铸造低合金钢转向架构件熔模铸造裂纹及其微观组织和性能的研究

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铸造裂纹是熔模铸造铸钢件生产过程中最常见,也是最难解决的难题之一,本文以铸造低合金钢转向架构件中的安装座为研究对象,针对熔模铸造低合金钢安装座铸件铸造裂纹率高、缺陷现象突出的难题,通过对安装座熔模铸造过程中温度场和应力场的数值模拟,结合其铸态组织和力学性能的分析,研究了熔模铸造各工艺因数对铸件裂纹影响规律,探究了安装座铸造裂纹的产生机理和影响因素,为解决类似熔模铸造合金钢铸件的裂纹缺陷提供理论依据。所得结果和结论如下:(1)针对转向架构件中安装座结构特点,设计了合理的浇注系统。对安装座的熔模铸造工艺进行了改进和优化,以消除安装座铸件的缩松缺陷。(2)采用ProCAST模拟分析软件,对安装座凝固和冷却过程中的应力场分布和变化规律进行了模拟,研究了熔模铸造过程中,模壳浇注温度、金属液浇注温度、浇注速度等工艺参数对安装座铸件应力场的分布规律和应力集中的影响,模拟结果表明:模壳浇注温度对铸件有效应力影响最突出,随着模壳浇注温度升高,铸件的有效应力降低,模壳浇注温度从200℃上升到700℃时,铸件有效应力峰值从832.74 MPa下降到689.59 MPa,其次是金属液的浇注温度对应力场的影响,随着浇注温度的升高,铸件有效应力峰值升高,金属液的浇注温度从1560℃提高到1600℃铸件有效应力峰值从826.23 MPa提高到842.30 MPa,而浇注速度对应力场的影响不明显。(3)对不同条件下浇注的ZG25MnCrNiMo低合金钢铸态组织和力学性能进行了研究,结果表明:模壳室温下浇注的ZG25MnCrNiMo低合金钢铸态组织主要由块状铁素体、魏氏组织、粒状贝氏体和少量残余奥氏体组成;当模壳浇注温度为400℃时,低合金钢的铸态组织由针状铁素体、粒状贝氏体、珠光体组织以及少量残余奥氏体组成。当模壳在室温条件下浇注时,低合金钢的抗拉强度为737.72MPa,屈服强度为648.34 MPa,伸长率不足1%;当模壳在400℃下浇注时,低合金钢的抗拉强度达到了834.04 MPa,屈服强度为663.51 MPa,伸长率约为2.8%。(4)根据数值模拟结果和ZG25MnCrNiMo低合金钢微观组织和性能研究发现,模壳浇注温度对铸件有效应力影响最突出,当模壳浇注温度从200℃上升到700℃时,铸件有效应力峰值从832.74 MPa下降到689.59 MPa。模壳在400℃浇注铸态组织和模壳在室温下浇注铸态组织相比粗大魏氏组织消失,块状铁素体转变成针状铁素体。模壳在室温条件下浇注时,低合金钢的抗拉强度为737.72 MPa,屈服强度为648.34 MPa,伸长率不足1.0%,扫描电镜下观察断口呈河流花样,属于解理断裂,当应力超过其强度极限就会发生断裂;而当模壳在400℃下浇注时,低合金钢的抗拉强度达到了834.04 MPa,屈服强度为663.51 MPa,伸长率约为2.8%,强度得到提高,塑性也得到改善,抵抗断裂能力增强。最终确定模壳预热温度为950℃,模壳浇注温度为700℃,金属液浇注温度1560℃,浇注速度5.5 kg/s,此时安装座有效应力峰值为689.59 MPa,经过实际生产验证,安装座裂纹率显著降低。
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