提高高铬铸铁螺杆质量的研究

陈亚飞 李富强 韩韡

【摘要】通过对高铬铸铁铸造工艺改进和过程控制，提高了铸件表面质量和减少了铸件变形；通过对螺杆的淬火热处理工艺进行研究，使螺杆淬火硬度符合要求。

【关键词】高铬铸铁；螺杆

引言

高铬铸铁螺杆铸件加工余量单边2mm，如果铸件表面有较大的缺陷（夹渣、砂眼等），基本不能够加工掉，而螺杆材质为高铬铸铁，该材料的焊补性能很差，不能焊补，因此当加工后存在较大缺陷时，只能报废。目前，由于螺杆铸件表面缺陷多、变形问题，造成铸件成品率较低，为70%左右。为了提高其成品率，应对其铸造工艺进行改进和过程控制；同时，高铬铸铁螺杆要求≥60HRC，但淬火后硬度不稳定，有时不能达不到要求，应对其热处理工艺进行优化研究。

1.铸造工艺研究

1.1浇注系统工艺设计

设计如图1所示的浇注系统，将该工艺用MAGMA凝固模拟软件模拟，模拟结果如图1所示。从图1可以看出该工艺不会产生疏松。该浇注系统为顶注式，铁水充型不平稳，易产生飞溅，但考虑到熔模精密铸造工艺的浇注系统要求简单方便，综合考虑该工艺是合理的。

1.2 蜡模、制壳、脱蜡焙烧工艺

（1）蜡模①为了防止蜡模变形，蜡膏注入模具后，一般5分钟后再起模，蜡模取出后应立即放入水中，防止變形。②每根蜡模应用专门的工装检查蜡模的变形量，蜡模变形量应≤1mm，如果有较多的蜡模超过1mm，应及时通知压蜡人员，延长起模时间。③蜡模表面不允许存在凹坑和内尖角，因为凹坑和内尖角制壳后产生凸出点，浇注时易形成砂眼，而且蜡模表面凹壳大，会使铸件在加工时，该位置不能够加工出来，所以为了控制铸件质量，蜡模表面一定要修理平整；④焊蜡时，为了使两根蜡模之间的涂料能够有足够的厚度，两根蜡模之间的距离要保持≥10mm。

（2）制壳

螺杆生产采用水玻璃制壳工艺，制壳是非常重要的工序，如果该工序没有控制好，铸件容易产生起皮、砂眼等铸造缺陷。制壳工艺：①型砂要求粒度均匀，粉尘少，湿度小，并将大颗粒砂子与涂料结块筛去，尤其是面层、二层、三层。表面层或加固层第一层砂料中的粉尘过多， 撒砂时粉尘先粘附在涂料层的表面， 而使合格的砂子粘得很少或粘不上，下一层涂料粘在这一层浮砂的表面产生了隔离面。随着焙烧温度的升高，壳层沿着隔离面分层起夹层，向型腔内鼓胀产生裂纹，钢水渗入包夹层形成起皮。②选择合理的涂料粘度和硬化时间。一般表面层用砂较细，撒砂后的砂粒间隙较小，若加固层第一层涂料粘度较大，涂料不能很好地渗透到砂粒间隙中与砂粒包裹粘结在一起或包覆的粘结力较小。随着焙烧温度的升高，表面层同加固层之间出现夹层，向型腔内鼓胀，钢水渗入夹壳层形成起皮。如果粘度太小，易使铸件产生粘砂。③选择合理的干燥时间，目测为不湿不白。表面层或加固层第一层型壳硬化后， 残留在表面上的氯化按硬化剂失水浓缩，如果在型壳的表面上尤其是底部积聚得较多，蒸发得较慢，形成了一层隔膜，阻碍了下一层涂料与上一壳层的粘合。随着焙烧温度的升高，壳层从隔膜处分出夹层，向型腔内鼓胀，钢水渗入夹壳层导致铸件起皮。

（3）脱蜡焙烧

螺杆脱蜡要求：①脱蜡前应将浇口杯边缘修平，并吹去浮砂，并放入水中清洗。②脱蜡过程中应经常检查脱蜡液温度是否符合工艺要求，若不符合应及时调整。③脱蜡液温度不得低于90℃，严禁在脱蜡液沸腾的状态下脱蜡。

螺杆模壳焙烧要求：①模壳焙烧时，浇口向下放置，防止模壳焙烧时砂子掉入型腔中，形成砂眼。②焙烧温度停留在上限温度的时间最好不要超过30分钟，焙烧温度越高，保温时间相应缩短。焙烧合格的型壳出炉时，应呈白色或淡粉红色，不冒烟。如呈深灰色，则模壳焙烧不良。

1.3 熔炼浇注工艺

（1）浇注前，将模壳倒三次，如果型壳中的型壳材料未倒干净，易使铸件产生夹砂。（2）浇包嘴和浇包壁上残留的熔渣清除干净。（3）待金属炉料全部熔化并提温至1480℃后，先后加入锰铁、硅铁及铝进行充分脱氧；采用中频感应电炉熔炼，温度不能太高，温度达到1500℃～1520℃时即可出炉，铁液在包内应停留一段时间进行镇静，在1420℃左右时浇注。

2.热处理工艺研究

螺杆的材质为高铬铸铁，牌号为KmTB20Cr。高铬铸铁在铸型中冷却时，基体过饱和地溶解了碳及合金元素。在以后的热处理过程中，随着加热温度的升高，碳和合金元素的扩散能力逐渐增强，将导致颗粒状或针状二次碳化物析出[1]，所以高铬铸铁淬火后的组织为马氏体+块状M7C3碳化物+粒状二次碳化物+残余奥氏体，这样的高铬铸铁在具有高耐磨性的同时，也具有相当的韧性，减小了开裂倾向。

螺杆的加工工艺流程为：铸造—软化退火处理—机加工—淬火热处理—包装发货。螺杆铸造后硬度高，加工前需要软化退火后才能加工。其淬火热处理工艺为先升温至950℃，保温2～3小时出炉风冷。螺杆淬火后硬度要求≥6OHRC，但其硬度不稳定，有时达不到要求。未解决硬度不稳定，采取提高淬火温度，具体采用如下三种热处理工艺方案：（1）软化退火工艺为升温至850℃±10℃，保温2～3小时炉冷；淬火工艺为升温至950℃±10℃，保温2～3小时出炉空冷或风冷。（2）软化退火工艺为升温至850℃±10℃，保温2～3小时炉冷；淬火工艺升温至1000℃±10℃，保温2～3小时出炉空冷或风冷。（3）软化退火工艺为升温至850℃±10℃，保温2～3小时炉冷；淬火工艺为升温至1050℃±10℃，保温2～3小时出炉空冷或风冷。

从表2中可以看到：（1）淬火温度分别为950℃、1000℃且空冷，硬度不能达到60HRC以上；淬火温度为1050℃且空冷，硬度为61.5～62.5HRC以上，硬度余量较少。（2）淬火温度为950℃且风冷，硬度为60～62HRC，硬度余量较少；淬火温度为1000℃且风冷，硬度为62～63HRC；淬火温度为1050℃且风冷，硬度为65～66HRC。（3）随着淬火温度的升高，硬度相应升高。大批量生产时，为了使硬度能够稳定达到60 HRC以上，应选择淬火温度为1000℃～1050℃且风冷较为合适。

3.生产试验

采用上述的工艺批量生产三批螺杆，每批分别为150根、200根、180根，加工后其成品率达到90%以上；淬火后每批分别抽检5根螺杆测试其硬度，其硬度均符合要求。

4.结论

（1）通过铸造工艺改进和过程控制，减少了铸件表面缺陷和变形，提高了铸件成品率，铸件的成品率由70%提高到90%以上。

（2）通过热处理工艺的研究，使淬火硬度稳定达到60HRC以上。研究表明，淬火温度为950℃且风冷，硬度为60～62HRC；淬火温度为1000℃且风冷，硬度为62～63 HRC；淬火温度为1050℃且风冷，硬度为65～66 HRC。批量生产时为了使硬度能够稳定达到60 HRC以上，应选择淬火温度为1000～1050℃且风冷。

参考文献

[1]苏俊义.铬系耐磨白口铸铁[M].北京：国防工业出版社，l990：7～8

作者简介

陈亚飞，女，（1983.4-），四川内江，材料科学与工程专业，本科学历.