升船机螺母柱的铸造工艺设计及生产质量控制

梁爱兰（太重集团公司，山西太原　030024）

升船机螺母柱的铸造工艺设计及生产质量控制

梁爱兰
（太重集团公司，山西太原030024）

对三峡升船机安全装置用合金钢铸件螺母柱的铸造工艺优化设计、生产过程中各种原辅材料及造型、冶炼过程的工序质量控制及铸件缺陷产生的原因进行了分析。通过几次工艺改进及结果验证，最终在不实施补焊的情况下通过三峡工程项目组验收。

螺母柱；无损检测；优质钢水；调质热处理

螺母柱是三峡升船机安全装置使用的关键零部件（如图1所示），其作用是用来保护螺母的。螺母柱的质量将直接影响升船机的运行安全。全套装置共用螺母柱216件。太重承制了108件。为防止骤冷骤热环境影响时应力的产生，该铸件对内部质量及表面质量要求很高，而且不允许补焊。通过采用优化铸造工艺设计、计算机凝固模拟、优选造型材料、型腔热风烘干并吹氩，采用优质精炼钢水、严格控制化学成分偏差、浇注温度区间及详细的理化检定等措施，最终完成了全部生产任务，生产出了不补焊的完美铸件。

图1 螺母柱的形状

2　螺母柱技术要求及铸造工艺设计

2.1材料

G35CrNiMo6-6+QT1，轮廓尺寸4 930 mm× 1 980 mm×553 mm，净重22 954 kg.其化学成分具体要求如表1.

表1化学成分（%）

机械性能如表2.

表2机械性能

纯净度见表3.

表3纯净度

晶粒度要求6.5级，无损检测质量要求如表4.

表4验收标准

铸件不允许补焊。

2　铸造工艺方案的设计及工艺参数的选择

2.1铸件结构分析

根据螺母柱的形状、结构及技术要求综合考虑，分型面选择在螺母柱的大平面，螺牙向下，凸台向上的工艺方案，同时结合其技术要求为确保质量在螺牙部位设置外冷铁。

2.2工艺参数的选择

1）加工余量：由于螺母柱需要调质处理，考虑到热处理变形，以及铸件表面不允许补焊等因素，加工余量定为上部50 mm，下部和侧面35 mm，螺母柱长度方向的两端放特殊加工余量40 mm.

2）缩尺：铸造缩尺为2%.

2.3冒口和外冷铁的设计原则

根据铸件结构，为确保冒口的补缩效率，将大平面上部凸台之间空档全部做平，放两个椭圆形保温冒口，在齿面、铸件的端部和两个冒口之间放置外冷铁，使铸件按照顺序凝固的方式进行凝固，以保证铸件的内部质量。

2.4浇注方案

按照计算结果，铸件毛重39.5 t，液重77.5 t.钢水的冶炼采用30 t电炉和40 t LF钢包精炼炉及15 t电炉和25 t VOD炉精炼钢水，用一大一小两包三眼（φ80 mm）同时浇注，首浇钢水量59 t，过1 h～1.5 h，补浇钢水量18.5 t.

浇注温度控制在1 560℃±10℃.为确保钢水进入型腔时的质量及铸件充型速度，采用吹氩浇注，浇注时钢水上分型面的时间控制在2min左右。铸件浇注系统用开放式浇注系统设置3道φ120mm直浇口，φ120 mm横浇口，8个φ90 mm内浇口。

晶粒度和超声波探伤符合标准要求，在螺纹面上存在大量的线性缺陷，不符合标准要求。

3　生产结果验证

1）首批生产了7件其各项性能指标全部合格。但精加工后经荧光磁粉检测发现七件螺母柱的齿面全部存在超标线性缺陷。由于技术要求铸件不允许补焊，因此首批7件全部报废。

对线性缺陷产生的部位、形成的原因进行了分析和总结，认为螺牙面线性缺陷是由于螺牙部位的直接外冷铁阻碍螺牙收缩产生的。

2）在原有工艺的基础上进行了工艺改进，将螺牙面上的外冷铁全部取消，生产了两件。即第8、第9件。其中，第8件在浇注时，包眼没有全部打开，钢水浇注至分型面的时间为4 min，比正常浇注时间增加一倍。

对第8和第9件螺母柱进行荧光磁粉探伤检查。MT检测结果为第8件螺母柱粗加工和半精加工后，没有发现线性缺陷。精加工后，MT检测螺牙面存在少量线性缺陷，符合标准要求。第9件螺母柱螺牙部位仍存在许多线性缺陷。

4　螺母柱线性缺陷的原因分析

4.1缺陷情况描述

螺母柱的线性缺陷主要存在于螺牙部位的顶面、斜面和底面上、宽度方向的中间位置，线性缺陷与长度平行。说明在螺母柱的宽度方向铸件凝固收缩时受到拉应力，并且在中间位置应力最大。

在加工过程中，在螺母柱螺牙面见光、粗加工后（留10 mm余量）和精加工三个工序完成后都进行了MT检测，在每个工序都发现有线性缺陷存在，缺陷的位置也发生变化。进一步用显微镜对裂纹类线性缺陷进行观察，发现在线性缺陷中间存在夹渣。

4.2原因分析

在铸造的过程中，铸件的裂纹、线性缺陷是由于应力产生的。应力包括铸型的阻力和热应力。铸型的阻力就是铸件在冷却过程中，砂型对铸件收缩的阻力。铸件热应力是由于铸件凝固过程中各部位温度不同，收缩不一致而产生的应力。当铸件的强度小于应力时，即铸件所受的拉力大于铸件的抗拉强度，就会产生线性缺陷，甚至裂纹缺陷。

4.2.1螺母柱的结构

从图2螺母柱毛坯的结构看，在螺母柱毛坯的冷却过程中温度下降，铸件凝固收缩。在收缩过程中，只有螺牙面受到砂型的阻力。所以，螺牙易产生线性缺陷。

图2 螺母柱毛坯图

4.2.2利用华铸CAE凝固模拟观察螺牙面的冷却过程

图3、图4、图5为不同凝固时间螺母柱的凝固图，从图中可以看出，螺牙面的冷却是非常快的。2 060 s（0.57 h）（图3），螺牙面凝固50 mm；6 599 s （1.83 h）时（图4），螺牙面凝固100 mm，即螺牙面完全凝固。而螺牙底面在29 733 s（8.26 h）时（图5），也只有很少一部分凝固。所以，螺牙面的凝固要比螺牙底面快的多。

图3　螺母柱凝固图（凝固时间2 060 s）

图4　螺母柱凝固图（凝固时间6 599 s）

图5　螺母柱凝固图（凝固时间29 733 s）

4.2.3螺牙面的应力

螺母柱螺牙面的应力是由其凝固收缩造成的。

随着温度的下降，螺牙面进行凝固，并产生收缩。这时砂型对螺牙面具有阻碍收缩作用，即收缩阻力。

在凝固初期，螺牙面最先凝固，螺牙底还处于液态。由于牙面的凝固会产生凝固收缩，这时牙面要拉动整个螺母柱向内收缩，每个齿面受到的阻力面积不是203 cm2，而是716 cm2，即每个牙面的阻力约为14 t～35 t.也就是说，受到螺牙面和螺牙底面凝固速度不一致的影响，螺牙牙面所受的阻力是同时凝固的3.5倍。

4.2.4砂型的退让性

要减少螺牙面的阻力，砂型不仅具有退让性，而且要保证砂型的退让时刻与螺牙面的凝固相一致。

螺牙面的凝固比较快。当螺牙面凝固时，砂型的抗压强度还处于上升阶段，砂型的阻力还在增加。所以，对螺牙面来说，砂型不具备退让性。

螺牙底的凝固比较慢。砂型的受热时间比较长，当螺牙底凝固时，砂型的抗压强度比较低，砂型的阻力变小。对螺牙底来说，砂型具备一定的退让性。

4.2.5夹杂物

冶炼好的钢水，存在一些微小的夹杂物。在浇注过程中，钢水中的夹杂物会增多。

在螺母柱的螺牙面上，铸件所受的阻力是非常大的。如果在螺牙面上存在夹杂物，就会减少（割裂）受力面积，使齿面的应力增大，促进线性缺陷的形成。

4.2.6螺牙面放外冷铁

螺牙面放外冷铁的目的是提高铸件液态收缩时螺牙面的强度。可是，外冷铁是把双刃剑，在提高螺牙面冷却速度，增加螺牙面强度的同时，也增加了螺牙面的收缩，即加大了螺牙面的应力。

4.2.7第1、11号螺牙与其他螺牙的差别

从凝固图上可以看出，每个螺牙面的凝固是一致的，说明每个螺牙面的强度是一样的。每个螺牙面的阻力面积和阻力也是一样的。并且，螺牙面阻力大于强度，所以螺牙面产生线性缺陷。

在螺母柱冷却的过程中，铸件的端面也要冷却，也要进行凝固收缩。由于两端的螺眼即第1、11号螺牙距离端面比较近，冷却快，端面的凝固收缩可以减少第1、11号螺牙的应力，甚至可以将第1、11号螺牙的拉应力转化为压应力。所以第1、11号牙没有线性缺陷。螺母柱两端对第2、10号螺牙影响比较小，产生的线性缺陷比较少。对中间部位的螺牙基本没有影响，产生的线性缺陷比较多。

5　工艺改进方案及质量控制

5.1工艺改进措施

从以上分析可以看出，要减少螺母柱螺牙面的线性缺陷，可以采取以下措施：

1）造型时，在螺牙面的周围放锯末干砂或草绳，提高砂型的退让性，减少砂型的阻力。

2）浇注前钢水要引流，防止引流砂进入铸型。浇注前，型腔内充氩气、浇注时要氩气保护，防止在浇注的过程钢水氧化产生夹渣。浇注系统使用高强度二级高铝砖。以防在浇注的过程中钢水对钢砖管的冲刷导致铸件夹渣。

3）使用外冷铁，提高铸件的强度。

4）慢浇，减少铸件的收缩，从而减少收缩应力。

5.2工艺改进方案

按照以上措施，制定以下改进工艺方案：

改进工艺方案一：在齿面上放挂砂外冷铁，外冷铁后面放草绳，见图6.

改进工艺方案二：在第8件的基础上，调整外冷铁，只在螺母柱的中间放2块外冷铁，快浇，见图7.

改进工艺方案三：在第8件的基础上，进行完善，见图8.

图6　螺母柱改进工艺方案一

图7 螺母柱改进工艺方案二

图8　螺母柱改进工艺方案三

6　螺母柱工艺改进后的验证结果

经理化检测，螺母柱的化学成分、机械性能、晶粒度、夹杂物和超声波探伤等各项指标都能达到标准要求。

螺母柱在毛坯面粗加工见光、粗加工（留量10 mm）、精加工等状态下齿面磁探结果可以看出：工艺改进之后，螺牙面的线性缺陷还存在，但是线性缺陷的数量在减少，缺陷的长度在变短。经用户联检验收的6件螺母柱中，第1、12件存在超标缺陷，但是可以让步使用；工艺改进后的方案一生产的第11、15件全部合格。用慢浇工艺生产的第8、16件完全满足标准要求，

7　结论

1）采用慢浇工艺，减少铸件的凝固收缩，提高螺牙面强度，减少线性缺陷的产生。

为了比较浇注速度对铸件牙面的影响，用凝固模拟软件模拟正常浇注和慢速浇注的充型过程，图9为正常浇注的模拟过程，上分型面时间为2 min，图10为慢速浇注的模拟过程，上分型面时间为4 min.从图9和图10可以看出，在慢浇的过程中，钢水的凝固速度比较快，温度比较低，甚至有些部位在左右两部分钢水汇合以前已经凝固为固态，就已经产生凝固收缩，这时收缩为自由收缩。这样就会减少钢水汇合以后的凝固收缩，从而降低由于齿面凝固收缩产生的应力。另外，慢浇时螺牙面的钢水散热快、温度相对低，牙面强度比较高。

图9　模拟快速浇注过程

图10　模拟慢速浇注过程

2）提高砂型的退让性，减少铸件的收缩阻力，可以减少线性缺陷的产生。

放锯末干砂，降低砂型的强度，可以减少收缩阻力。

3）螺牙面上放外冷铁，加大螺牙面冷却速度，可以提高表面强度，减少线性缺陷的产生。

4）采用优质真空精炼钢水，严格控制钢水的化学成分，降低S、P含量，控制［H］、［O］、［N］含量，可以减少铸件夹渣缺陷，防止线性缺陷的产生。

5）适当降低浇注温度，低温浇注加快铸件的凝固速度，可减少线性缺陷的产生。

［1］胡彭生.型砂［M］.上海：上海科技大学出版社，1980.

［2］赵建华，陈红兵.浅析铸造过程模拟仿真技术［J］.铸造设备研究，2007（2）：48-52.

TG269文献识别码：A

1674-6694（2016）02-0015-05

10.16666/j.cnki.issn1004-6178.2016.02.006

2016-01-22 作者简介：梁爱兰（1964-），女，高级工程师。从事铸造工艺研究开发工作。