锻钢阀门

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发布时间：2011-2-13 10:21:00  点击数：383
    目前，调节阀的种类很多，尺寸结构各异，大到几吨、几十吨，小到几千克甚至几十克。但就其使用功能而言，大都用于控制流体（气体、液体）的通、关及其流量。由于工作环境的不同，阀门可使用的材质有铸铁、普通碳钢、各种合金钢及有色合金等，如球铁、耐腐蚀钢（耐酸、碱、海水等）、耐磨钢（泥砂含量高）、耐热钢、铜合金等。阀门的技术要求根据使用工况不同而各异，有的要求能够承受较高的压力而不破裂，有的要求气密性高，长期使用不泄气、不渗油，有的要求耐腐蚀、耐磨性很强，要求高者须经X射线探伤。
    阀门铸件的基本结构见图1，属中空结构带有法兰，形状比较复杂技术要求高。生产中常会出现裂纹、缩孔缩松、气孔、夹杂物等铸造缺陷，生产控制有一定难度。本文结合阀门铸钢件的生产实际及作者从事此项工作的一些经验，主要分析裂纹缺陷的形成机制，提出防止和消除裂纹的技术思路和工艺措施，为阀门生产厂家控制和提高铸件质量提供技术参考。
一、阀门铸钢件裂纹的种类和形貌
    1、皮下裂纹
    皮下裂纹隐藏在铸件表皮之下，裂纹较大且走向曲折，机加工后即可发现。皮下裂纹也是常见的热裂纹。
    2、外裂纹
    外裂纹常出现在阀门铸件两壁交接的热节部位，如法兰根部、阀门本体外壁凸起的表面处。外裂纹肉眼即可发现，裂纹比较直，与应力方向垂直，是比较典型的晶间裂纹。由于铸件表面早先凝固，裂纹由外向内发展，因此，外裂纹一般很难得到补缩金属液的自焊补。
    3、内裂纹
    内裂纹是指形成于铸件厚大热节内部的热裂纹，X射线探伤时即可发现，或打压渗漏。如某厂生产的阀门，经用户打压检验，发现在阀门铸字面打压时喷漏，X射线探伤确定是裂纹。

    将呋喃树脂砂工艺生产薄壁铸钢件出现的热裂纹归类为“缩裂纹”和“拉裂纹”。认为前者的形成原因主要是由于裂纹出现处散热条件差，同时存在呋喃树脂砂的渗硫现象，导致该处凝固滞后，收缩时得不到补缩，形成了类似缩孔的缩裂纹:而后者是由于呋喃树脂砂浇注后形成了坚硬的碳化骨架，具有一定的热稳定性，同时热膨胀较大，导致退让性较差，钢液凝固后期的收缩应力撕裂树枝晶骨架，形成开裂。
二、形成原因分析
    在一般情况下，外裂纹是由于铸件的收缩应力大，而型芯退让性差，收缩受阻引起的；皮下裂纹发生在凝固较慢的断面一侧，铸件不同部位或厚大断面表层与内部的凝固速度不一致，收缩不同时发生，产生热应力引起的开裂，裂纹发生后未能得到自愈合焊补；内裂纹是由于热节或厚大断面中心凝固后期的收缩应力撕裂晶粒骨架，缺少液相传输补缩而发生的，也称“应力缩孔”。
    内裂纹或皮下裂纹一般发生在结晶温度范围较宽、断面比较厚大的合金钢阀门铸件中，无损探伤检验常会发现，P、S含量偏高助长其形成。高合金钢（不锈钢）的导热能力差，形成热应力的倾向性大，皮下裂纹较多；若热节处补缩不足，内裂纹也会发生。碳钢件有时也会发生内裂纹或皮下裂纹。
    外裂纹、内裂纹或皮下裂纹都属于热裂，且大多发生在凝固较迟的部位，如靠近冒口处，或局部热节、壁厚较大部位，有时凝固较早的部位（下箱底面），也有发生裂纹的可能性。裂纹是由应力引起的，产生应力的原因很多。
    （1）阀门铸件基本上属于薄壁大芯，如果型芯的退让性不够，会产生较大的收缩应力。
    （2）铸件内部有铸圈的阀门，铸圈阻碍此处向内收缩，且铸圈与件壁形成局部小热节，凝固较周围慢，热裂多发生于此处。
    （3）冒口设置太大，凝固顺序太强；法兰与阀门本体壁厚相差较大，凝固速度不一致；高合金钢的导热性差，铸件中的温差大。这些因素都易产生较大的热应力。
三、预防措施
    1、提高砂芯的退让性
    以直径?400mm（中径）的阀门为例，按2%收缩率（线收缩）计算，自由收缩后直径缩短了8mm，则砂芯在直径方向必须向内退让8mm。铸件才能不产生内应力，这个退让量对砂芯的要求是比较大的。若砂芯的退让不足，则会在铸件上产生拉应力，可能导致裂纹发生。
    提高芯子退让性的一个重要措施是采用中空砂芯。在保证砂芯高温强度满足要求的条件下，中空尽量大，芯壁尽量薄，以提高芯子的退让性。文献（4）报道采用树脂砂芯生产安全阀体，制作专用胎具，将芯子做成中空，使芯子的吃砂量在50mm左右，对消除裂纹效果明显。
    水玻璃砂的退让性较差，在砂芯难以整体做成中空的情况下，可将芯子分成两半，每个半芯作成中空硬化，然后再粘起来，把中缝用涂料堵实，防止钢液窜芯。水玻璃砂在温度>700℃时，硅酸钠粘结膜会发生软化、熔化，砂粒间出现液相，使型芯的热强度大大下降，而具有良好的高温退让性。若芯子中空壁薄，在一定厚度范围内这个温度易于达到。否则，能达到700℃以上温度的芯砂层厚度有限，退让性就会受到限制。
    在水玻璃砂和粘土砂中加木屑（体积为15%～20%），可以有效提高型芯的退让性，应坚持使用。
    2、严格控制化学成分
    A、一般碳钢，在中碳0.21%～0.24%的范围内，热裂倾向性较小，碳小于0.20%和大于0.25%时，热裂倾向性都较大。从铁2碳相图来看，碳含量为0.21%～0.24%时，结晶温度范围并不是最小，但在结晶温度最小的包晶成分（≈0.17%C）点，δ2Fe转变成γ2Fe，会发生较大的相变收缩，增大合金的收缩率。
    B、Si在0.1%～0.6%范围内增加，有利于减小热裂倾向性。一般情况下，厂家控制Si在0.4%左右是有利的，也比较容易做到。
    C、Mn在小于1.0%的范围内，提高Mn量有利于减小热裂倾向性，大于1.0%则无益而有害（易回硫）。
    D、S、P是有害元素，从防止或减少热裂的目标出发，要求钢中S<0.025%、P<0.04%。
    如果能按上述要求对化学成分进行严格控制，就可以把热裂倾向性尽可能的降低，或者说排除了化学成分这一重要因素的影响，有助于将思路集中于其他的工艺措施上去。
    3、添加细化晶粒的元素，提高抗裂性
    在钢中加入<0.3%的稀土（RE）、钛（Ti）、铌（Nb）等元素，可以有效提高抗裂性。
    A、RE有很强的脱硫去气（氧）净化钢液的作用，可以有效减少凝固后期晶间液膜的体积，缩短晶间液膜的存在时间。同时还能细化晶粒，提高铸钢合金的高温强度。这两方面的作用都有防止热裂的功效。另外，稀土元素净化钢液、减少夹杂物，本身对防止热裂是有利的，这已被生产实践所证实。
    B、Ti细化铸钢晶粒（一次结晶）的作用很显著，还能形成TiN（氮化钛），减轻N的有害作用（形成N气孔）。
    C、Nb细化晶粒的作用更强烈，在一些铸钢生产企业有所成功应用。
    以上元素可选其一。细化晶粒的工艺措旋，对减少裂纹显得很有必要。实践表明，在碳钢、不锈钢铸件中采用稀土（RE）元素细化晶粒、净化钢液，对抑制裂纹发生的效果显著。
    4、实现铸件的同时凝固（原则）
    阀门铸件的工艺设计，一般应考虑以补缩为主，目的是防止缩孔和缩松，提高其致密度，承受压力而不渗漏。阀门生产厂家所作的工艺，较多地考虑了冒口补缩，遵从顺序凝固原则，这会增大铸件不同部位的温差。为了减少因温差较大而导致的热应力，防止铸件热裂，应考虑在铸件局部区域实现同时凝固，如施放冷铁、从薄壁处引入浇道、加快浇注速度减小铸件温差等工艺措施。
    A、冷铁的使用
    在易发生裂纹的局部小热节处或厚壁处安放冷铁，可以加快该处的凝固速度，使其与周围的壁同时凝固。如内部有铸圈的阀门，可在铸圈附近安放冷铁。冷铁的大小、方位，是平放，还是立放等细节比较复杂，需要通过实验，视其效果来确定，冷铁的大小可通过其蓄热和传热来进行计算。
    冷铁也有细化晶粒、提高局部高温强度的作用，对于防止热裂来说是有利的。
    对阀门铸钢件，从同时防止缩松和裂纹（内、皮下）的目的出发，工艺上应以顺序凝固原则为主，但顺序不可太强，避免发生外裂纹的倾向性增大。
    某厂曾反映，阀门铸钢件易在远离冒口的部位发生内裂或皮下裂纹，说明裂纹的产生也与补缩工艺有关，原因是良好的补缩系统有及时焊补高温裂纹的作用。所以，有效补缩是消除或防止内裂纹、皮下裂纹的一个有效措施，同时也可防止该处发生缩松。当然，补缩设计与铸件结构的复杂程度、冒口有效补缩距离设计有很大的关系，不能一概而论。
    B、快速浇注
    为实现同时凝固，提倡快速浇注。快速浇注，充型时间短，先浇入的钢液降温少，铸件内的温度比较均匀，有利于减小热应力。快速浇注还有利于气体、夹杂物的清除，因为钢液温度损失小，渣滓和气体有较足够的时间上浮。
    但是快浇的铸件温度高，液态收缩也大，使铸件对补缩量的要求有所增大，故冒口体积设计（补缩液量）必须足够。
    慢速浇注有利于补缩，一边浇，一边降温收缩，一边补，实际上是充分利用了浇注过程中的后补作用。但先浇入的钢液降温大，先充填部分和后充填部分温差也大，收缩的不同时性增大，也不利于渣滓和气体的及时上浮。
    从行业统计的角度，生产中快浇与慢浇相比，铸件发生缺陷的比例较小。
    如何实现快速浇注，快到什么程度?怎样计算浇注时间t，进而确定内浇道的过流面积?建议采用统计学公式来计算浇注时间，即

    式中G———浇注重量，包括铸件和浇冒口的总重量。
    如某厂浇注一铸钢阀门件，G≈300kg，现场实测三个铸件的浇注时间在40～45s，浇注时间偏长，该铸件经常出现裂纹缺陷。若按快速浇注公式计算浇注时间t仅需17～18s。
    快速浇注的问题是易于抬箱跑火，这是由于金属液对上箱和砂芯的动量冲击作用引起的，需要加大压铁，或使用箱卡紧固砂箱，并注意堵好合箱面的缝隙。
    为了实现快浇，工艺上应该注意以下措施：
    （1）满流浇注，使直浇道始终处于充满状态。这就要求手工浇注时速度要快，技术熟练。
    （2）排气孔的总面积（包括顶、侧明冒口）应大于直浇道截面积，给型腔内的气体有足够的排出通道，防止浇注呛火或气体进入钢液。
    （3）采用浇注系统大孔出流计算公式设计各组元的截面积，保证大流量、低流速、平稳、洁净地充填。
    （4）采服拔塞钢包，可加快浇注速度，是铸钢件的正常浇注方法。拔塞包浇注还有挡渣效果好（渣子在上面），减轻钢液氧化等优点。
    适当控制浇注温度，不可太高。浇注温度高了热裂的倾向性大。某厂的经验表明，适当降低浇温（取下限值，或降低10°～15°），同时采用快浇工艺，裂纹大大减少。
    5、防裂筋的使用
    防裂筋对防止铸件直角拐弯处的热裂很有效。但某些厂使用中存在问题，如在有铸圈的铸件表面处加拉筋，仍然开裂。分析原因，可能是相反方向的拉应力仍然存在，且比较大，而设在铸件表面的防裂筋仅对件壁表面有效，件壁内部凝固时已经不起作用，或者防裂筋没有加快此处的凝固速度所致，故应对防裂筋的长度及断面几何尺寸参数，从凝固先后次序的角度进行优化设计。
    6、铸件冒口根部裂纹
    铸件冒口根部周围发生裂纹，这与冒口根处常常发生的缩松缺陷有相似之处，都是冒口对其根部铸件处的热干扰过大所致。防止冒口根杀虫部裂纹的工艺思路是:
    （1）按照铸钢件动态顺序凝固工艺原则（6），移动冒口离开原铸件的热节位置，从原冒口中心线算起，移动距离为1.0～1.5倍的冒口直径，以减小冒口对铸件产生的过强的热干扰，即适当减弱安放冒口形成的过强凝固顺新手卡序。
    （2）适当减小冒口颈尺寸，或使用小冷铁、铬矿砂激泠，使该处提前结壳凝固。
四、结论
    为防止和消除阀门铸钢件裂纹，从生产角度强调以下几点主要工艺措施。
    （1）提高型芯的退让性，以减小收缩应力。对阀门铸钢件，将芯子做成中空结构效果明显。
    （2）严格控制化学成分，特别是硫、磷等易形成低熔点共晶物的元素。
    （3）细化晶粒，净化钢液，以提高抗裂性。加入稀土元素可以兼得。
    （4）采用冷铁，提高浇注速度，在保证良好补缩的前提下减弱顺序凝固，使铸件局部实现同时凝固，减小热应力。
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