G20Mn5低碳低合金鋼拱索索夾鑄造質量控制

黃韜睿，楊世杰，鄧宏運，羅曉明，沈佳勇

1.中國鐵建國際集團有限公司 北京 100855

2.西安理工大學664信箱 陜西西安 710048

3.杭州海倫鑄鋼有限公司 浙江杭州 311116

1 序言

拱索索夾是在會展中心、體育場、飛機場等大型民用標志性建筑應用的重要鑄鋼件，中國鐵建國際集團有限公司總包國外2022年足球世界杯大型體育場拱索索夾，設計時選用材質為G20Mn5鋼，單重240kg，外廓尺寸為820mm×535mm×385mm，主要壁厚90mm。拱索索夾鑄造難點如下。

1）結構復雜，壁厚不均勻，存在局部變截面區(qū)域，熱節(jié)較多，易產生縮孔、疏松等缺陷。按技術要求需進行超聲波、磁粉檢測，首件必須射線檢測，因此鑄造工藝措施要科學合理。

2）拱索索夾鑄件無損檢測要求高，G20Mn5鋼力學性能及沖擊吸收能量的試塊不同于國標（GB），力學性能等質量要求高，同時工期要求緊。

2 拱索索夾有關技術及鑄造質量要求

（1）G20Mn5鋼化學成分和力學性能要求 拱索索夾G20M n5鋼化學成分要求見表1(歐標E N 10293—2005)，力學性能要求見表2[1]。

表1 拱索索夾G20Mn5鋼化學成分（質量分數(shù)）（%）

表2 拱索索夾G20Mn5鋼力學性能

G20Mn5鋼C含量低、Mn含量高，并含有Ni元素，適合厚大斷面且有焊接及調質要求的復雜鑄鋼結構件。鑄造時各個化學元素的選擇與控制有以下特點[2，3]。

1）C含量：由于G20Mn5鋼C含量要求低，同時技術要求碳當量≤0.49%，且C又在碳當量中占有較大的權重，因此應盡量采購C含量較低的廢鋼，這是保證降低碳當量的有效措施，同時要保證調質后力學性能，C也不能太低，鑄造過程wC最好控制在0.18%~0.21%。

2）Si含量：硅可強化鐵素體，提高耐熱性和耐蝕性，降低韌性和塑性。wSi在0.40%左右能改善熱裂傾向。Si含量高時易形成柱狀晶，增加熱裂傾向，因此wSi宜控制在0.35%~0.45%。

3）Mn含量：Mn元素會縮小結晶范圍，提高鋼液流動性，且會擴大奧氏體相區(qū)，降低相變溫度，細化相變組織，同時具有較強的固溶強化作用，強化基體作用很大，提高強度和耐磨性。Mn含量過高也會增加體收縮和線收縮，增加冷裂、熱裂傾向，在低合金范圍內增加回火脆性，降低韌性。因此，在低碳鋼中wMn一般≤2%。

Mn元素能顯著提高低碳鋼的淬透性和硬度，延遲低碳鋼形變，強化相變進程。綜合考慮，wMn最好控制在1.20%~1.50% 。

4）Ni含量：對于更高的屈服強度下仍要求保持沖擊性能，則必須考慮加入適量的Ni元素。鎳和鐵能無限固溶，鎳擴大鐵的奧氏體區(qū)，鎳和碳不形成碳化物；鎳能固溶強化及降低臨界轉變溫度，降低鋼中各元素的擴散速率，提高淬透性，可以細化鐵素體晶粒，提高屈服強度，同時改善鋼的塑性和韌性，提高鋼的疲勞抗力，減小鋼對缺口的敏感性。另外，Ni元素加入對鋼的顯微組織及熱處理與力學性能有重要的作用。由于鎳的稀缺又是重要的戰(zhàn)略物資，所以綜合考慮，將wNi控制在0.30%~0.40%。

5）P、S含量：P、S屬于有害元素，中頻感應電爐熔煉時，要達到G20Mn5鋼標準要求，最有效的措施就是采用符合標準P、S含量的優(yōu)質廢鋼。

（2）拱索索夾的試塊及鑄件本身規(guī)范要求 拱索索夾除了滿足EN 10293—2015的化學成分、力學性能、熱處理要求規(guī)范外，拱索索夾的試塊及鑄件本身要求遵守歐標EN 1559-1及EN 1559-2鑄造技術交貨條件[4，5]，拱索索夾外觀檢查應符合E N 1369—2012鑄造外觀檢查標準[6，7]。拱索索夾的試塊按照E N 1559-2的要求，試塊的橫截面積為t×t，其中t為相關壁厚，從試塊上截取試樣來測試力學性能，按照鑄件截面厚度＞50m m，同時＜100mm，試樣軸線應在距試塊表面距離為22.5mm 處。依據(jù)訂貨協(xié)議，試塊是通過澆注拱索索夾同爐鋼液同一澆注系統(tǒng)直接充填的，根據(jù)拱索索夾相關壁厚t=90mm及試塊幾何形狀等要求，確定拱索索夾試塊尺寸為90mm×90mm×300mm，這比美標ANSI/ASTM或國標GB/T 11352—2009的基爾試樣壁厚大，而且取樣深度大[8，9]。拉伸試棒為φ10mm，標距為50mm。常溫沖擊性能采用試塊10mm×10mm×55mm、2mm深的標準V型缺口測試。

（3）拱索索夾鑄件無損檢測 對于拱索索夾的澆冒口根部、所有圓弧部位、有氣割和碳弧氣刨痕跡處等重點部位，屬于高應力區(qū)域，應進行目視和磁粉檢測，不允許有夾砂和裂紋缺陷存在，也不允許有影響拱索索夾使用性能的密集型氣孔、夾渣、縮孔及冷隔等缺陷存在。

1）拱索索夾首件射線檢測，應符合ASTM E94標準，等級為3級。

2）鑄件磁粉檢測，應符合B S E N 1369：2012[8]，質量等級如下：非線性缺陷驗收等級（SM）- 嚴格級別SM2；線性缺陷驗收等級（LM）-嚴格級別LM2；點線性缺陷驗收等級（AM）-嚴格級別AM2。

3）鑄件超聲波檢測，應符合B S 12680-1：2003[9]，質量等級如下：平面不連續(xù)-無裂紋缺陷驗收等級-質量等級2；非平面不連續(xù)性缺陷驗收等級- 質量等級3。

3 拱索索夾鑄造工藝設計

拱索索夾模樣收縮量為2%，模樣起模斜度1°~ 2°，模樣工藝補正量2~5mm，加工余量10~15mm，一箱1件并帶2個（90mm×90mm×350mm）歐標試塊，水玻璃砂CO2硬化法造型，使用醇基鋯石粉涂料，涂刷2遍。

拱索索夾采用側注式澆注系統(tǒng)，直澆道采用φ60mm的陶瓷管，橫澆道和內澆道一體，截面尺寸40mm×50mm，為了保證拱索索夾與試塊組織致密，不產生縮孔、縮松缺陷，設計5個專用保溫冒口，冒口根部及圓角部位使用鉻鐵礦砂（厚度≥20mm），拱索索夾及2個試塊的鑄造工藝如圖1所示。

圖1 拱索索夾及2個試塊的鑄造工藝三維示意

4 拱索索夾鑄造過程工藝控制

4.1 拱索索夾鑄造流程

拱索索夾鑄造工藝CAD→木模樣制作→造型及制芯→涂料涂刷→合箱→鋼液熔煉→爐前化學成分光譜分析→澆注鋼液→拱索索夾保溫與冷卻→落砂清理→目視檢測→表面缺陷修補→退火處理→表面打磨→MT/UT檢測→調質處理→表面打磨→鑄件尺寸檢測→RT/MT/UT檢測→機械加工→檢驗→噴砂→涂裝→合格拱索索夾待出廠。

4.2 拱索索夾鑄造原輔材料要求

為便于碳元素的成分控制，廢鋼表面要求干凈，無明顯的銹蝕，無油，無水，無泥沙，無油漆，無橡膠，無塑料及銅、鉛等有色金屬，不使用廢鑄鐵件、廢高錳鋼件，不使用廢鋼切屑等。選用同材料或成分相近的干凈的低碳沖壓余料，優(yōu)質P08鋼沖壓邊角剩余廢鋼，或者同材質澆冒口、廢鑄件。

選用電解錳、電解鎳板、FeSi72硅鐵及硅鋇稀土合金等，合金入廠需有化學成分單。

造型砂選用S i O2≥95%、粒度40~70 目（0.425~0.212mm）的硅砂，鑄造涂料選用醇基鋯石粉涂料。

4.3 拱索索夾造型制芯及下芯合箱規(guī)程

1）拱索索夾造型、制芯前，檢查模樣、芯盒是否符合工藝圖樣要求，檢查混砂系統(tǒng)是否完好，所混制的型砂是否符合要求，砂芯要求全部使用新砂制芯。

2）造型時按照工藝要求擺放好澆道，澆道接口處必須用膠帶封牢，保溫冒口套按工藝要求放置好，冒口套根部使用鉻鐵礦砂填充。填砂時頭砂或尾砂不得用于面砂，砂型表面80~100mm范圍內使用新砂作為面砂，圓角處采用鉻鐵礦砂作為面砂，再生砂作為背砂填充。

3）涂刷涂料時，用風管將型腔（砂芯表面）清理干凈，第一遍使用較濃的鋯石粉涂料涂刷，涂刷完成后點火，待涂料溶劑充分燃燒后，用砂紙將鑄型（芯）表面附砂及堆積的涂料打磨光順，用風管將型腔（砂芯表面）清理干凈，涂刷第二遍鋯石粉涂料，并再次用上述方法將表面處理干凈。

4）下芯。確定下芯順序，下芯時將砂芯吊平穩(wěn)，下入型腔后認真檢查各個配合尺寸，確認無誤后將砂芯固定牢，芯頭縫隙用砂填滿。

5）清理型腔合箱。用風管沿一定方向吹型腔、澆道，并用抽砂管清理型腔內砂子。清理完型腔后將砂型底箱吊至預定的澆注場地，澆注場地要墊實，防止?jié)沧r由于鋼液壓力導致砂型下沉而造成鑄件變形、跑火。按照要求經過驗箱后再合箱，砂箱合好后用箱卡或壓鐵緊固砂箱。等待澆注的砂箱擺放整齊，砂箱間距＞500mm，便于澆注人員穿行、引氣等工作，砂箱澆口成一直線，合箱后6h內必須澆注。

4.4 G20Mn5鋼中頻感應電爐熔煉與澆注質量控制

2t中頻感應電爐熔煉，首先加入優(yōu)質廢鋼，熔煉中期按照配料組分依次加入電解鎳板及FeSi72硅鐵繼續(xù)熔煉，最后加電解錳。待全部爐料熔清，測溫達1550℃后第1次取樣進行化學成分光譜分析，根據(jù)光譜分析結果調整有關合金成分，加入電解錳，并快速升溫到1600℃，取樣第2次進行光譜分析化學成分，成分合格后，在鋼液到達1650℃時，按0.6kg/t鋼液加入硅鋇稀土合金脫氧出爐，并在澆包內按1.0kg/t鋼液加入脫氧鋁，出爐后鋼液上加保溫覆蓋劑，澆注溫度1580~1600℃，每箱澆注重量500kg，澆注時間30~40s。另外，熔煉過程、光譜分析、測溫、出爐及澆注過程等需要分包商，3家第三方監(jiān)理見證。

4.5 拱索索夾保溫與落砂清理

澆注后鑄件在砂型中緩慢冷卻18h后，開箱落砂清理，切割澆冒口及毛刺，并進行打磨。

4.6 拱索索夾退火處理

為了消除拱索索夾鑄造應力并有利于粗加工，對拱索索夾鑄件進行退火處理，如圖2所示。裝爐時將拱索索夾墊平，防止鑄件變形。

圖2 拱索索夾退火處理曲線

5 拱索索夾首件鑄造過程質量缺陷及改進

水玻璃砂CO2硬化法造型，由于型腔砂型強度低，涂料質量及涂料烘干不穩(wěn)定，澆包沒有烘烤透，用鋼液燙烤，澆注系統(tǒng)也沒有用過濾網，以及翻轉包澆注擋渣不好，因此雖然第一爐(爐號0841)澆注后4件化學成分主要合金元素在規(guī)范要求內，但是碳當量為0.52%，超出CEV≤0.49%的要求，同時也有拱索索夾出現(xiàn)夾渣、夾砂、冷隔等缺陷，清理打磨后超聲波、MT檢測個別部位不能滿足規(guī)范要求，全部不合格。

在拱索索夾澆口根部周圍存在夾砂和夾渣缺陷，澆注速度快時會造成鋼液對砂型的沖擊加劇，出現(xiàn)沖砂現(xiàn)象。夾砂的主要原因是由于鑄型表面的砂粒與高溫鋼液接觸，剝離后混入鋼中形成的。這兩種缺陷都是由于砂子滲入鑄件內部而產生的，當砂型的緊實度不均勻時，砂型受鋼液沖擊、砂型未清理干凈都會產生夾砂。鋼液中混入熔渣后又將鋼液注入鑄型中，熔渣沒有上浮而形成夾渣。采用直澆道下部設置鋼液過濾網，控制金屬液的流速， 注意撇渣和除渣。夾砂和夾渣缺陷的形態(tài)都比氣孔略有棱角，因此UT檢測時，反射波相對較弱，與氣孔的反射近似。

冷隔是由于樣件生產初期，澆注工人沒有掌握工藝，澆注溫度、澆注速度偏低造成的，UT檢測時有很強的反射回波。

通過總結，細化拱索索夾鑄造質量控制，優(yōu)化型砂中水玻璃加入量及CO2硬化時間，保證砂型強度，直澆道下部設置鋼液過濾網，提高兩遍醇基鋯石粉涂料刷涂質量，碳含量向下限調整，澆包接鋼液前烘烤1h到400℃以上，鋼液溫度至1650℃出爐，澆包加鋁線與硅鋇稀土復合脫氧，出爐后加入保溫覆蓋劑，保證澆注溫度在1570~1600℃，翻轉包澆注認真擋渣，連續(xù)生產3爐次15件，拱索索夾化學成分見表3。由于鑄造過程質量管控嚴格，拱索索夾表面質量、UT/MT檢測全部滿足規(guī)范要求，拱索索夾RT檢測也滿足規(guī)范要求。

表3 合格G20Mn5鋼拱索索夾化學成分（質量分數(shù)) （%）

6 拱索索夾調質處理及力學性能

低碳低合金鑄鋼拱索索夾件wC在0.2%左右，碳當量≤0.49%，低碳低合金鑄鋼拱索索夾鑄態(tài)組織為多角粗大的鐵素體+珠光體，要求性能滿足工程要求，需要利用淬火加高溫回火處理的工藝（稱為調質處理）來提高綜合力學性能。將零件加熱到奧氏體化并保持一定時間后，以適當方式冷卻淬火，獲得馬氏體或貝氏體組織。淬火后及時進行回火處理，以消除淬火應力，獲得所需綜合力學性能。淬火采用75kW臺式電阻爐，淬火池大小為2.5m×4m×3m。拱索索夾及試樣調質處理前拋丸或打磨表面氧化皮，目的是減少調質處理加熱與冷卻的熱傳導。調質工藝如圖3、圖4所示。

6.1 拱索索夾首件淬火工藝

（1）淬火裝爐溫度 裝爐爐溫≤350℃，試塊與拱索索夾裝在框中間隙放置，有利于每件均勻加熱、快速冷卻；淬火加熱升溫速度按280～330℃/h控制，升溫速度要均勻。

（2）淬火保溫時間 溫度升至（930±10）℃后保溫4h。

圖3 拱索索夾淬火工藝

圖4 拱索索夾回火工藝

（3）淬火冷卻 保溫結束后快速出爐油淬，保證淬火液量，保持淬火液溫度30～40℃，使拱索索夾在淬火池中不停地移動，15min后出淬火液測溫，淬火液冷卻到300℃左右，轉入回火爐進行回火。

6.2 拱索索夾首件回火工藝

（1）回火裝爐溫度 回火裝爐爐溫≤300℃，試塊與拱索索夾裝在框中間隙放置，有利于每件均勻加熱；回火加熱升溫：回火升溫速度按250～300℃/h控制，升溫速度要均勻。

（2）回火保溫時間 溫度升至（630±10）℃后保溫5h。

（3）回火冷卻 保溫結束后快速出爐并散放（不能堆積）在專用吹風冷卻床上風冷。

6.3 拱索索夾首件力學性能檢測

G20Mn5鋼拱索索夾試塊相關壁厚90mm，拱索索夾與大試塊同爐、同工藝QT調質，試樣(V型缺口)的形狀和尺寸以及試驗方法應按照EN ISO 148-1—2016[10]執(zhí)行；對規(guī)定的G20Mn5牌號，沖擊吸收能量平均值應不小于產品標準內的規(guī)定值60J；單個值不小于規(guī)定值60J的70%，則該單個值可小于規(guī)定值60J，測得大試塊力學性能及沖擊吸收能量結果見表4。從5個爐批調質大試塊力學性能檢測結果看，G20Mn5鋼拱索索夾首件調質處理工藝是合理的，就是接頭調質處理要加強對熱處理工培訓，嚴格執(zhí)行調質工藝規(guī)程操作。

表4 G20Mn5鋼拱索索夾試塊力學性能檢測結果

7 結束語

1）采用優(yōu)質廢鋼，中頻感應電爐熔煉鋼液，1630℃出爐，澆包加鋁線及硅鋇稀土復合脫氧，控制澆注溫度在1570~1600℃，翻轉包澆注認真擋渣等嚴格的鑄造質量控制，可以鑄造滿足歐標各項嚴格規(guī)范要求的拱索索夾鑄件。

2）為了保證調質后力學性能及沖擊吸收能量的各項要求，同時滿足綜合成本因素， G20Mn5鋼拱索索夾鑄件最佳化學成分為：wC控制在0.18%～0.21%，wSi控制在0.35%～0.45%，wMn最好控制在1.10%～1.30%，wNi控制在0.20%～0.40%，wP、wS均＜0.020%。拱索索夾首件及大試塊優(yōu)化調質工藝，淬火為（930±10）℃保溫4h，進入油液淬火并用吊車不停來回移動，保證每個拱索索夾均勻冷卻，冷卻到300℃以下進入臺式電阻爐中，回火升溫到（630±10）℃后保溫5h，快速出爐至專用吹風冷卻床空冷，拱索索夾首件及大試塊達到歐標EN 10293及EN 1559-1、EN 1559-2中G20Mn5+QT拱索索夾90mm×90mm大試塊力學性能及沖擊吸收能量的各項要求。