论文部分内容阅读
摘要：铸件是装备制造业的基础，对我国国民经济的发展起着重要的作用，在汽车、石化、钢铁、电力、造船等支柱产业中，铸件都占有较大的比重。各种大小类型的装备，铸件一般占整个重量的50～70%，随着经济的发展和技术的进步，铸件的市场需求将逐步扩大。本文主要探讨了ZG230-450铸钢件的质量控的几种路径和方法措施。
关键词：ZG230-450；铸钢件；质量控制
【中图分类号】TG269
1.引言
ZG230-450是一种铸造碳钢也叫ZG25或者25号钢。230是指这种铸钢件的屈服强度为230Mpa，450是指这种材质的抗拉强度为450Mpa。ZG代表铸钢的拼音缩写。其化学成分的组成元素比例（%）：碳C：≤0.30；锰Mn：≤1.20；磷P：≤0.04；硫S：≤0.04；硅Si：≤0.50。
工艺性能：（1）一般用电炉冶炼，冶炼容易掌握。（2）ZG230-450这种材质的碳钢铸造性能较好，熔点较高，实际流动性较差，易氧化，铸造缩水率约1.5%～2.0%，凝固收缩约4.2%，浇注温度约1500～1550℃。（3）焊接性良好，用E5015（E7015）、E5016（E7016）等焊条，焊前不预热或100～150℃低温预热，焊后去应力处理。（4）冷加工被切削性能尚可。无需热处理也可直接进行机加工。
2.铸件毛坯质量和外观的现状
我国的大型铸件生产企业有30多家，大部分是国有大中型企业。目前能够生产200 t级以上铸钢件的只有一重、二重等少数几个厂家。可以生产的最大普通碳钢铸钢件为450 t，不锈钢铸件为180 t；具有一次性生产700 t级钢液、一次性浇注单重500 t级铸钢件、400墩优质铸钢件的能力。
虽然我国大型铸钢件在生产能力上步入世界前列，但在铸件产品品质上存在明显的不足，尤其是一些高端产品难以满足国内市场的需求，高端铸件还依赖于进口。如：长江三峡一期水电工程左岸14台机组中的上冠、下环和叶片铸件的毛坯基本全部从国外进口。在三峡左岸机组的转轮制造中，一重和二重都尝试浇铸了相关铸件，一重铸造了一片叶片，二重铸造了一片叶片、一个上冠和一个下环。其中叶片和上冠铸件浇注成功并已经用于左岸机组。由于还没有很好掌握铸件的变形规律，铸造的毛坯要么加工余量很大（肥头大耳），造成工艺出品率低、加工周期长，要么出现残缺（缺肉），造成焊补量大。
在大型核电设备中的主泵、核电汽轮机缸体等大型铸钢件多采用不锈钢材料，其质量要求极高，我國尚未掌握自主生产技术，基本全部依赖进口。主要差距表现为：①我国企业没有掌握这类大型不锈钢铸件整体铸造工艺及技术；②对材料冶炼中化学成分控制，特别是有害微量元素控制以及钢的纯度控制水平不高；③在材料力学性能控制及铸件质量的稳定性控制等方面均存在差距。
船用设备用铸钢件多采用ZG25材料，抗拉强度要求略有区别，有要求200-400或230-450等。主要用于和船体焊接的结构件，如艉柱、舵钮、舵承、舵柄、轴承座等。由于船用铸件受力复杂，维修不便，加工困难等原因，船用铸钢件的质量要求近乎苛刻。大部分铸件从浇筑到加工到焊接所有过程还需要通过相关船级社的船检验收。目前主要问题表现为：外形轮廓形值超差，强度不均匀，表面质量差，内部有缺陷等。
3.质量控制一：控制化学成分
铸件厂家的原材料来源比较复杂，有的是买的钢厂钢锭，也有的是买船厂的边角料，还有的是市场上的废钢等。这些原料熔化后的成分尤其是有害的残余元素比较难以控制，给铸件的质量带来比较大的不稳定性。化学成分一定要在要求的区间内。对于焊接拘束性大、施工和使用环境恶劣的铸件，除了化学成分要符合规定外，还应有碳当量指标，即碳、锰和残余元素的含量不能同时达到上限。碳当量计算公式：
CE（%）=C+Mn/6+（Cr+Mo+V）/5+（Ni+Cu）/15
焊接用船体结构铸钢件的碳当量不应大于0.40%。另外：C%=0.19-1.20 Mn%≤0.10% 残余元素的总含量%≤0.60%。
4.质量控制二：铸件的超声波探伤方法
铸件是组成机器的重要部分，其质量的优劣关系着整个机器的使用寿命。在件（包括轧制件）中，由于钢锭的质量，工艺和操作等方面的问题，可能生成一些缺陷：如裂纹、夹渣、疏松、过热粗晶、重皮和夹层等等，其中以裂纹、白点、疏松、过热粗晶和夹层等影响质量最为严重。由于这些缺陷均非体积形缺陷或其形太小，因而对这些缺陷的检验，除磁粉、萤光等表面探伤方法外，超声波伤均无能为力，只有超声波探伤法是目前唯一的最全面且有效的检验方法。钢板中的夹层、夹渣和重皮可用直探头多次反射法来探测，圆轴中的裂纹、夹渣和白点也可用直探头和斜探头，在圆周面和端面探测出来，而且均可定量的测定出其实际的大小和位置，钢材的粗晶结构，最近也应用超声波多次反射法来检验，而且能通过与参考试样对比的方法，定量的估计出晶粒度的等级。
铸件中由于冶炼、浇注和造型等工艺与操作的问题，常产生缩孔、砂眼、裂纹、气孔、夹渣和疏松等缺陷；有人认为要使铸件完全避免产生缺陷是不可能的，至少在目前尚办不到，为了保证产品质量，因此除了进行一般理化检验外，还要进行无损检验，铸件的无损检验方法很多，所有的无损探伤方法都可应用。放射线超声波探伤法对铸件是一个很有成效的检验方法，但由于曝光时间过长，且穿透力受到限制，所以不能满足铸件探伤的要求。超声波探伤法可以避免这些缺点。因此近年来铸件的超声波探伤在各工厂中普遍的被采用。在铸件探伤中，可用多次反射法或其他方法进行，直探头和斜探头在不同情况下都要应用。
5.质量控制三：铸件缺陷修补技术
某铸件缺陷修补机（冷焊机）、金属缺陷修补机等专用于修复各类金属设备、铸件、机件、模具等。广泛用于造行业、铸造工业、模具制造业、航空航天工业、汽车制造修理业、造船工业、机械工业、电力工业、化学工业等领域。该机短时间（ms级）释放上千安大电流，无热变形将高碳钢 、低碳钢、不锈钢薄片及各种粉末熔在基体上，焊接过程不产生电弧，可以修复因非金属夹杂物引起的件表面裂纹，因过烧而产生的裂纹……等各种件的缺陷，模具或其他精密机械产品微量加工缺陷、碰撞损坏、积累磨损、崩角、拉划伤等。通过对工件进行无热堆焊，以保证工件的完好性，也可以利用强化功能对工件进行强化处理，来实现工件的耐磨性、耐热性、耐蚀性等等。 技术应用优点：1）无退火和变形：堆焊的瞬间过程中无热输入，因而无变形，咬边和残余应力。不会产生局 部退火，修复后不需要重新热处理。2）熔接强度高：由于充分渗透到模具表面材料产生极强的结合力。3）修复精度高：堆焊厚度从几微米到几毫米，只需打磨，抛光。 使用 方 便，220V电源，无工作环境要求。4）一机多用：可进行堆焊，表面强化等功能。通过调节放电功率和放电频率可获得要求 的堆焊和强化的厚度的光洁度。5）环保性：工作过程中无任何污染。6）经济性：在现场立刻修复，提高生产效率，节省费用。
性能特点： 1）热影响极小。由于工作电流（2-200A）、时间（1-600ms）可精确控制，因而输入的能量得到精确的控制。理想的设定可使输入的能量仅够 用于焊丝与工件直间的溶合，不会有太多能量作用于工件，从而使工件表面受热影响降至最低。达到理想的修补效果。2）可进行极薄的厚度焊接.由于焊接电流最小可在2A稳定运行，因此可对极薄部位进行焊接。3）精密细小部位的焊补.由于小电流的稳定运行，时间的精确控制 ，焊补的工作点可是极小，精密的部位，而不会对周边产生影响。4）极高的结合度.由于本焊机属于冷焊，结合度极高，焊后的部位可进行各种机械加工，不会出现其他类型冷焊机焊后结合不牢固，脱落等现象。5）适用于不同部位的焊补：平面部位的凹陷、孔、洞；细缝、沟槽；棱角、棱线、尖峰部位；砂眼及普通氩弧焊后表面的凹陷；焊补放电加工、渗氮及软淡化处理后的模具。
6.今后铸造行业的发展趋势与铸造件质量控制的重点
根据国家的产业政策和国内外市场的需求，近年来整个行业在政策和市场的双重引导下，积极主动地进行了产业结构的调整，许多产品完成了升级和技术换代，行业的整体水平大大提高，逐步缩短了和国外的差距，使我国成为世界铸件的第一生产大国。
据2008年统计，我国年产铸件3350万吨，占世界总产量的三分之一；2009年我国件的产量为776万吨， 占全球件总产量2300万吨的34%左右。我国的大型铸件生产企业有30多家，大部分是国有大中型企业。这些企业80%左右分布在环渤海地区、长江三角洲、珠江三角洲。主要生产电站、冶金、石油化工、船用、交通运输、矿山以及航空航天等设备用大型铸件产品。
近年来，我国大型铸件产业处于历史上最好的黄金发展期。整个行业基本上保持了30%以上的增长速度，大型铸件生产企业大大增加了新产品开发的投入，自主创新能力大大增强，大大缩短了和国外先进大型铸件制造企业的差距，有的产品已经接近和达到国外水平。
从技术上水平上看，目前我国的大型铸件生产厂家生产的优质合金真空钢锭最大为560吨，用于1100兆瓦核电机组半速转子；一次性提供钢水重量最大为773吨，用于宝钢5500毫米轧机架；不锈钢件最大为194.5吨，用于三峡地下厂房700兆瓦机组上冠；铸钢件最大为500吨，用于5500毫米轧机机架。目前，以一重、二重为代表的大型铸件企业已经能够生产600兆瓦—1000兆瓦超临界及超超临界机组铸件，700兆瓦水轮机组大型铸件，5%Cr的大型轧辊，2000吨级加氢反应器，具备了“两代加”核电设備大型铸件的制造能力，正在开发和研制PA1000“第三代”核电设备大型铸件，现已取得突破性进展。
但目前我国铸件装备水平存在着装备不均衡、不配套、不成系列、重复装备的情况，与国外先进国家的大型铸件生产企业相比，整体装备能力和技术水平相对滞后。我国大型铸件的能级与国外相比还有较大差距，一些大型、关键铸件尚需进口。
铸件行业作为装备制造业的一个重要组成部分，其生存与发展离不开装备制造业的全面进步，因此，以适应装备制造业整体水平的提高为自身的发展目标，是行业发展的总趋势。一是在产业结构上，将以全面升级大型铸件产业结构为目标，以企业的专业化、规模化、集约化、现代化为发展方向，提升和优化企业的组织结构。二是在产品结构上，通过技术改造、技术引进、技术创新，实现产品换代，发展附加值高、技术含量高、适应大型装备制造所需要的产品。三是在技术水平上，将更加注重自主创新，走开发与引进相结合的道路，通过引进开发，加快技术发展的步伐。
关键词：ZG230-450；铸钢件；质量控制
【中图分类号】TG269
1.引言
ZG230-450是一种铸造碳钢也叫ZG25或者25号钢。230是指这种铸钢件的屈服强度为230Mpa，450是指这种材质的抗拉强度为450Mpa。ZG代表铸钢的拼音缩写。其化学成分的组成元素比例（%）：碳C：≤0.30；锰Mn：≤1.20；磷P：≤0.04；硫S：≤0.04；硅Si：≤0.50。
工艺性能：（1）一般用电炉冶炼，冶炼容易掌握。（2）ZG230-450这种材质的碳钢铸造性能较好，熔点较高，实际流动性较差，易氧化，铸造缩水率约1.5%～2.0%，凝固收缩约4.2%，浇注温度约1500～1550℃。（3）焊接性良好，用E5015（E7015）、E5016（E7016）等焊条，焊前不预热或100～150℃低温预热，焊后去应力处理。（4）冷加工被切削性能尚可。无需热处理也可直接进行机加工。
2.铸件毛坯质量和外观的现状
我国的大型铸件生产企业有30多家，大部分是国有大中型企业。目前能够生产200 t级以上铸钢件的只有一重、二重等少数几个厂家。可以生产的最大普通碳钢铸钢件为450 t，不锈钢铸件为180 t；具有一次性生产700 t级钢液、一次性浇注单重500 t级铸钢件、400墩优质铸钢件的能力。
虽然我国大型铸钢件在生产能力上步入世界前列，但在铸件产品品质上存在明显的不足，尤其是一些高端产品难以满足国内市场的需求，高端铸件还依赖于进口。如：长江三峡一期水电工程左岸14台机组中的上冠、下环和叶片铸件的毛坯基本全部从国外进口。在三峡左岸机组的转轮制造中，一重和二重都尝试浇铸了相关铸件，一重铸造了一片叶片，二重铸造了一片叶片、一个上冠和一个下环。其中叶片和上冠铸件浇注成功并已经用于左岸机组。由于还没有很好掌握铸件的变形规律，铸造的毛坯要么加工余量很大（肥头大耳），造成工艺出品率低、加工周期长，要么出现残缺（缺肉），造成焊补量大。
在大型核电设备中的主泵、核电汽轮机缸体等大型铸钢件多采用不锈钢材料，其质量要求极高，我國尚未掌握自主生产技术，基本全部依赖进口。主要差距表现为：①我国企业没有掌握这类大型不锈钢铸件整体铸造工艺及技术；②对材料冶炼中化学成分控制，特别是有害微量元素控制以及钢的纯度控制水平不高；③在材料力学性能控制及铸件质量的稳定性控制等方面均存在差距。
船用设备用铸钢件多采用ZG25材料，抗拉强度要求略有区别，有要求200-400或230-450等。主要用于和船体焊接的结构件，如艉柱、舵钮、舵承、舵柄、轴承座等。由于船用铸件受力复杂，维修不便，加工困难等原因，船用铸钢件的质量要求近乎苛刻。大部分铸件从浇筑到加工到焊接所有过程还需要通过相关船级社的船检验收。目前主要问题表现为：外形轮廓形值超差，强度不均匀，表面质量差，内部有缺陷等。
3.质量控制一：控制化学成分
铸件厂家的原材料来源比较复杂，有的是买的钢厂钢锭，也有的是买船厂的边角料，还有的是市场上的废钢等。这些原料熔化后的成分尤其是有害的残余元素比较难以控制，给铸件的质量带来比较大的不稳定性。化学成分一定要在要求的区间内。对于焊接拘束性大、施工和使用环境恶劣的铸件，除了化学成分要符合规定外，还应有碳当量指标，即碳、锰和残余元素的含量不能同时达到上限。碳当量计算公式：
CE（%）=C+Mn/6+（Cr+Mo+V）/5+（Ni+Cu）/15
焊接用船体结构铸钢件的碳当量不应大于0.40%。另外：C%=0.19-1.20 Mn%≤0.10% 残余元素的总含量%≤0.60%。
4.质量控制二：铸件的超声波探伤方法
铸件是组成机器的重要部分，其质量的优劣关系着整个机器的使用寿命。在件（包括轧制件）中，由于钢锭的质量，工艺和操作等方面的问题，可能生成一些缺陷：如裂纹、夹渣、疏松、过热粗晶、重皮和夹层等等，其中以裂纹、白点、疏松、过热粗晶和夹层等影响质量最为严重。由于这些缺陷均非体积形缺陷或其形太小，因而对这些缺陷的检验，除磁粉、萤光等表面探伤方法外，超声波伤均无能为力，只有超声波探伤法是目前唯一的最全面且有效的检验方法。钢板中的夹层、夹渣和重皮可用直探头多次反射法来探测，圆轴中的裂纹、夹渣和白点也可用直探头和斜探头，在圆周面和端面探测出来，而且均可定量的测定出其实际的大小和位置，钢材的粗晶结构，最近也应用超声波多次反射法来检验，而且能通过与参考试样对比的方法，定量的估计出晶粒度的等级。
铸件中由于冶炼、浇注和造型等工艺与操作的问题，常产生缩孔、砂眼、裂纹、气孔、夹渣和疏松等缺陷；有人认为要使铸件完全避免产生缺陷是不可能的，至少在目前尚办不到，为了保证产品质量，因此除了进行一般理化检验外，还要进行无损检验，铸件的无损检验方法很多，所有的无损探伤方法都可应用。放射线超声波探伤法对铸件是一个很有成效的检验方法，但由于曝光时间过长，且穿透力受到限制，所以不能满足铸件探伤的要求。超声波探伤法可以避免这些缺点。因此近年来铸件的超声波探伤在各工厂中普遍的被采用。在铸件探伤中，可用多次反射法或其他方法进行，直探头和斜探头在不同情况下都要应用。
5.质量控制三：铸件缺陷修补技术
某铸件缺陷修补机（冷焊机）、金属缺陷修补机等专用于修复各类金属设备、铸件、机件、模具等。广泛用于造行业、铸造工业、模具制造业、航空航天工业、汽车制造修理业、造船工业、机械工业、电力工业、化学工业等领域。该机短时间（ms级）释放上千安大电流，无热变形将高碳钢 、低碳钢、不锈钢薄片及各种粉末熔在基体上，焊接过程不产生电弧，可以修复因非金属夹杂物引起的件表面裂纹，因过烧而产生的裂纹……等各种件的缺陷，模具或其他精密机械产品微量加工缺陷、碰撞损坏、积累磨损、崩角、拉划伤等。通过对工件进行无热堆焊，以保证工件的完好性，也可以利用强化功能对工件进行强化处理，来实现工件的耐磨性、耐热性、耐蚀性等等。 技术应用优点：1）无退火和变形：堆焊的瞬间过程中无热输入，因而无变形，咬边和残余应力。不会产生局 部退火，修复后不需要重新热处理。2）熔接强度高：由于充分渗透到模具表面材料产生极强的结合力。3）修复精度高：堆焊厚度从几微米到几毫米，只需打磨，抛光。 使用 方 便，220V电源，无工作环境要求。4）一机多用：可进行堆焊，表面强化等功能。通过调节放电功率和放电频率可获得要求 的堆焊和强化的厚度的光洁度。5）环保性：工作过程中无任何污染。6）经济性：在现场立刻修复，提高生产效率，节省费用。
性能特点： 1）热影响极小。由于工作电流（2-200A）、时间（1-600ms）可精确控制，因而输入的能量得到精确的控制。理想的设定可使输入的能量仅够 用于焊丝与工件直间的溶合，不会有太多能量作用于工件，从而使工件表面受热影响降至最低。达到理想的修补效果。2）可进行极薄的厚度焊接.由于焊接电流最小可在2A稳定运行，因此可对极薄部位进行焊接。3）精密细小部位的焊补.由于小电流的稳定运行，时间的精确控制 ，焊补的工作点可是极小，精密的部位，而不会对周边产生影响。4）极高的结合度.由于本焊机属于冷焊，结合度极高，焊后的部位可进行各种机械加工，不会出现其他类型冷焊机焊后结合不牢固，脱落等现象。5）适用于不同部位的焊补：平面部位的凹陷、孔、洞；细缝、沟槽；棱角、棱线、尖峰部位；砂眼及普通氩弧焊后表面的凹陷；焊补放电加工、渗氮及软淡化处理后的模具。
6.今后铸造行业的发展趋势与铸造件质量控制的重点
根据国家的产业政策和国内外市场的需求，近年来整个行业在政策和市场的双重引导下，积极主动地进行了产业结构的调整，许多产品完成了升级和技术换代，行业的整体水平大大提高，逐步缩短了和国外的差距，使我国成为世界铸件的第一生产大国。
据2008年统计，我国年产铸件3350万吨，占世界总产量的三分之一；2009年我国件的产量为776万吨， 占全球件总产量2300万吨的34%左右。我国的大型铸件生产企业有30多家，大部分是国有大中型企业。这些企业80%左右分布在环渤海地区、长江三角洲、珠江三角洲。主要生产电站、冶金、石油化工、船用、交通运输、矿山以及航空航天等设备用大型铸件产品。
近年来，我国大型铸件产业处于历史上最好的黄金发展期。整个行业基本上保持了30%以上的增长速度，大型铸件生产企业大大增加了新产品开发的投入，自主创新能力大大增强，大大缩短了和国外先进大型铸件制造企业的差距，有的产品已经接近和达到国外水平。
从技术上水平上看，目前我国的大型铸件生产厂家生产的优质合金真空钢锭最大为560吨，用于1100兆瓦核电机组半速转子；一次性提供钢水重量最大为773吨，用于宝钢5500毫米轧机架；不锈钢件最大为194.5吨，用于三峡地下厂房700兆瓦机组上冠；铸钢件最大为500吨，用于5500毫米轧机机架。目前，以一重、二重为代表的大型铸件企业已经能够生产600兆瓦—1000兆瓦超临界及超超临界机组铸件，700兆瓦水轮机组大型铸件，5%Cr的大型轧辊，2000吨级加氢反应器，具备了“两代加”核电设備大型铸件的制造能力，正在开发和研制PA1000“第三代”核电设备大型铸件，现已取得突破性进展。
但目前我国铸件装备水平存在着装备不均衡、不配套、不成系列、重复装备的情况，与国外先进国家的大型铸件生产企业相比，整体装备能力和技术水平相对滞后。我国大型铸件的能级与国外相比还有较大差距，一些大型、关键铸件尚需进口。
铸件行业作为装备制造业的一个重要组成部分，其生存与发展离不开装备制造业的全面进步，因此，以适应装备制造业整体水平的提高为自身的发展目标，是行业发展的总趋势。一是在产业结构上，将以全面升级大型铸件产业结构为目标，以企业的专业化、规模化、集约化、现代化为发展方向，提升和优化企业的组织结构。二是在产品结构上，通过技术改造、技术引进、技术创新，实现产品换代，发展附加值高、技术含量高、适应大型装备制造所需要的产品。三是在技术水平上，将更加注重自主创新，走开发与引进相结合的道路，通过引进开发，加快技术发展的步伐。