閥門鑄鋼件的裂紋缺陷分析及工藝控制

1、860鑄造技術FOUNDRYTECHNOLOGYVol.29No.7Jul2008閥門鑄鋼件的裂紋缺陷分析及工藝控制陳淑惠(陜西工業(yè)職業(yè)技術學院,陜西咸陽712000)摘要:分析了閥門鑄鋼件經(jīng)常出現(xiàn)的裂紋缺陷的形成原因,從生產(chǎn)角度提出了防止和消除裂紋的工藝措施。主要強調(diào)以下幾點:提高型芯的退讓性,以減小收縮應力,將芯子做成中空結(jié)構效果明顯;嚴格控制化學成分,特別是硫、磷等易形成低熔點共晶物的元素;細化晶粒,凈化鋼液,以提高抗裂性,加入稀土元素可以兼得;采用冷鐵,適當提高澆注速度,在保證良好補縮的前提下減弱順序凝固,使鑄件局部實現(xiàn)同時凝固,減小熱應力。關鍵詞:閥門鑄鋼件;裂紋缺陷;工藝控制中圖分

2、類號:TG269文獻標識碼:A文章編號:100028365(2008)0720860204AnalysisonCrackDefectsandProcessControlofValveStCastingCHENShu2(ShaanxiPolytechnic,Abstract:Thereasonthatsof,themeasurestopreventandwereemphasized:thehollowstructureofcorecanandtheshrinkagestress;thechemicalcompositionshouldbecontrolledstrictly,particular

3、sulfur,phosphoruswhichcaneasilyformlow2meltingeutectic;AddingREcanrefinegrains,purifyliquidsteelandenhancecrackresistance;Usingironchill,increasingpouringtemperatureandweakeningprogressivesolidificationunderthepremiseofensuringgoodfeeding,canrealizecastingregionalsimultaneoussolidification,thusreduc

4、ethethermalstress.Keywords:Valvesteelcastings;Crackdefects;Processcontrol閥門在國民經(jīng)濟中應用非常廣泛,涉及到機械、水利、化工、石油、電力、礦山、核工業(yè)等眾多部門。目前,閥門的出口外銷也在不斷擴大。閥門的種類很多,尺寸結(jié)構各異,大到幾噸、幾十噸,小到幾千克甚至幾十克。但就其使用功能而言,大都用于控制流體(氣體、液體)的通、關及其流量。由于工作環(huán)境不同,閥門可使用的材質(zhì)有鑄鐵、普通碳鋼、各種合金鋼及有色合金等,如球鐵、耐腐蝕鋼(耐酸、堿、海水等)、耐磨鋼(泥砂含量高)、耐熱鋼、銅合金等。閥門的技術要求根據(jù)使用工況不同而各異,

5、有的要求能夠承受較高的壓力而不破裂,有的要求氣密性高,長期使用不泄氣、不滲油,有的要求耐腐蝕、耐磨性很強,要求高者須經(jīng)X射線探傷。閥門鑄件的基本結(jié)構見圖1,屬中空結(jié)構,帶有法蘭,形狀比較復雜,技術要求高。生產(chǎn)中常會出現(xiàn),裂紋、縮孔縮松、氣孔、夾雜物等鑄造缺陷,生產(chǎn)控制有一收稿日期:2008205212;修訂日期:2008206223),女,陜西乾縣人,副教授.研究方向:材料作者簡介:陳淑惠(19572定難度1。本文結(jié)合閥門鑄鋼件的生產(chǎn)實際及作者從事此項工作的一些經(jīng)驗,主要分析裂紋缺陷的形成機制,提出防止和消除裂紋的技術思路和工藝措施,為閥門生產(chǎn)廠家控制和提高鑄件質(zhì)量提供技術參考。1閥門鑄鋼件裂

6、紋的種類和形貌(1)外裂紋外裂紋常出現(xiàn)在閥門鑄件兩壁交接的熱節(jié)部位,如法蘭根部、閥門本體外壁凸起的表面處。外裂紋肉眼即可發(fā)現(xiàn),裂紋比較直,與應力方向垂直,是比較典型的晶間裂紋。由于鑄件表面早先凝固,裂紋由外向內(nèi)發(fā)展,因此,外裂紋一般很難得到補縮金屬液的自焊補。(2)皮下裂紋皮下裂紋隱藏在鑄件表皮之下,裂紋較大且走向曲折,機加工后即可發(fā)現(xiàn)。皮下裂紋也是常見的熱裂紋。(3)內(nèi)裂紋內(nèi)裂紋是指形成于鑄件厚大熱節(jié)內(nèi)部的熱裂紋,X射線探傷時即可發(fā)現(xiàn),或打壓滲漏。如某廠生產(chǎn)的科學.Email:shchen518閥門,經(jīng)用戶打壓檢驗,發(fā)現(xiàn)在閥門鑄字面(澆注位置鑄造技術07/2008陳淑惠:閥門鑄鋼件的裂紋缺陷

7、分析及工藝控制861圖1閥門Fig.1Valve下部)打壓時噴漏,X射線探傷確定是裂紋。文獻2將呋喃樹脂砂工藝生產(chǎn)薄壁鑄鋼件出現(xiàn)的熱裂紋歸類為“縮裂紋”和“拉裂紋”。,不到補縮,:而后者是由于呋,具有一定的熱穩(wěn)定性,同時熱膨脹較大,導致退讓性較差,鋼液凝固后期的收縮應力撕裂樹枝晶骨架,形成開裂。2形成原因分析在一般情況下,外裂紋是由于鑄件的收縮應力大,而型芯退讓性差,收縮受阻引起的;皮下裂紋發(fā)生在凝固較慢的斷面一側(cè),鑄件不同部位或厚大斷面表層與內(nèi)部的凝固速度不一致,收縮不同時發(fā)生,產(chǎn)生熱應力引起的開裂,裂紋發(fā)生后未能得到自愈合焊補;內(nèi)裂紋是由于熱節(jié)或厚大斷面中心凝固后期的收縮應力撕裂晶粒骨架,

8、缺3少液相傳輸補縮而發(fā)生的,也稱“應力縮孔”。內(nèi)裂紋或皮下裂紋一般發(fā)生在結(jié)晶溫度范圍較寬、斷面比較厚大的合金鋼閥門鑄件中,無損探傷檢驗常會發(fā)現(xiàn),P、S含量偏高助長其形成。高合金鋼(不銹鋼)的導熱能力差,形成熱應力的傾向性大,皮下裂紋較多;若熱節(jié)處補縮不足,內(nèi)裂紋也會發(fā)生。碳鋼件有時也會發(fā)生內(nèi)裂紋或皮下裂紋。外裂紋、內(nèi)裂紋或皮下裂紋都屬于熱裂,且大多發(fā)生在凝固較遲的部位,如靠近冒口處,或局部熱節(jié)、壁厚較大部位,有時凝固較早的部位(下箱底面),也有發(fā)生裂紋的可能性。裂紋是由應力引起的,產(chǎn)生應力的原因很多。(1)閥門鑄件基本上屬于薄壁大芯,如果型芯的退讓性不夠,會產(chǎn)生較大的收縮應力。(2)鑄件內(nèi)部有

9、鑄圈的閥門,鑄圈阻礙此處向內(nèi)收縮,且鑄圈與件壁形成局部小熱節(jié),凝固較周圍慢,熱裂多發(fā)生于此處。(3),;法蘭與閥門本體,;,33.1提高砂芯的退讓性以直徑 400mm(中徑)的閥門為例,按2%收縮率(線收縮)計算,自由收縮后直徑縮短了8mm,則砂芯在直徑方向必須向內(nèi)退讓8mm。鑄件才能不產(chǎn)生內(nèi)應力,這個退讓量對砂芯的要求是比較大的。若砂芯的退讓不足,則會在鑄件上產(chǎn)生拉應力,可能導致裂紋發(fā)生。提高芯子退讓性的一個重要措施是采用中空砂芯。在保證砂芯高溫強度滿足要求的條件下,中空盡量大,芯壁盡量薄,以提高芯子的退讓性。文獻4報道采用樹脂砂芯生產(chǎn)安全閥體,制作專用胎具,將芯子做成中空,使芯子的吃砂量在

10、50mm左右,對消除裂紋效果明顯。水玻璃砂的退讓性較差,在砂芯難以整體做成中空的情況下,可將芯子分成兩半,每個半芯作成中空硬化,然后再粘起來,把中縫用涂料堵實,防止鋼液竄芯。水玻璃砂在溫度>700時,硅酸鈉粘結(jié)膜會發(fā)生軟化、熔化,砂粒間出現(xiàn)液相,使型芯的熱強度大大下降,而具有良好的高溫退讓性。若芯子中空壁薄,在一定厚度范圍內(nèi)這個溫度易于達到。否則,能達到700以上溫度的芯砂層厚度有限,退讓性就會受到限制。在水玻璃砂和粘土砂中加木屑(體積為15%20%),可以有效提高型芯的退讓性,應堅持使用。3.2嚴格控制化學成分(1)一般碳鋼,在中碳0.21%0.24%的范圍內(nèi),熱裂傾向性較小,碳小于0

11、.20%和大于0.25%時,熱裂傾向性都較大。從鐵2碳相圖來看,碳含量為0.21%0.24%時,結(jié)晶溫度范圍并不是最小,但在結(jié)晶溫度最小的包晶成分(0.17%C)點,2Fe轉(zhuǎn)變成2Fe,會862FOUNDRYTECHNOLOGYVol.29No.7Jul2008發(fā)生較大的相變收縮,增大合金的收縮率。(2)Si在0.1%0.6%范圍內(nèi)增加,有利于減小熱裂傾向性。一般情況下,廠家控制Si在0.4%左右是有利的,也比較容易做到。(3)Mn在小于1.0%的范圍內(nèi),提高Mn量有利于減小熱裂傾向性,大于1.0%則無益而有害(易回硫)。(4)S、P是有害元素,從防止或減少熱裂的目標出發(fā),要求鋼中S<0

12、.025%、P<0.04%。如果能按上述要求對化學成分進行嚴格控制,就可以把熱裂傾向性盡可能的降低,或者說排除了化學成分這一重要因素的影響,有助于將思路集中于其他的工藝措施上去。3.3添加細化晶粒的元素,提高抗裂性在鋼中加入<0.3%的稀土(RE)、鈦(Ti)、鈮(Nb)等元素,可以有效提高抗裂性。(1)RE(,膜的存在時間,高溫強度。這兩方面的作用都有防止熱裂的功效。另外,稀土元素凈化鋼液、減少夾雜物,本身對防止熱裂是有利的,這已被生產(chǎn)實踐所證實5。(2)Ti細化鑄鋼晶粒(一次結(jié)晶)的作用很顯著,還能形成TiN(氮化鈦),減輕N的有害作用(形成N氣孔)。(3)Nb細化晶粒的作用更

13、強烈,在一些鑄鋼生產(chǎn)企業(yè)有所成功應用。以上元素可選其一。細化晶粒的工藝措旋,對減少裂紋顯得很有必要。實踐表明,在碳鋼、不銹鋼鑄件中采用稀土(RE)元素細化晶粒、凈化鋼液,對抑制裂紋發(fā)生的效果顯著。3.4實現(xiàn)鑄件的同時凝固(原則)閥門鑄件的工藝設計,一般應考慮以補縮為主,目的是防止縮孔和縮松,提高其致密度,承受壓力而不滲漏。閥門生產(chǎn)廠家所作的工藝,較多地考慮了冒口補縮,遵從順序凝固原則,這會增大鑄件不同部位的溫差。為了減少因溫差較大而導致的熱應力,防止鑄件熱裂,應考慮在鑄件局部區(qū)域?qū)崿F(xiàn)同時凝固,如施放冷鐵、從薄壁處引入澆道、加快澆注速度減小鑄件溫差等工藝措施。3.4.1冷鐵的使用在易發(fā)生裂紋的局

14、部小熱節(jié)處或厚壁處安放冷鐵,可以加快該處的凝固速度,使其與周圍的壁同時凝固。如內(nèi)部有鑄圈的閥門,可在鑄圈附近安放冷鐵。冷鐵的大小、方位,是平放,還是立放等細節(jié)比較復雜,需要通過實驗,視其效果來確定,冷鐵的大小可通過其蓄熱和傳熱來進行計算。冷鐵也有細化晶粒、提高局部高溫強度的作用,對于防止熱裂來說是有利的。對閥門鑄鋼件,從同時防止縮松和裂紋(內(nèi)、皮下)的目的出發(fā),工藝上應以順序凝固原則為主,但順序不可太強,避免發(fā)生外裂紋的傾向性增大。某廠曾反映,閥門鑄鋼件易在遠離冒口的部位發(fā)生內(nèi)裂或皮下裂紋,說明裂紋的產(chǎn)生也與補縮工藝有關,原因是良好的補縮系統(tǒng)有及時焊補高溫裂紋的作用。所以,有效補縮是消除或防止

15、內(nèi)裂紋、皮下裂紋的一個有效措施,同時也可防止該處發(fā)生縮松。當然,補縮設計與鑄件結(jié)構的復雜程度、冒口有效補縮距離設,3.,。快速澆注,充型,鑄件內(nèi)的溫度比較均勻,有利于減小熱應力?？焖贊沧⑦€有利于氣體、夾雜物的清除,因為鋼液溫度損失小,渣滓和氣體有較足夠的時間上浮。但是快澆的鑄件溫度高,液態(tài)收縮也大,使鑄件對補縮量的要求有所增大,故冒口體積設計(補縮液量)必須足夠。慢速澆注有利于補縮,一邊澆,一邊降溫收縮,一邊補,實際上是充分利用了澆注過程中的后補作用。但先澆入的鋼液降溫大,先充填部分和后充填部分溫差也大,收縮的不同時性增大,也不利于渣滓和氣體的及時上浮。從行業(yè)統(tǒng)計的角度,生產(chǎn)中快澆與慢澆相比,

16、鑄件發(fā)生缺陷的比例較小。如何實現(xiàn)快速澆注,快到什么程度?怎樣計算澆注時間t,進而確定內(nèi)澆道的過流面積?建議采用統(tǒng)計學公式來計算澆注時間6,即tG(s)可以實現(xiàn)快速澆注t=G+33(s)(s)屬于中速澆注屬于慢速澆注tG+式中G澆注重量,包括鑄件和澆冒口的總重量。如某廠澆注一鑄鋼閥門件,G300kg,現(xiàn)場實測三個鑄件的澆注時間在4045s,澆注時間偏長,該鑄件經(jīng)常出現(xiàn)裂紋缺陷。若按快速澆注公式計算澆注時間t僅需1718s?？焖贊沧⒌膯栴}是易于抬箱跑火,這是由于金屬液對上箱和砂芯的動量沖擊作用引起的,需要加大壓鐵,或使用箱卡緊固砂箱,并注意堵好合箱面的縫隙。為了實現(xiàn)快澆,工藝上應該注意以下措施。鑄

17、造技術07/2008陳淑惠:閥門鑄鋼件的裂紋缺陷分析及工藝控制863(1)滿流澆注,使直澆道始終處于充滿狀態(tài)。這就要求手工澆注時速度要快,技術熟練。(2)排氣孔的總面積(包括頂、側(cè)明冒口)應大于直澆道截面積,給型腔內(nèi)的氣體有足夠的排出通道,防止?jié)沧芑鸹驓怏w進入鋼液。(3)采用澆注系統(tǒng)大孔出流計算公式設計各組元的截面積,保證大流量、低流速、平穩(wěn)、潔凈地充填。(4)采服拔塞鋼包,可加快澆注速度,是鑄鋼件的正常澆注方法。拔塞包澆注還有擋渣效果好(渣子在上面),減輕鋼液氧化等優(yōu)點。適當控制澆注溫度,不可太高。澆注溫度高了熱裂的傾向性大。某廠的經(jīng)驗表明,適當降低澆溫(取下),同時采用快澆工藝,裂紋大大

18、限值,或降低10°15°減少。3.5防裂筋的使用但拉筋,仍然開裂仍然存在,而設在鑄件表面的防裂筋僅對件壁表面有效,件壁內(nèi)部凝固時已經(jīng)不起作用,或者防裂筋沒有加快此處的凝固速度所致,故應對防裂筋的長度及斷面幾何尺寸參數(shù),從凝固先后次序的角度進行優(yōu)化設計。3.6鑄件冒口根部裂紋前提下減弱順序凝固,使鑄件局部實現(xiàn)同時凝固,減小熱應力。參考文獻1何瑞珍.不銹鋼閥門的鑄造工藝J.鑄造技術,2005,26(10):9882989.2景丹,黃乃瑜,羅吉榮,等.呋喃樹脂砂生產(chǎn)薄壁鑄鋼件裂紋成因的分析J.鑄造,2000,49(2):79283.3陳國楨,肖柯則,姜不居.鑄件缺陷和對策手冊M.北京:機械工業(yè)出版社,1996.4劉致遠.箱體類鑄鋼件裂紋缺陷的防止J.熱加工工藝,2001,(1):56,61.5劉兵,孟憲嘉,王永欽.鑄鋼件裂紋與鋼中夾雜物關系的研究.鑄造技術,2005,26():8542856.6魏.M.北企業(yè)介紹任丘現(xiàn)代模具鑄造美好未來企業(yè)理念:質(zhì)量為本信譽為根共贏發(fā)展主要產(chǎn)品:消失模鑄造模型模具失蠟精密鑄造