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鑄鋼件雙相區熱處理

日期:2017年8月8日 12:06

  熔模鑄造是以最終產品為摹本,將石蠟類材料壓制成精確光潔的蠟模,在蠟模上涂敷多層耐火材料,待漿料干燥硬化后形成型殼,然后將凝固在型殼內的蠟模熔化使之流出,再將型殼焙燒使之堅固、干燥,最后再將熔化的液態金屬澆注入型殼中,液態金屬在型殼中冷卻、凝固后即成為精確光潔的鑄件。這種鑄造工藝可以生產出精密復雜、接近于產品最后形狀,可不加工或很少加工就可直接使用的金屬零部件或精美工藝品,所以,它是一種近凈形的金屬液態成形工藝。與砂型鑄造方法相比,具有以下特點:
  
  1.鑄件尺寸精度高,表面粗糙度值低,可以實現少加工或無切削加工;
  
  2.可以鑄造薄壁件或重量很輕的鑄件;特別適合鑄造帶有花紋、文字或溝槽類的鑄件;
  
  3.能夠鑄造特別復雜的鑄件,或將眾多零件組合、焊接。
  
  中國是熔模鑄造技術的發源地之一。據考證,在距今2500年前的春秋時期就已出現了失蠟鑄造。1978年在湖北隨州出土的曾侯乙墓的尊和盤是早期失蠟鑄造的代表作。現代熔模鑄造工藝是在20世紀初期開始形成。第二次世界大戰期間,由于國防、航空發展的需要,美、英等國首先采用熔模鑄造的方法生產噴氣渦輪發動機葉片。進入80年代以來,世界各地熔模鑄造的產量、產值、質量,都有很大的增長和提高,當前熔模鑄造正向精密、大型、復雜、部件整鑄的方向發展。
  
  我國的熔模鑄造是在50年代開始應用于工業生產,首先從航天、航空部門逐步發展到所有的工業部門中,得到廣泛的應用。
  
  中國大陸精鑄業的發展狀況
  
  1.中國大陸精密鑄造行業的規模
  
  中國大陸精鑄行業雖然在20世紀50年代中期已經建立,并逐漸得到推廣應用,但真正的飛速發展卻是在20世紀90年代初至今的十多年間,特別是最近幾年。目前,中國熔模鑄造有兩類水平的工藝,第一類企業采用中溫模料制模和硅溶膠或硅酸乙酯粘結劑制殼的熔模鑄造工藝,即國際通用的熔模鑄造工藝。第二類為采用低溫模料和水玻璃粘結劑制殼工藝,其鑄件尺寸精度和表面粗糙度比第一類差,達不到國際熔模鑄造水平。根據大陸的情況,還有采用中溫或低溫模料制模,表面層采用硅溶膠、加固層采用水玻璃制殼的復合工藝,能夠在保證較高的尺寸精度和表面質量情況下降低成本。據統計,2001年采用第一類的廠家超過350家,年產量7.5萬噸,年產值32.8億元;第二類工藝生產廠家(包括復合工藝)超過1350家,年產量近20萬噸,年產值15億元。而2002年,產量更達到32.1萬噸,產值達到54.9億元。2002年的產量是1988年的6.4倍。而產值則是1988年3.3億的16.6倍。
  
  2.工藝水平、鑄件質量和產品類別從用途和質量水平看
  
  目前我國精密鑄造生產的鑄件主要是:采用第一類工藝生產的航空及燃氣輪機用鑄件,質量達到國際水平,廠家有50家,年產量0.5萬噸,年產值4億元;采用第一類和復合工藝生產的商業用精鑄件,其質量檢查項目和標準低于航空件,有300家左右,年產量7萬噸,年產值28.8億元;采用第二類工藝生產的尺寸精度和表面粗糙度要求低的熔模精鑄毛坯件,有1350家左右,年產量近20萬噸,年產值15億元。從三種質量水平鑄件的比重分布可以看出,水平高的航空精鑄件產量很少,僅占總產量的1.8%,一般商用精鑄件占25.6%,而且質量還達不到國際標準,水玻璃鑄件卻占總產量的72.6%。總體與美國、英國、歐日等先進國家和地區熔模鑄件的市場結構相比,有明顯的差距,高質量的精鑄件比例還很低。
  
  盡管如此,中國熔模鑄造工藝的各個環節還是有了長足的進步,對熔模鑄造發展有較大影響的新材料、新工藝、新設備也很多,如水溶性型芯、陶瓷型芯、金屬材質改進、大型熔模鑄造技術、鈦合金熔模鑄造、定向凝固和單晶鑄造、過濾技術、熱等靜壓、快速成型技術、計算機在熔模鑄造中應用以及機械化自動化等技術發展使熔模鑄造不僅能生產小型鑄件,而且能生產較大鑄件,最大的熔模鑄件的輪廓尺寸已近2m,而最小壁厚卻不到2mm。同時熔模鑄件也更趨精密,除線性公差外,零件也能達到較高的幾何公差。熔模鑄件的表面粗糙度值也越來越小,可達到Ra0.4um。
  
  3.配套業務逐步齊全
  
  由于精鑄行業的飛速發展,帶動了相關的配套業務的快速發展。主要表現在模具加工、設備制造、原輔材料生產。據初步統計,以加工設備為主的制造精鑄用模具的專業廠,已經在精鑄廠集中的地區如廣東、山東和武漢等地形成,專用設備的制造廠林立;精鑄原輔材料生產廠和供應商已經發展到近百家,而且由于第一類精鑄工藝生產所需的模料、鋯英粉、砂帶等輔料和一些先進的設備尚不能國內生產,每年要從國外進口數以千噸的原輔材料。但由于我國基礎工業和資源條件與其他發展中國家相比要好得多,因此,精鑄服務業發展的同時,還將向東南亞國家乃至世界延伸和發展他們的市場。
  
  4.行業與國際水平間的差距和優勢與國際熔模鑄造水平相比
  
  中國的精鑄業應用第一類工藝生產的航空精鑄件產量很少,高質量的精鑄件也不多,大多生產精度要求不高的管件、五金、馬具和汽車零件,合金種類單一,特別是高溫合金和有色合金所占的比重太小,我國的精鑄水平還是十分落后。
  
  但是,中國的勞動力成本較低,原材料豐富,在產品價格上占有較大的優勢,只要將產品質量提高,在國際上仍有很大的競爭力。同時,國內高新技術產業的興起,機械行業向精密化、小型化發展,以及建筑行業陸續出臺的一些法規和地方法規,用鑄銅和不銹鋼鑄件代替鑄鐵管件,為精鑄行業提供了前所未有的商機。
  
  同時,中國民營精鑄業的加盟和迅猛發展,為中國精鑄業注入了新鮮的活力,已經成為國家精鑄業最強勁、也是最現實的競爭對手。這類企業從80年代至90年代初,多以合資和獨資的形式,從臺灣、日本等地引進料硅溶膠制殼工藝,主要分布在沿海及周邊地區,其產品大部分銷往國際市場,同時也由于其體制先進、機制靈活、管理高效,所以效益非常好。雖僅有20多年的發展,但已成為中國大陸精鑄業承擔出口業務的生力軍。另一方面,由于其設備設施水平高,工藝和質量水平在國內屬先進水平,基本上達到了國外的一般水平,有直接出口訂單和市場同盟,產品價值保持在較高的水平,基本與國際接軌。無論從技術水平還是從營銷渠道上講,他們都是國資精鑄企業強有力的競爭對手。而以東風精密鑄造有限公司等廠家為代表的一部分第二、第三類工藝企業近年來無論工藝技術水平、產品質量和勞動生產率正在加速向國際市場推進,并將繼續為提升中國精鑄業水平積極努力。
  
  近年來,用于低溫下的鑄鋼件日益增多,其中不少是低溫下的承壓件,這類鑄件大都對低溫沖擊韌度有嚴格的要求。
  
  在對鑄鋼件的種種要求中,對很多鑄鋼廠來講,最難的達標的就是沖擊韌度。通常為提高沖擊韌度而采取的措施不外以下幾種:
  
  ◆降低含碳量;
  
  ◆適當提高錳、碳比(Mn/c);
  
  ◆加入合金元素,如Ni,Cr,Mo等;
  
  ◆降低含硫量;
  
  ◆減少鋼中的硫比物夾雜,改善硫化物夾雜的形態;
  
  ◆采用爐外精煉工藝;
  
  ◆改進熱處理
  
  上述各項措施中,改進熱處理是應當重視的首選方案,因為:
  
  ◆不導致鑄造工藝過程的重大調整;
  
  ◆不必添加設備;
  
  ◆生產成本增加很少。
  
  1978年,E. G. Nisbett、R.D.ASP和D. E. Morgan等人發表了對鍛造碳鋼進行雙相區熱處理的研究結果。核電站用的碳鋼鍛件,經雙相區熱處理后,沖擊韌度約提高了兩倍,而抗拉強度只略有下降。
  
  此后,加拿大的鑄鋼業界和歐洲的一些企業對鑄鋼的雙相區熱處理進行了研究,也得到令人滿意的效果。
  
  1.什么是雙相區熱處理
  
  鑄件的雙相區熱處理,是在鑄件原實施的正火或淬火的基礎上,再加以只熱到雙相區的第二次正火或淬火處理。
  
  雙相區在A1和A3之間,鋼在此范圍中不完全奧氏體化,組織由α加γ兩相構成,所以稱為雙相區。共析鋼沒有雙相區,所以,這種處理只適用于亞共析鋼。鋼的含碳愈低,其雙相區的范圍也就愈寬。
  
  顯微組織為鐵素體加珠光體的亞共析鋼,加熱到A1以上的溫度,組織中的相變情況大致如下:
  
  a.剛超過A1(727℃)
  
  鐵素體基本上保持不變,珠光體逐步轉變為奧氏體。新的奧氏體晶粒在珠光體團的邊界上生核,珠光體中的片狀碳化物粗大化并變成球狀。隨著轉變過程的進行,碳從球狀碳化物向不斷長大的奧氏體中擴散。這樣,就在原有的球光體內形成新的鐵素體晶粒。珠光體發生這種轉變所需的時間,因鋼中合金元素含量和溫度而異,但是,在雙相區內經1小時大約可完成90%。由珠光體形成的奧氏體,其初始含碳量接近共析成分(即0.77%左右)。
  
  b.加熱到雙相區內較高的溫度
  
  如將鋼加熱到較高的溫度,則奧氏體區會進一步擴大到原有的鐵素體中,奧氏體的含碳量也會逐步降低到接近鋼的成分。原有的鐵素體中也可能形成一些小而孤立的奧氏體。
  
  鑄鋼件在雙相區保溫后再冷卻時,生成的奧低體又轉變為珠光體和鐵素體。處理的主要效果是晶粒組織細化,因而能改善鋼的韌性。
  
  2.熱處理工藝要點
  
  重要的鑄鋼件,在進行熱處理之前應進行一次均勻化退火,以消除魏氏組織。均勻化退火的溫度一般在A3以上100-150℃,在此溫度下保溫后爐冷。一般的鑄鋼件,可以不進行這種處理。
  
  除有特殊要求的鑄鋼件外,一般都采用退火、正火或調質等熱處理工藝。
  
  采用退火處理的鑄鋼件,對力學性能的要求一般都不高,對這類鑄件,不必用雙相區處理。
  
  采用正火或調質處理的鑄鋼件,如要求改善沖擊性能,可進行雙相區處理的試驗研究,以下意見可作為試驗時的參考。
  
  a.采用正火處理的情況
  
  碳鋼鑄件和低合鋼鑄件,一般都采用正火或正火、回火處理。正火處理時,加熱溫度應在A3以上30-50℃,保溫時間按鑄件截面厚度確定,一般為每25mm厚度1小時。
  
  進行雙相區熱處理時,將經正火處理的鑄件再次加熱到A1以上,A3以下的某一溫度,保溫后空冷。A3的具體值因鋼的含碳量和合金元素含量而不同,可從熱處理手冊中查到,雙相區處理的具體溫度值值,應由試驗的結果確定,可先在試驗室用試樣作不同的處理,從而選取效果最佳的溫度。
  
  如正火后還需回火,則回火應在雙相區處理之后進行。
  
  b.采用調質處理的情況
  
  對力學性能要求高的低合金鋼鑄件,應采用調質處理工藝,調質處理包括淬火和回火兩道工序。
  
  鑄鋼件淬火時,加熱溫度一般在A3以上20-30℃。
  
  調質鋼進行雙相區熱處理,應在淬火之后進行。處理溫度的選定與前述正火相同,在選定溫度下保溫后也淬火冷卻,淬火介質與第一次淬火相同。

所屬類別: 經典案例

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