一种高锰钢履带板的铸造工艺的制作方法

本发明属于装甲车辆履带板加工技术领域，具体涉及一种高锰钢履带板的铸造工艺。

背景技术

高锰钢铸造履带板是我国陆军履带式系列坦克行动系统关键零部件。现有高锰钢履带板通常采用铸造，我国高锰钢铸造履带板在不同组别试车过程中均发生不同程度的断裂问题。以2007年千公里c组试验为例，行车1000公里后，履带板的裂纹率为29.4％，1500公里后，履带板的裂纹率为90.7％，2000公里后，履带板的裂纹率高达99.5％，无法达到履带板3000公里的寿命要求。裂纹主要集中在左右连接臂、中间销耳两侧加强筋、诱导齿根部四周，在2000公里试车后连接臂裂纹率在41％以上，从1500公里到2000公里试车后加强筋处裂纹由细微裂纹迅速扩展、增加、延伸。一致以来，履带板断裂问题仍未彻底解决。针对历年来的坦克履带板裂纹率居高不下，甚至经常发生断裂问题，特别是当受到突变应力作用偶发因素时，承受更大的挤压、弯曲应力，极容易引起失效随之产生疲劳破坏，出现裂纹甚至断裂，影响履带板的使用寿命和车辆的正常行驶，进而影响战术性能。因此必须具备良好的使用性能和耐用性，以满足其极端状态下的装备使用要求。

技术实现要素：

本发明的目的是提出一种高锰钢履带板的铸造工艺，降低了高锰钢铸造履带板裂纹率和断裂几率，显著提高了使用寿命。

本发明的技术方案是，一种高锰钢履带板的铸造工艺的具体步骤如下：

第一步，确定制造模具；

第二步，制造砂型、下芯合箱；利用上述模具，采用静压造型工艺制造砂型；在上砂型和下砂型的四角和型芯的顶部增加排气棒，下芯采用覆膜砂工艺，覆膜砂采用天然石英砂为原砂；

第三步，冶炼废钢，制备浇注钢水；

1)在冶炼之前加入合金元素钒和钛做生核剂；先将敲碎的钒、钛合金颗粒，并将敲碎的钒和钛合金颗粒预先放入钢水包内，用钢液流冲化；

2)在冶炼还原期过程中连续造白渣，并控制磷含量应在0.035％以下；

第四步，浇注；浇注钢水的出钢温度1590-1620度，并且浇注前导包一次，使浇注温度在1415～1435度；

1)在横浇道两处放置陶瓷过滤网，陶瓷过滤网的圆形孔均匀一致；

2)将原圆柱形冒口改进为与连接臂端面形状一致，且加大体积的侧方形冒口；

3)将每小浇注包的浇注箱数为4箱，浇注时间为6s～11s；

第五步，开箱，浇注后50分钟后开箱。

第一步中的模具满足下列要求，

(1)履带板连接臂与其相连的着地筋处做平，加强了连接臂强度；

(2)履带板连接臂与板体内侧相连的销耳加强筋厚度为10mm～11mm；

(3)履带板连接臂着地筋的着地面向上抬高2mm；

(4)履带板连接臂从1/3长度开始向上倾斜7mm～8mm；

(5)主动销耳圆弧面高度增加1mm～1.5mm，且履翼与主动销耳外边半圆过渡连接；

(6)啮合销耳部位设置一条加强筋，即为双加强筋结构；

(7)拉臂位于连接臂与啮合销耳之间，拉臂壁厚度为14mm；

(8)诱导齿高度为110mm。

第二步中，原砂选用粒度为50～140目，透气率为100～140。

本发明的有益效果是，本发明通过采用铸造结构改进、铸造工艺提升、钢水质量优化提升了陆军履带式坦克高锰钢铸造履带板可靠性，取得较好的经济效益；提升我国陆军高锰钢铸造履带板质量水平，提高了整车可靠性，本发明在结构工艺性上采用连接臂—啮合销耳—着地筋“三位一体化”，控制高锰钢铸造履带板裂纹，提高可靠性；本发明采用高强度、极低发气量覆膜砂型芯成型、连接臂“梯度法”热节，控制高锰钢铸造履带板裂纹的有效措施；本发明采取加入微合金元素，还原期连续造白渣，降低非金属夹杂物及有害元素磷含量的“三者互补法”，避免高锰钢铸造履带板产生裂纹倾向；采用本发明的高锰钢铸造履带板裂纹控制方法，有效地解决了每条履带千公里行车裂纹率不超过25％，高锰钢铸造履带板3000km跑车无断裂问题。

具体实施方式

本发明一种高锰钢履带板的铸造工艺的具体步骤如下：

第一步，确定制造模具。

模具满足下列要求，

(1)履带板连接臂与其相连的着地筋处做平，加强了连接臂强度；

(2)履带板连接臂与板体内侧相连的销耳加强筋厚度为10mm～11mm，加强此处强度与可靠性；

(3)履带板连接臂着地筋的着地面向上抬高2mm，从而降低连接臂直接着地，瞬间承受交变载荷的几率；

(4)履带板连接臂从1/3长度开始向上倾斜7mm～8mm，使1/3长度处受力分配更加合理；

(5)主动销耳圆弧面高度增加1mm～1.5mm，且履翼与主动销耳外边半圆过渡连接，使主动轮齿圈齿尖反复作用在主动销耳内侧壁时提高此处疲劳强度；

(6)啮合销耳为主动轮轮齿啮合部位，直接承受主动轮驱动力及车速变化产生的冲击力。为增加该位置的结构强度，啮合销耳部位增设一条加强筋，即侧面单筋结构优化为双加强筋结构，提升销耳处结构强度及相互连接可靠性；

(7)拉臂在连接臂与啮合销耳之间，承受主动轮轮齿拉力，相对载荷较大。拉臂壁厚度由原来的12mm增加到14mm，增加拉臂抗拉强度；

(8)为了进一步提升履带板的耐久性及可靠性，对着地筋进行整体加强，高度均增加2mm，提升履带板着地筋的耐磨性，对连接臂及拉臂、啮合销耳起到一定的保护作用。另外根据部队在实际使用中对履带防脱轨的实际要求，将诱导齿高度由100mm增加到110mm。

第二步，制造砂型、下芯合箱，利用上述模具，采用静压造型工艺制造砂型。原砂选用粒度在50/140目、透气率集中在100-140范围。

静压造型工艺是指首先气流预紧压实，然后多触头补压；预先紧实效果，然后再由感应多触头压实，保证不同深度型腔的砂型紧实度分布均匀。静压造型工艺集中了气冲造型和高压多触头造型的优点，生产效率高、铸件尺寸精度高、表面质量好，并有效减少铸件砂眼缺陷和侵入性气孔缺陷，提高了铸件内部质量，并降低了由此产生的影响履带板强度和裂纹源因素。

在上砂型和下砂型的四角和型芯的顶部增加了排气棒，使浇注过程中砂型中产生的气体能够及时排出，防止产生气孔、冷隔等铸造缺陷。

下芯采用覆膜砂工艺。因桐油砂中的黏土、糊精等水溶性附加物需要加水润湿，烘干时水分会使温度上升比较缓慢，砂芯不易烘透，型芯发气量增大；水分在烘干时的蒸发破坏油膜的连续性，使干强度降低，导致履带板诱导齿内腔及履带板关键部位连接臂表层粗糙、形成微观气孔，降低强度，进而成为裂纹源。覆膜砂采用优质精选天然石英砂为原砂。覆膜砂工艺方法是热塑性酚醛树脂加潜伏性固化剂(乌洛托品)和润滑剂通过一定的覆膜工艺配置成覆膜砂，当覆膜砂受热时包覆在砂粒表面的树脂熔融，在乌洛托覆膜砂品分解出的亚甲基的作用下，熔融的树脂由线性结构迅速转变成不熔融的体型结构，从而使覆膜砂固化成型。因此，固化速度、脱模性、热稳定性、导热性、流动性、溃散性等指标优越，具有高强度、耐高温、低发气、低膨胀、抗粘砂性好的特点，使履带板表面光滑，进一步降低产生裂纹几率。

第三步，冶炼废钢，制备浇注钢水。

1)在冶炼之前加入合金元素钒和钛，做生核剂，即先将敲碎的钒、钛合金颗粒，并将敲碎的钒和钛合金颗粒预先放入钢水包内，用钢液流冲化。

高锰钢的热导率比碳钢低得多(仅为中碳钢热导率的1/3-1/2)。由于热导率低，使得钢液凝固缓慢，在钢的凝固过程中，树状晶长的粗大，很容易长成条状的柱状晶，在铸型导热性不良时出现穿晶(粗大的柱状晶粒贯穿整个端面)，如外力作用和柱状晶生长方向一致时引起断裂。为此加入钒、钛合金元素做生核剂。在冶炼过程中钒碳化物、钛碳化物、钒氮化物和钛氮化物的颗粒细小，成弥散悬浮在钢液中，它们的熔点远高于钢液温度，能保持长时间不被融化，并且这种元素的碳化物和氮化物与高锰钢的结晶相具有相同的晶格类型，晶格常数也相近因此在高锰钢的结晶过程中能起到外来核心的作用，能够明显细化晶粒。晶粒细化能使位错密度增加，而高锰钢加工硬化的基础就是位错，位错密度增加，促使加工硬化能力提高，另外少量的高硬质点能增加高锰钢抗磨损能力，降低裂纹倾向。

2)在冶炼还原期过程中需连续造白渣，并控制磷含量应在0.035％以下，降低有害元素含量，最大限度降低非金属夹杂物含量。连续造白渣和控制磷含量的方法为现有的。

非金属夹杂物含量影响高锰钢的力学性能，由于高锰钢含大量的锰，在钢液中产生大量的氧化锰(mno)，由于氧化锰在钢液中的溶解度很大，而在固态钢液中的溶解度极小，在钢液凝固时，大量的氧化锰以非金属及杂物的形式洗出在钢的晶界上，降低钢的冲击韧性，并使铸件裂纹倾向增大。在冶炼高锰钢时要求钢液脱氧良好，尽量降低钢液中氧化锰的含量，由于非金属夹杂物的强度和韧性都很低，他们在钢液中的作用如空洞或裂纹一样，割裂钢的本体，降低钢的性能。所以连续造白渣，降低钢液本身的非金属夹杂物和气体含量。

磷含量应控制在0.035％以下，否则易偏析在晶界形成磷共晶使其脆性增大，在打磨、补焊和热处理过程中极易形成裂纹。由于磷在奥氏体中的溶解度很小，且极易在晶界和枝晶间偏析形成磷共晶，降低奥氏体晶界强度和结合力，从而使高锰钢在室温下塑性和强度明显降低，研究表明，磷还会显著降低高锰钢的耐磨和抗疲劳性能。然而，我厂生产高锰钢履带板的化学成分要求不大于0.08。因此，大量磷会偏聚于晶界处形成磷共晶组织造成其性能降低。通过应用脱磷剂冶炼工艺，将磷含量控制在0.035％以下，获得优质钢水。由于高锰钢si、mn含量较高，晶粒有粗化倾向。因此在成分控制上必须保证含铝量，除此之外，为了加强细化效果，防止热处理过程中晶粒长大，在冶炼工艺中添加微量钒元素，达到细化组织的目的。

第四步，浇注，钢水的出钢温度1590-1620度，并且浇注前导包一次，使浇注温度在1425正负10度。

1)在横浇道两处放置陶瓷过滤网，陶瓷过滤网的圆形孔均匀一致，过滤钢水中的气泡、非金属夹杂物等有害杂质，净化金属液，提高钢水的纯净度，并且浇注时充型平稳。陶瓷过滤网的均匀一致圆形开孔使金属液通过时不会产生新的细小涡流，更利于实现完成金属液由紊流转变为层流的调整，从而防止产生卷气、夹砂、夹渣等铸造缺陷，同时改善高锰钢机械性能和抗弯强度，达到表面硬度均匀化的目的；

2)将原圆柱形冒口改进为与连接臂端面形状一致加大体积的侧方形冒口，保证补缩彻底，通道畅通，改善晶粒度等级，从而保证连接臂内部组织致密，降低产生裂纹的几率。裂纹是铸件内部的缩松及缩孔相伴而生的，在缩松及缩孔周边凝固多为树枝晶，枝晶间凝固开始产生的开口不能被液体金属充满二形成裂纹，在冲击载荷作用下，缩松及缩孔周边萌生出裂纹，经过疲劳扩展，发展成尾部裂纹。由于大的柱状晶限制同质等轴晶的生长，不同的晶粒结构限制了补缩通道。晶粒度直接影响力学性能，晶粒越细，阻碍滑移的晶界越多或晶界面积越大，强度也就越高。细化晶粒是改善多晶体材料的有效手段，根据位错理论，晶界是位错运动的障碍，在外力作用下，相邻晶粒产生切变变形，晶界处必产生足够大的应力集中，细化晶粒可以产生更多的晶界，如果晶界结构未发生变化，则需施加更大的外力才能产生位错塞积，从而使材料强化，塑性和韧性也越好。晶粒越细，塑性变形也可分散在更多的晶粒内进行，使塑性变形越均匀，由内应力集中导致的开裂机会减少，可承受更大的变形量，而且晶粒越细，晶界面越多，晶界越曲折，裂纹不易萌生；晶粒与晶粒中间犬牙交错的机会就越多，越不利于裂纹的传播和发展，彼此就越紧固，强度和韧性就越好。在断裂过程中可吸收较多能量，表现出高性能。

3)将每小浇注包的浇注箱数由原来的5箱改为4箱，浇注时间由原来的5s～8s(秒)改为6s～11s,以保证获得高级别的晶粒度和良好的力学性能。因高锰钢结晶间隔窄，液相线与固相线之间仅有50℃左右结晶间隔(液相线为1400℃，固相线约为1350℃)，所以高锰钢铸件对浇注温度敏感，浇注温度稍高，铸件即形成粗晶及柱状晶组织，以及缩孔、缩松等缺陷，降低力学性能和耐磨性。钢的脆性转变温度随着浇注温度的降低而降低。高温下晶界在应力作用下回产生粘滞性流动，发生晶粒沿晶界的相对滑动，进而产生“扩散蠕变”。

第五步，开箱，浇注后50分钟后开箱。

将采用本发明铸造工艺制造的履带板用于履带车辆，进行行走试验，试验数据参见表1。

表1履带板裂纹率复查统计表