趙 卓

（中鐵山橋集團有限公司，秦皇島 066200）

高錳鋼力學(xué)性能優(yōu)良，具有在強烈沖擊、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、礦山機械、軍工及農(nóng)機等行業(yè)中。

中鐵山橋集團有限公司（以下簡稱“我公司”）自1961年開始生產(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”較堅硬，打磨處理很難達到理想狀態(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2～3mm，對產(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、水玻璃及有機酯固化劑與CO2反應(yīng)硬化，由于轍叉長度尺寸較大，采用一端雙內(nèi)澆道傾斜澆注，傾斜角度根據(jù)產(chǎn)品長度不同略有差異，約為5℃。澆注溫度1470℃，并有2～3次補澆，開箱清砂后進行熱處理、水韌處理。

1.2 缺陷檢測

首先針對缺陷較集中的底板部位進行取樣（見圖3和圖4），同時采集趾、跟端不同位置的兩個試樣進行分析。

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缺陷部位進行掃描分析，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，缺陷中檢測到大量的Fe、Mn、O元素,缺陷中含有較多的元素O，說明該部位鋼液已被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。利用金相顯微鏡對氧化膜缺陷較嚴(yán)重部位進行,觀察，并與沒有缺陷部位進行對比，如圖6和圖7所示。

圖6 沒有缺陷的試件

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，鋼液進入型腔后流動較快，氧化膜被沖散，附在型腔表面，當(dāng)鋼液充滿型腔、凝固時，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 刷涂樹脂

根據(jù)氧化膜缺陷檢測和分析結(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，靠提高澆注速度來實現(xiàn)減少鋼液與氧氣接觸時間的方法難以實現(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)部刷涂樹脂凃劑，采用酚醛樹脂醇基涂劑，酚醛樹脂是一種復(fù)雜的碳氫化合物，當(dāng)高溫液態(tài)金屬注入型腔后，樹脂迅即分解。這種高溫快速分解的產(chǎn)物是高級烴。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，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烴在極高溫度下會裂解為低級烴、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，從而達到完全防止氧化膜缺陷發(fā)生的目的。但由于樹脂燃燒也會產(chǎn)生大量氣體，因此樹脂僅刷涂在底板及其圓弧連接處、護軌等氧化膜缺陷較集中部位，在型腔涂料點燃后，薄且均勻地刷涂一層樹脂涂劑。

2.2 加強排氣

在刷涂樹脂涂劑后的鋼液充型過程中，樹脂燃燒產(chǎn)生的氣體會使局部氣壓發(fā)生變化，若局部樹脂過多會導(dǎo)致發(fā)氣量過多對鋼液充型產(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，在樹脂燃燒時起到“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，要對型腔進行烘烤，采用天然氣火焰噴頭進行烘烤，調(diào)整火焰強度和移動速度，在確保型腔強度的前提下，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行了小批量試驗生產(chǎn)，試驗前后對比如圖8和圖9所示。

圖8 工藝措施實施前

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

圖9 工藝措施實施后

4 結(jié)論

預(yù)防氧化膜缺陷的工藝措施實施后，進行了大批量生產(chǎn)，沒有產(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，氣孔、夾砂、澆不足、抬箱等鑄造缺陷既沒有增多也沒有增長趨勢，工藝改進效果明顯，提高了產(chǎn)品質(zhì)量，降低了生產(chǎn)成本。

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