[科普中國(guó)]-鑄鋼件

鑄鋼件是指用鑄鋼制作的零件，與鑄鐵性能相似，但比鑄鐵強(qiáng)度好。鑄鋼件在鑄造過程中易出現(xiàn)氣孔缺陷、角度定位不準(zhǔn)確等缺點(diǎn)，在長(zhǎng)期使用中就有可能出現(xiàn)機(jī)殼斷裂的現(xiàn)象。

特征1、優(yōu)點(diǎn)

鑄鋼件的優(yōu)點(diǎn)之一是設(shè)計(jì)的靈活性，設(shè)計(jì)人員對(duì)鑄件的形狀和尺寸有最大的設(shè)計(jì)選擇自由，特別是形狀復(fù)雜和中空斷面的零件，鑄鋼件可采用組芯這一獨(dú)特的工藝來(lái)制造。其成形和形狀改變卻十分容易，從圖樣到成品的轉(zhuǎn)化速度很快，有利于快速報(bào)價(jià)響應(yīng)和交貨期的縮短。形狀和質(zhì)量的完善化設(shè)計(jì)、最小的應(yīng)力集中系數(shù)以及整體結(jié)構(gòu)性最強(qiáng)等特點(diǎn)，都體現(xiàn)鑄鋼件設(shè)計(jì)的靈活性和工藝優(yōu)勢(shì)：

1)鑄鋼件冶金制造適應(yīng)性和可變性強(qiáng)，可以選擇不同的化學(xué)成分和組織控制，適應(yīng)于各種不同工程的要求；可以通過不同的熱處理工藝在較大的范圍內(nèi)選擇力學(xué)性能和使用性能，并有良好的焊接性能和加工性能。

2)鑄鋼材料的各向同性和鑄鋼件整體結(jié)構(gòu)性強(qiáng)，因而提高了工程可靠性。再加上減輕重量的設(shè)計(jì)和交貨期短等優(yōu)點(diǎn)，在價(jià)格和經(jīng)濟(jì)性方面具有競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)。

3)鑄鋼件的重量可在很大的范圍內(nèi)變動(dòng)。重量小者可以是僅幾十克的熔模精密鑄件，而大型鑄鋼件的重量可達(dá)數(shù)噸、數(shù)十噸乃至數(shù)百噸。1

2、缺點(diǎn)

(1)組織不均勻。液態(tài)金屬注入鑄模后與模壁首先接觸的一層液態(tài)金屬因溫度下降最快，因此很快凝固成為較細(xì)晶粒。隨著與模壁距離的增加，模壁影響逐漸減弱，晶體沿與模壁相垂直的方向生長(zhǎng)成彼此平行的柱狀晶體。在鑄件的中心部位，散熱已無(wú)顯著的方向性，且可自由地朝各個(gè)方向生長(zhǎng)直至彼此接觸，故形成等軸晶區(qū)。由此可見，鑄件內(nèi)的組織是不均勻的，一般說(shuō)來(lái)，晶粒比較粗大。

(2)組織不致密。液態(tài)金屬的結(jié)晶以樹枝生長(zhǎng)方式進(jìn)行，樹枝間的液態(tài)金屬最后凝固，但樹枝間很難由金屬液體全部填滿，造成鑄件普遍存在不致密性。此外，注入模中的液態(tài)金屬在冷卻中及凝固中如體積收縮而未獲足夠的補(bǔ)充，也可形成疏松甚至縮孔。鑄鐵件中的石墨往往以較大尺寸的片狀、球狀或其他形狀出現(xiàn)，也可看成是一種不致密組織。

(3)表面粗糙。表面一般來(lái)說(shuō)比較粗糙，不能與機(jī)加工表面相比，形狀也較復(fù)雜。2

應(yīng)用由于鑄鋼件的特點(diǎn)，幾乎所有的工業(yè)部門都需要用鑄鋼件，在船舶和車輛、建筑機(jī)械、工程機(jī)械、電站設(shè)備、礦山機(jī)械及冶金設(shè)備、航空及航天設(shè)備、油井及化工設(shè)備等方面應(yīng)用尤為廣泛。至于鑄鋼件在各產(chǎn)業(yè)部門的應(yīng)用，由于各國(guó)的具體條件不同，情況可能有較大的差異。

鑄鋼件的品種繁多，不勝枚舉。現(xiàn)就幾個(gè)主要的產(chǎn)業(yè)部門使用鑄鋼件的情況做簡(jiǎn)要說(shuō)明。

1、電站設(shè)備

電站設(shè)備是高技術(shù)產(chǎn)品，其主要零件都在高負(fù)荷下長(zhǎng)時(shí)間連續(xù)地運(yùn)轉(zhuǎn)，火電站和核電站設(shè)備中有不少零部件還需耐受高溫和高壓蒸汽的腐蝕，因而對(duì)零部件的可靠性有很嚴(yán)格的要求。鑄鋼件能最大限度地滿足這些要求，在電站設(shè)備中廣為采用。

2、鐵路機(jī)車及車輛

鐵路運(yùn)輸與人民的生命財(cái)產(chǎn)安全密切相關(guān)，因此。保證安全是至關(guān)重要的，機(jī)車車輛的一些關(guān)鍵部件，如車輪、側(cè)架、搖枕、車鉤等，都是傳統(tǒng)的鑄鋼件。

鐵路轉(zhuǎn)轍用的轍岔是承受強(qiáng)烈沖擊和磨擦的部件，工況條件極為惡劣，形狀又很復(fù)雜。

3、建筑、工程機(jī)械及其他車輛

建筑機(jī)械和工程機(jī)械的工況條件都很差，大部分零件都承受高的負(fù)荷或需耐受沖擊磨損，其中很大一部分是鑄鋼件，如行動(dòng)系統(tǒng)中的主動(dòng)輪、承重輪、搖臂、履帶板等。

一般汽車很少用鑄鋼件，但特種越野車和重型貨車的行動(dòng)部分也用不少的鑄鋼件。1

生產(chǎn)(1)鑄鋼的熔煉。鑄鋼必須采用電爐熔煉，主要有電弧爐和感應(yīng)電爐。根據(jù)爐襯材料和所用渣系的不同，義可分為酸性熔爐和堿性熔爐。碳鋼和低合金鋼可采用任何一種熔爐熔煉，但高合金鋼只能采用堿性熔爐熔煉。

(2)鑄造工藝。鑄鋼的熔點(diǎn)高，流動(dòng)性差，鋼液易氧化和吸氣。同時(shí)，其體積收縮率為灰鑄鐵的2～3倍．因此，鑄鋼的鑄造性能較差，容易產(chǎn)生澆不足、氣孔、縮孔、熱裂、黏砂、變形等缺陷。為防止上述缺陷的產(chǎn)生，必須在工藝上采取相應(yīng)措施。

生產(chǎn)鑄鋼件用型砂應(yīng)有高的耐火度和抗黏砂性，以及高的強(qiáng)度、透氣性和退讓性。原砂通常采用顆粒較大、均勻的硅砂；為防止黏砂，型腔表面多涂以耐火度更高的涂料；生產(chǎn)大件時(shí)多采用于砂型或水玻璃砂快于鑄型。為了提高鑄型強(qiáng)度、退讓性，型砂中常加入各種添加劑。

在澆注系統(tǒng)和冒口的設(shè)計(jì)上。由于鑄造碳鋼傾向逐層凝固，收縮大，因此多采剛順序凝固原則來(lái)設(shè)置澆注系統(tǒng)和冒口．以防止縮孔、縮松的出現(xiàn)。一般來(lái)說(shuō)，鑄鋼件都要設(shè)置冒口。冷鐵也應(yīng)用較多。此外，應(yīng)盡量采用形狀簡(jiǎn)單、截面面積較大的底注式澆注系統(tǒng)，使鋼液迅速、平穩(wěn)地充滿鑄型。

(3)熱處理。鑄鋼的熱處理通常為退火或正火。退火主要用于w(C)≥0.35%或結(jié)構(gòu)特別復(fù)雜的鑄鋼件，這類鑄件塑性差，鑄造應(yīng)力大，鑄件易開裂。正火主要用于w(C)≤0.35%的鑄鋼件，這類鋼件碳含量低，塑性較好，冷卻時(shí)不易開裂。3

常見缺陷鑄鋼件在澆鑄過程中產(chǎn)生的缺陷雖然與鋼錠澆注產(chǎn)生的缺陷類似，但它們?nèi)詫俟に嚾毕?，常見的工藝缺陷有氣孔、夾雜、縮孔、疏松和裂紋等。

(1)氣孔(氣泡)：氣孔(氣泡)是由于金屬液含氣量過多，模型潮濕及透氣性不佳而形成的空洞。鑄件中的氣孔分為單個(gè)分散氣孔和密集氣孔。

(2)夾雜：夾雜分為非金屬夾雜和金屬夾雜兩類。非金屬夾雜是冶煉時(shí)金屬與氣體發(fā)生化學(xué)反應(yīng)形成的產(chǎn)物或澆注時(shí)耐火材料、型砂等混入鋼液形成的夾雜物。金屬夾雜是異種金屬偶爾落入鋼液中未能溶化而形成的夾雜物。

(3)縮孔：縮孔是由于金屬液冷卻凝固時(shí)體積收縮得不到補(bǔ)充而形成的缺陷?？s孔多位于澆冒口附近和截面最大部位或截面突變處。

(4)疏松：由于熔煉不良，鑄模形狀不適當(dāng)?shù)仍?，在鑄鋼件壁厚的中部產(chǎn)生了細(xì)的晶界裂紋或者晶界中產(chǎn)生細(xì)微的空隙，而形成的疏松結(jié)構(gòu)，這部分晶粒間的結(jié)合相當(dāng)弱(在射線透照底片上形成云霧狀暗影)。

(5)裂紋：裂紋是指鋼液，冷卻過程中由于低熔點(diǎn)雜質(zhì)過多，加之內(nèi)應(yīng)力(熱應(yīng)力和組織應(yīng)力)過大使鑄件局部裂開而形成的缺陷。鑄件截面尺寸突變處，應(yīng)力集中嚴(yán)重，易出現(xiàn)裂紋。

綜上所述，鑄鋼件中工藝缺陷的顯著特點(diǎn)是形狀復(fù)雜；鑄鋼件的使用缺陷主要是疲勞裂紋，包括機(jī)械疲勞裂紋和熱疲勞裂紋。2

檢測(cè)檢測(cè)難點(diǎn)1．超聲波穿透性差

粗大的晶粒、不均勻的組織等的復(fù)雜界面，都增強(qiáng)了超聲波的散射，能量衰減大，以致可探厚度比之鍛件要小。

2．干擾雜波多

聲波在不均勻、不致密組織和粗大晶粒界面上散射時(shí)，其散射信號(hào)強(qiáng)度較大，并為探頭所接收；粗糙的鑄造表面對(duì)聲波反射會(huì)形成雜波；這些在示波屏上都會(huì)顯示為雜亂的林狀回波(也稱之為草狀回波)，將可能淹沒缺陷回波，妨礙缺陷回波的辨認(rèn)。

3．表面耦合條件差

鑄鋼件表面粗糙，不利于聲的耦合，表面硬度大，打磨較困難。

4．缺陷的定量較困難

由于鑄鋼件對(duì)聲波的衰減大，缺陷形狀復(fù)雜，以人工缺陷為基準(zhǔn)的缺陷定量評(píng)定，誤差較大，用計(jì)算的方法對(duì)缺陷定量難度更大。

以上所述正是鑄件檢測(cè)的困難所在，這些困難使鑄件檢測(cè)受到一定的限制。但另一方面由于鑄件質(zhì)量要求較低，允許存在單個(gè)缺陷尺寸較大，數(shù)量較多，同時(shí)鑄件缺陷出現(xiàn)的部位規(guī)律性強(qiáng)，因此鑄件檢測(cè)還是具有一定的價(jià)值。2

檢測(cè)方法1)對(duì)于中小型鑄件(特別是熔模精密鑄件)，其體積小、重量輕，加工量也少，可以在固定式磁粉探傷機(jī)上至少在兩個(gè)大致垂直的方向磁化。最好采用直流或脈動(dòng)直流電流，用濕法連續(xù)法檢驗(yàn)。直接通電法、穿棒法、通磁法以及線圈法都是可以用的。

2)對(duì)于體積較大、較重的鑄件，至少在兩個(gè)大致垂直的方向?qū)植炕蚍謪^(qū)進(jìn)行磁化。最好采用直流或半波整流的便攜式或移動(dòng)式磁粉探傷機(jī)，用觸頭法或磁軛法，干法連續(xù)法或濕法連續(xù)法，對(duì)鑄件局部或分區(qū)進(jìn)行檢測(cè)。檢測(cè)一般應(yīng)在兩個(gè)互相垂直的方向上進(jìn)行。

3)為了防止燒壞與電極接觸的鑄件，建議采取下列措施：當(dāng)觸頭與鑄件表面未完全接觸時(shí)不接通電流，當(dāng)電流已經(jīng)斷開時(shí)才取走觸頭。并且采用足夠清潔和適宜的觸頭。對(duì)于經(jīng)過機(jī)械加工的光潔表面，宜采用磁軛法。

4)鑄鋼件由于鑄造應(yīng)力的影響，有些裂紋(冷裂紋)會(huì)延遲開裂，所以不應(yīng)在鑄造后立即檢測(cè)，而應(yīng)在1～2天后再檢測(cè)。

5)鑄件缺陷如果超過驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)被拒收，而又允許挖(鏟)和補(bǔ)焊時(shí)，補(bǔ)焊區(qū)域也要注意控制延遲裂紋的產(chǎn)生。

6)檢測(cè)時(shí)應(yīng)憑肉眼，只有在001和01質(zhì)量等級(jí)檢測(cè)時(shí)可使用不超過3倍的放大鏡。4

本詞條內(nèi)容貢獻(xiàn)者為:

王寧 - 副教授 - 西南大學(xué)