大型轧机锰基铝青铜压下螺母的研制与应用

纪云玲，胡小琳，王洪刚

（1.济钢集团重工机械有限公司，山东 济南 250101；2.中国重汽集团济南铸锻中心，山东 济南 250101）

压下螺母是轧机系统中的重要部件，主要由丝杆和螺母组成。主要作用是通过丝杆与螺母间的高速转动进行压下传动，产生巨大的轧制力，因此该压下螺母不同于常规轧制的压下螺母，尺寸大，重量大，单件净重1.514 t，要求材料能够满足重载、具有良好的强度，较高的耐磨性，耐高温和抗咬合性，以及较佳的硬度匹配性能；另外螺母的更换是和粗轧机停机检修同时进行，因此要求使用寿命高。以前的压下螺母材质为ZQAl9-4，这种材质本身强度、硬度及冲击韧性较低，不能适应轧钢设备的高温、重载、高冲击及润滑差的现状，轻则使铜件磨损加快，增加设备的停机率及备件消耗，重则造成铜件断裂，造成设备事故。2002年我公司中厚板厂曾因压下螺母磨损严重导致无法生产造成巨大经济损失。鉴于该压下螺母对各项性能、使用寿命的严格要求，研制一种新型耐磨、抗冲击的压下螺母供轧钢设备使用成为必需。为此我们对中厚板厂压下螺母进行了研究，研制了一种锰基铝青铜大型轧机压下螺母。

1 主要工艺技术措施

1.1 材质的化学成分

材料的机械性能与材料的材质（化学成分）构成有着密不可分的关系。根据其他单位的使用情况结合我们自己的应用特点，经过数次的选择、试验，通过综合分析，我们对化学成分进行了选择：

Mn的选择：Mn加入铝青铜中虽能缩小α单相区域，但显著降低β相共析转变温度，从而提高了β相的稳定性，使铝黄铜的“缓冷脆性”大大减弱。另一方面由于Mn能溶解于α固溶体中，有一定的固溶强化作用，能提高合金的强度、硬度和耐磨性。同时随着含锰量的增加，β相的稳定性增高，避免了（或减少）γ2相的出现。所以在加锰后随着强度增加的同时，塑性却降低不多，Mn含量低达不到预期效果，故Mn质量分数选择11.0%～13.0%.

Al的选择：铝是对金相组织及机械性能起决定作用的元素。在铸造条件下，当含铝小于9.4%时溶于铜中形成具有面心立方晶格的固溶体，产生固溶强化作用，提高合金的强度和塑性，随着含铝量的增加而增加。但当铝大于9.4%时组织中出现共析体，硬度很高而延伸率很低，无使用价值，Al的质量分数应控制在7.0%～8.5%.

Fe的选择：铁在铝青铜中的溶解度很小，质量分数约为0.5%～1.0%，如果超过这个含量，铁就会形成K相（CuFeAl）化合物。凝固时K相以细小质点成为结晶核心，细化晶粒，并提高铝青铜强度、硬度和耐磨性。Fe的质量分数小于2%作用不明显，大于4%则出现树枝状化合物，降低机械性能和耐磨性，故选择Fe的质量分数为：5%～4.0%.

Ni的选择：加入镍可细化晶粒，提高机械性能，但由于其价格昂贵，选择Ni的质量分数为1%～2%.

另外还加入了一些其他能够提高强度和耐磨性的微量元素。

大型轧机锰基铝青铜压下螺母的化学成分如表1。

表1 大型轧机锰基铝青铜压下螺母的化学成分（质量分数，%）

1.2 铸造工艺

铸件的铸造工艺与铸件的质量有着密切的关系。由于该件要求高，不得有任何铸造缺陷，而该件又属于壁厚不均的高大件，若采用普通的砂型铸造容易导致铸件形成缩孔、组织不均等缺陷。为此我们进行了铸件工艺性分析，压下螺母的零件图见图1。

从图1可以看出该件为壁厚不均的大型铸件。上部包括加工余量在内壁厚达到154mm（外部加工余量为10mm，内部为13mm），下部壁厚也有114mm，高度包括冒口及加工余量在内要达到1200mm（其中上部加工余量为15mm，下部为10mm，冒口高300mm），要生产如此厚大的铸件必须解决其缩孔及局部过热问题。我们对工艺进行了攻关，通过对砂型铸造、金属型铸造等多种铸造工艺进行的试验、比较，最终选择了外部采用金属型、芯子采用内冷铁、冒口采用砂型加保温冒口的铸造方法，解决了铸件的缺陷问题，研制出合格的铸件。为了达到良好的顺序凝固的效果，加强冒口的补缩作用，将金属型制成上薄下厚的形状。为了使芯收缩不受阻碍，我们将冷铁分成6部分，间隙为8mm（见图2）。整个铸型分为3部分（见图3）,底箱为底返雨淋浇口，中箱为金属型，上箱为冒口。

1.3 冶炼及起重

该压下螺母毛坯重达2.5 t，浇冒口系统超过0.1t，总铜水量达2.7 t左右。采用现有冶炼设备对于我们这个仅有3个0.5 t坩埚炉，熔化能力为1.5 t的车间来说是无法达到要求的，为此对坩埚炉进行了扩容改造，将坩埚炉炉膛扩大，使其容量由500kg转化为900kg，这样用三个炉子同时熔炼，一次可出铜水2700kg，完全能满足生产需要。由于整个铸型重达5 t多，车间仅有2台3 t天车为起重设备，若单独使用无法满足载荷的需要，为此我们采用了2台天车同时起吊的方法成功地生产了大型压下螺母，满足了生产需要。

1.4 冶炼工艺

由于铜水需求量大，冶炼时间长，并且含有铝、锰等易氧化的元素，因此铜合金的熔炼是获得优质铸件的关键，必须严格控制合金的化学成分，防止和尽可能地减少合金的氧化和吸气，严格控制熔炼和浇注温度，快速熔化，减少合金的损耗才能提高工艺出品率。为此选用二次熔炼法，即首先熔炼含有高熔点及难熔化的元素的中间合金。用煤气坩埚炉熔炼。

1.5 浇注工艺

图1 压下螺母零件图

图2 砂芯装配图

图3 铸型装配图

图4 底返雨淋浇注系统

由于该件壁厚、高度大，若采用普通切线浇口将造成铸件局部过热，为此对浇注工艺进行了攻关。采用了底返雨淋浇注，直浇口为60mm，横浇口四道，截面为梯形，内浇口为直径20mm的圆浇口16个（见图4）。通过合理的选择浇注系统解决了厚大铸件缩孔和局部过热的问题。

1.6 热处理工艺

研制的大型轧机锰基铝青铜压下螺母由于含有较高的铝和锰，所以进行热处理有助于改善铸件的力学性能。通过多次试验，我们编制了铸件的热处理工艺流程如下：正火+回火。工艺曲线如图5所示。

图5 正火+回火工艺曲线

2 大型轧机锰基铝青铜压下螺母性能的测定

2003年6月研制了中厚板厂的大型轧机锰基铝青铜压下螺母2件。对金相组织进行了分析，对化学成分、力学性能进行了测试。经测定化学成分见表2，性能见表3。

表2 测定的化学成分（质量分数，%）

目前国内轧机所用铝青铜ZQAL9-4的压下螺母的机械性能如表4。

表4 机械性能比较

将锰基铝青铜大型轧机压下螺母的性能与铝青铜ZQAL9-4的机械性能比较可以看出新研制的锰基铝青铜大型轧机压下螺母的性能明显高于原来的材质，达到了预期的效果。图6为新研制的大型轧机锰基铝青铜压下螺母。

3 应用效果

2003年8月新研制的大型轧机锰基铝青铜压下螺母用于中厚板生产，经过一年多的跟踪发现，新研制的大型轧机锰基铝青铜压下螺母的使用寿命已经达到一年多，远远高于6～8个月的同行业平均水平，大大减少了备件的消耗和设备停机率，取得了良好的经济效益。

图6 大型轧机锰基铝青铜压下螺母

［1］姜希尚.铸造手册·铸造工艺［M］.北京：机械工业出版社.

［2］黄恢元.铸造手册·铸造非铁合金［M］.北京：机械工业出版社..