(nèi)套,采用立式澆注錫青銅金屬液,之后進(jìn)加熱爐控溫冷卻的制造工藝,成功試制出大型復(fù)合錫青銅法蘭套的毛坯。

法蘭 復(fù)合 內(nèi)套 立式澆鑄

復(fù)合錫青銅法蘭套作為一種內(nèi)圓柱面接觸自潤(rùn)滑形式的軸套，作為能夠承受重載、適應(yīng)惡劣工作環(huán)境、具備自潤(rùn)滑功能的重要工件，在鍛坯碾環(huán)、水泥礦山機(jī)械、軋鋼設(shè)備等領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。其性能對(duì)整套設(shè)備的性能和運(yùn)行壽命有著重要的影響。目前，較為普遍的毛坯制作方式是采用離心鑄造和砂型鑄造。然而，由于錫青銅材料導(dǎo)熱性好，凝固速度快，鑄造毛坯極易產(chǎn)生縮松、氣孔等鑄造缺陷;大型法蘭套因本身重量較大，對(duì)離心機(jī)以及相應(yīng)配套設(shè)施要求較高，投入過(guò)大;鑲嵌式法蘭套無(wú)法采用砂型。為此，本文就大型復(fù)合錫青銅法蘭套的毛坯制作開(kāi)始研究。

1 襯套結(jié)構(gòu)分析

如圖1工件結(jié)構(gòu)示意圖所示，本工件外形尺寸較大:最大直徑為￠1300mm，最大高度為800mm，工件凈重為1470kg。工件由鋼套基體與錫青銅ZQSn6-6-3自潤(rùn)滑內(nèi)套兩部分組成，制作數(shù)量為12件。該工件毛坯制作需滿足:⑴基體外圓和復(fù)合層內(nèi)徑要有足夠的加工余量，但又不能過(guò)多增加余量導(dǎo)致材料和加工成本的浪費(fèi);(2)復(fù)合層的鑲嵌或熔合要緊密牢固;(3)毛坯制作系統(tǒng)應(yīng)可以重復(fù)使用，以便于批量生產(chǎn)。

圖1 工件結(jié)構(gòu)示意圖

圖2 澆注系統(tǒng)設(shè)計(jì)示意圖

2 澆注系統(tǒng)設(shè)計(jì)

通過(guò)以上工件分析提出對(duì)工件毛坯制作的三條要求，澆注系統(tǒng)作如下設(shè)計(jì)（如圖2所示）:

(1)為保證錫青銅熔液澆注時(shí)能夠全面充分整個(gè)型腔，設(shè)計(jì)了四個(gè)均勻分布的澆注口，見(jiàn)附圖2中序號(hào)1;

(2)為保證基體外圓、復(fù)合層內(nèi)孔有足夠的加工余量，初步設(shè)計(jì)為單邊15mm余量，見(jiàn)附圖2中型腔尺寸(￠930mm);

(3)為保證復(fù)合層與基體鑲嵌或熔合緊密牢固，一是控制錫青銅熔液澆注溫度;二是決定采用優(yōu)化整體澆注系統(tǒng)整體的冷卻方式，利用加熱爐控溫的方式保證錫青銅熔液隨爐緩慢冷卻;

(4)為保證澆注系統(tǒng)的重復(fù)使用，將型腔內(nèi)壁設(shè)計(jì)成上偏小下偏大的錐形，便于工件毛坯的脫型，見(jiàn)附圖2中序號(hào)2;

(5)為保證復(fù)合層與基體快速造型時(shí)的同軸和澆注過(guò)程中的穩(wěn)定，設(shè)計(jì)了澆注底盤加以定位，見(jiàn)附圖2中序號(hào)4。

3 方案初步實(shí)施后效果檢測(cè)

根據(jù)以上確定的方案進(jìn)行試驗(yàn)性制作，從外形尺寸、澆注錫青銅內(nèi)嵌層內(nèi)部/表層質(zhì)量、工件基體與銅質(zhì)內(nèi)嵌層的粘合牢固程度等方面對(duì)工件毛坯進(jìn)行測(cè)驗(yàn)，具體數(shù)據(jù)如下:

(1)工件毛坯內(nèi)孔尺寸上口為￠927mm～￠931.5mm，下口尺寸為￠908.3mm～￠913mm，確保了毛坯有足夠余量，但也反映出余量偏大，需要下一步進(jìn)一步優(yōu)化;

圖3 鑲嵌結(jié)構(gòu)優(yōu)化示意圖

圖4 溶液檢驗(yàn)示意圖

(2)對(duì)毛坯進(jìn)行剖切，分析其橫切面發(fā)現(xiàn)澆注后錫青銅表層和內(nèi)部存在縮孔和晶粒粗大現(xiàn)象;

(3)對(duì)工件基體與銅質(zhì)內(nèi)嵌層接合面之拉伸試樣進(jìn)行試驗(yàn)，結(jié)果達(dá)不到工件本身設(shè)計(jì)要求。

4 方案和工藝參數(shù)優(yōu)化和固定

經(jīng)過(guò)對(duì)以上實(shí)踐數(shù)據(jù)和發(fā)現(xiàn)的問(wèn)題進(jìn)行分析和總結(jié)，對(duì)制定的方案和工藝參數(shù)進(jìn)行再優(yōu)化并固定。

(1)為達(dá)到工件基體和內(nèi)嵌層粘合牢固性能的設(shè)計(jì)要求，對(duì)原有基體與錫青銅層光滑粘合的結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，重新設(shè)計(jì)成燕尾槽機(jī)械式鑲嵌加粘合的結(jié)構(gòu)，如圖3所示。

(2)為解決錫青銅表層和內(nèi)部存在縮孔和晶粒粗大現(xiàn)象，從錫青銅熔化過(guò)程控制和爐前檢驗(yàn)兩方面進(jìn)行專項(xiàng)研究，確定具體工藝路線和參數(shù)。

錫青銅熔液熔煉工藝步驟:

①將銅裝入已預(yù)熱至暗紅色的坩堝中(應(yīng)裝緊些)，在微氧性氣氛下加速熔化。

②銅全部熔化溫度達(dá)1150℃時(shí)加入該爐合金所需要的一半磷銅，用石墨均勻攪拌以脫氧。磷銅加入量，以磷占銅液重量的0.04～0.06%計(jì)算。

③銅液脫氧后加入經(jīng)預(yù)熱的舊料，繼續(xù)加熱，舊料熔化后用石墨攪拌均勻。

④在1200℃以下加入經(jīng)預(yù)熱的鋅，鋅熔化后加錫和鉛，最后加入剩余的磷銅，并仔細(xì)攪拌，靜置5～10min后進(jìn)行澆注。

爐前錫青銅熔液檢驗(yàn):

含氣量檢驗(yàn)。用預(yù)熱的取樣勺取合金液倒入如圖三所示的干砂型中，撇去表面氧化膜及渣子。待試樣凝固后觀察表面收縮的情況，檢測(cè)合金含氣程度。

彎曲試樣檢驗(yàn)。用圖三所示的金屬型澆注試樣，在型中凝固2～ 3分鐘，即投入水中冷卻，將試樣一端夾在虎鉗上如圖4所示，用錘擊打至折斷為止，量其折斷角判斷合金的機(jī)械性能。

斷口檢查。由做完彎曲試驗(yàn)后得到的斷口，觀察有無(wú)偏析，氧化夾渣、晶粒大小及斷口顏色等以判斷合金質(zhì)量。

通過(guò)以上錫青銅熔液熔煉工藝確定和爐前錫青銅熔液檢驗(yàn)，獲得合格的澆注溶液，最終解決錫青銅表層和內(nèi)部存在縮孔、晶粒粗大等質(zhì)量問(wèn)題。

(3)通過(guò)測(cè)量所得試制件毛坯尺寸發(fā)現(xiàn)，澆注后得到工件毛坯內(nèi)孔尺寸在設(shè)計(jì)尺寸的±3mm以內(nèi)，同時(shí)經(jīng)過(guò)以上第二步的工藝參數(shù)改進(jìn)，錫青銅表層質(zhì)量得到了較大改善，為減少澆注余量創(chuàng)造了條件。綜合以上情況，最終將附圖一中型腔內(nèi)壁外形尺寸￠910mm、￠930mm優(yōu)化為￠920mm、￠940mm。

(4)優(yōu)化并固化爐冷工藝:電阻爐預(yù)先升溫至950℃并保溫待用。工件在澆鑄完成后，快速移入電阻爐并隨爐冷卻。冷卻速度指定在50℃/小時(shí)。以此實(shí)現(xiàn)基體與復(fù)合層的同步冷卻和控溫冷卻。解決了鑄造過(guò)程中毛坯極易產(chǎn)生縮松、氣孔等鑄造缺陷的現(xiàn)象。

5 效果檢測(cè)

通過(guò)工藝參數(shù)優(yōu)化和方案改進(jìn)，對(duì)制作出工件毛坯進(jìn)行各項(xiàng)性能的試驗(yàn)。試驗(yàn)數(shù)據(jù)表明工件性能都滿足圖紙?jiān)O(shè)計(jì)要求。

[1]《特種鑄造手冊(cè)》編寫組.特種鑄造手冊(cè)[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,1978.

[2]楊為勤.大型厚壁螺母的離心鑄造工藝研究[J].鑄造,2010(7): 695-699.

[3]陳國(guó)楨,肖可則,姜不居.鑄件缺陷和對(duì)策手冊(cè)[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2004.