基于环件短流程铸辗复合成形的冶炼、凝固过程工艺研究与质量控制

由于传统的锻坯-冲孔-辗扩成形工艺制造环形零件存在浪费材料、浪费能源等问题，节能、节材、高效的短流程铸辗复合成形技术成为了制造环件的最佳选择，而冶炼和凝固又是该工艺的基础和关键环节。本项目提出以大型轴承套圈等环件为研究对象，采用理论分析、实验研究与数值模拟相结合的研究方法，研究适合于环件短流程铸辗复合成形技术的冶炼、凝固理论与工艺。重点研究冶炼过程中的物理化学反应机理，控制气体和夹杂物含量，提高钢坯纯净度、成分均匀化的精炼技术和方法；分析环件浇注凝固工艺参数对缺陷形成和分布规律的影响；研究凝固结晶过程中晶粒细化途径，晶核形成的热力学条件和晶核长大的动力学过程，以及浇注凝固工艺参数对结晶晶粒细化规律的影响。制定出控制钢坯纯净度、凝固缺陷分布和晶粒细化的工艺方案与参数，提出一条最佳的冶炼、凝固工艺流程，为环件铸锻复合成形技术提供优质钢坯，实现环件制造节能、节材，降低成本和提高经济效益的目的。

为了获得适用于短流程铸辗复合成形技术的高质量环坯，以Q235B和42CrMo为研究对象，利用Procast软件分析了钢液分别在砂型铸造和离心铸造凝固过程中的流场、温度场、应力场情况，并对环坯中的缺陷分布、晶粒生长状况等进行了模拟预测，研究了各种工艺参数对充型过程、缺陷分布及晶粒生长状况的影响规律；设计了相关工艺参数，进行了环形钢坯的离心铸造和砂型铸造现场实验，并对铸坯进行了组织观察和性能测试。模拟结果表明，对于离心铸造工艺而言，浇注温度为1520~1540℃，铸型温度为100℃时，同时界面换热参数大小为2000W/m2K，铸型转速设置为240 r/min时，环坯中的柱状晶比较少，质量比较好；对于砂型铸造而言，浇注温度为1520℃~1540℃时，铸型温度为25℃，铸件中没有缩松缩孔缺陷，铸件的组织中柱状晶的比例较小。现场试验结果表明，离心铸坯的原奥氏体晶粒、铁素体晶粒、珠光体团及层片间距都比砂型铸坯小，珠光体与夹杂物的分布也比较分散，从而导致离心铸坯的力学性能明显高于砂型铸坯。另外，为了满足铸辗连续成形工艺对环坯质量的要求，采用Procast软件分析了冷却速度对离心铸造42CrMo环坯裂纹和二次枝晶臂间距的影响。结果表明，虽然离心铸造采用砂衬时，冷却速度较慢，形成的热应力较小，不容易形成裂纹，对避免缺陷有利，但出模时间长，不利于铸辗连续成形工艺的实施；离心铸造不采用砂衬时，冷却速度快，整个铸坯由外到内二次枝晶臂间距比较小，组织性能好。虽然离心铸造时，不采用砂衬会导致环坯容易出现裂纹，但可以通过改变其它铸造工艺参数避免裂纹的产生，从而满足铸辗连续成形工艺的要求。这些结果进一步完善了不同铸造条件下钢的凝固理论，对相关产品的生产可起到一定的指导作用。