集装箱角件机械性能改善方法 张维球 福建多棱铸造有限公司 摘 要：本人结合多年集装箱角件生产实践经验，研究总结出改善集装箱角件力学性能的关键几点：1、化学成分的控制；2、钢液的纯净；3、冷铁的使用；4、热处理工艺的控制。 1.引 言 集装箱角件作为集装箱上最重要的受力部件（图1.1）,必须承受从赤道炎热到极地寒冷地带的变化,它不但要能够承受7层堆码的静压力,同时还要承受海上风暴颠簸及起吊时的冲击、拉伸载荷。其工作条件恶劣,性能要求较高,箱角铸件一旦在海上或起吊时发生断裂，不仅造成严重安全事故和经济损失，而且相应造成国际官司,后果不堪设想，因此,各船检机构对该产品均制定了严格的检验标准。近年来随着产品竞争激烈，检验要求越来越苛刻，企业必须下大工夫加强生产和技术管理，才能满足用户的技术需求，笔者在多年的集装箱角件生产实践中总结了一套生产经验和技术标准，满足了法国BV、美国ABS、德国GL、中国CCS等各国船级社的技术要求(表1.1、表1.2)。 HⅠⅡNXLYBⅢ 图1.1集装箱角简图 注：L=178mm；B=162mm；H=118mm；X=101.5mm；Y=89mm；N=28.5mm 表1.1 各船级社集装箱角铸钢化学成分对照表（质量分数：%） 船级社 BV 法国 GL 德国 ABS美国 CCS中国 C ≤0.23 ≤0.20 ≤0.25 ≤0.20 Si ≤0.50 ≤0.50 ≤0.80 ≤0.50 Mn 0.6-1.5 0.9-1.5 ≤1.2 0.9-1.5 P、S ≤0.04 ≤0.035 ≤0.05 ≤0.035 Cr ≤0.25 ≤0.25 ≤0.25 ≤0.25 Ni ≤0.30 ≤0.30 ≤0.30 ≤0.30 Mo ≤0.05 ≤0.08 ≤0.05 ≤0.08 Cu ≤0.30 ≤0.20 ≤0.30 ≤0.20 V ≤0.05 ≤0.05 ≤0.05 ≤0.05 Al 0.015-0.065 0.015-0.065 0.015-0.065 0.015-0.065 注：碳当量CE=C+1/6Mn+1/5(Cr+Mo+V)+1/15(Ni+Cu)
1
表1.2 各船级社集装箱角件力学性能对照表
船级社 BV法国 GL德国 ABS美国 CCS中国 屈服强度（MPa） ≥230 ≥220 ≥240 ≥275 抗拉强度（MPa） 450-600 430-600 ≥450 430-600 延伸率（%） ≥22 ≥25 ≥22 ≥25 断面收缩率（%） ≥35 ≥40 ≥30 ≥40 温度 -40℃ -20℃ -20℃ -40℃ 夏氏V缺口冲击功（J） ≥18 ≥27 ≥20 ≥21 2.化学成分的影响 2.1碳含量 集装箱角件材料类似于ZG16Mn 钢，是一种低碳低合金高强度钢。室温下正常的组织形态为铁素体+珠光体组织,这两种组织在铸件中所占比例的不同决定了铸件的力学性能。碳含量增加，铁素体含量减少，珠光体含量增加,有利于提高铸件的屈服强度和硬度,但同时降低铸件的塑性和韧性。因此通过降低材料的含碳量从而降低组织中珠光体的含量对提高铸件的韧性和塑性有利。此外,铸钢的冲击韧性对组织非常敏感,当渗碳体的质量分数增加时,脆性的渗碳体增多,材料的冲击韧性下降,组织中少量的渗碳体增加会导致冲击韧性显著降低。因此对集装箱角件来说,在满足强度的情况下,降低材料的含碳量可以提高铸件的冲击韧性和延伸率以及断面收缩率，因此集装箱角件的碳含量控制在0.12%～0.16%比较好。 2.2硅含量 硅对铁素体起到固溶强化的作用,它溶解在铁素体基体中,提高了铁素体的强度和硬度,但是降低了塑性和韧性,尤其是提高了铸钢的韧脆性转变温度,降低了铸钢的低温冲击韧性,因此必须控制铸钢中的含硅量,集装箱角件的硅含量控制在0.15%～0.40%。 2.3锰含量 锰可以稳定奥氏体,降低钢的共析转变温度,使铸钢组织中的珠光体分散度增大,改善了铸钢的力学性能。锰在钢中可以细化铁素体的晶粒,在相同条件下,晶粒度小的铸件的力学性能要好于晶粒度大的铸件。锰还可以使铁素体韧化,改善钢的低温冲击韧性。锰可以和铸钢中的硫反应,生成呈弥散状分布的MnS组织,降低硫对铸钢的有害作用。锰系铸造低合金钢中含有适量的硅,可以使锰钢具有比较好的耐海水腐蚀的能力，因此集装箱角件锰含量控制在1.1%～1.3%。 2.4硫、磷含量 通常情况下，在C、Si、Mn、P、S五大元素中，硫、磷对钢的低温冲击韧性影响最大，为有害元素， 因此集装箱角件控制S％≤0.03%,P％≤0.03%。 3.钢液纯净的影响 目前,多数的集装箱角件使用酸性中频炉熔炼，酸性中频炉熔炼工艺相对简单,经济性好,但在熔炼过程中受炉料杂质和高温影响（出钢时温度达到1700℃，超过石英砂熔点温度）以及使用铝线脱氧，钢液往往不够纯净，在脱氧过程中产生的三氧化二铝在钢液中呈固态存在，当其含量过高时，会出现尖角形状的三氧化二铝，削弱基体，降低力学性能，特别是冲击韧性，而加适量的铝进行脱氧变质处理又是保证力学性能的重要一环，因此钢液进入浇包后静置一段时间（一般5min左右）后再浇注，在这段时间内，钢液中的悬浮夹杂物因其与钢液的密度不同而上浮，通过除渣剂得以部分去除，这对铸 2
钢件的质量是有好处的。最好采用底注式浇包,由于钢水从底部流出，既可以保证钢液的纯净，还可以避免液面上的渣流入型腔造成铸件夹渣。
4.冷铁的影响
集装箱角件大孔受力部位较厚，N=28.5mm，属铸钢件最后冷却部位，由于钢水的体积收缩率达12.5%，钢水凝固时由于补缩不够，此部位极易产生缩孔或疏松，而集装箱角件本体取样就是取这个部位，如有缩孔或疏松，试样棒无法通过力学试验，为保证此处组织致密度，采用直接冷铁冷却此部位，使其先期冷却，以消除缩孔或疏松现象，从而保证了组织的致密度。冷铁材质为HT150-200，A型石墨为主，冷铁不得有变形或缺损等铸造缺陷，使用寿命控制在50次左右，这样保证了冷铁的冷却效果。
5.热处理工艺的影响
热处理工艺对铸钢件的性能影响极大，集装箱角件的铸态组织为粗大铁素体+珠光体,正火态组织为细铁素体+细珠光体。就ZG16Mn而言,采用正火处理可以得到与淬火+高温回火差别不大的力学性能,正火时较快的冷却速度抑制了粗大多角状铁素体的形成而细化了组织,提高了钢的强度和韧性,且正火处理提高了设备的利用率, 正火是将钢加热到AC3（对于亚共析钢）以上50～70℃完全奥氏体化，保温后再在空气中冷却得到以较细珠光体为主的组织的热处理工艺，正火处理对ZG16Mn来说是有效且廉价的。
5.1集装箱角件的加热
为保证加热的均匀和温度的稳定，我司热处理炉原为半水煤气贯通式连续正火炉，虽然成本低，但由于温度控制较难，造成角件热处理后机械性能不太稳定，在激烈的市场竞争情况下，为改进角件的力学性能，我司将半水煤气贯通式连续正火炉改造为新型双台车式电阻炉，改进后炉子加热均匀，保温性能好，炉温自动控制，实际控制温度为920±10℃，保温时间3.5-4小时。
5.2集装箱角件的摆放和冷却
集装箱角铸件的摆放形式直接影响到角件热处理的冷却速度，从而直接影响角件的机械性能，摆放过密虽然设备利用率较高，但中间的角件由于得不到快速均匀冷却，造成组织粗大，韧性和力学性能下降，达不到船级社的技术要求。经过长期试验，集装箱角件纵横摆放以井字型为佳，轴流风机摆放要按要求速度冷却，距离和间隔及风量要控制好，加上前述化学成分、钢液纯净、加冷铁控制措施，铸态角件经过热处理后，集装箱角件力学性能完全能达到法国BV、美国ABS、德国GL、中国CCS等各国船级社的技术要求。改进后角件化学成分表如表5.1和力学性能表表5.2。
表5.1化学成分
炉次号 保温温度 保温时间 4小时 4小时 4小时 4小时 4小时 4小时 4小时 4小时 C 0.16 0.14 0.16 0.14 0.13 0.16 0.15 0.12 Si 0.38 0.33 0.37 0.32 0.2 0.3 0.27 0.28 Mn 1.21 1.04 1.09 1.09 1.22 1.10 1.12 0.94 S 0.015 0.012 0.013 0.018 0.02 0.019 0.014 0.018 P 0.03 0.023 0.029 0.027 0.026 0.027 0.028 0.025 Cr 0.15 0.15 0.015 0.15 0.15 0.15 0.14 0.025 Cu 0.06 0.07 0.05 0.08 0.08 0.08 0.08 0.08 Al 0.060 0.055 0.050 0.063 0.061 0.056 0.061 0.065 3
060602 920℃ 060605 920℃ 060608 920℃ 061701 920℃ 060904 920℃ 061808 920℃ 061401 920℃ 061406 920℃
表5.2力学性能
炉号 060602 060605 060608 061701 060904 061808 061401 061406 屈服强度（MPa） 290 275 305 285 275 275 300 290 抗拉强度（MPa） 485 445 495 475 460 475 485 460 延伸率（%） 28 28.5 31.5 33 26 28.5 28 33.5 断面收缩率（%） 45 52.5 63 56.5 46.5 52.5 52.5 63 温度 -40℃ -40℃ -40℃ -40℃ -40℃ -40℃ -40℃ -40℃ 夏氏V缺口冲击功(J) 42 38 48 38 36 36 51 39 6.结论 (1)化学成分控制C：0.12-0.16%；Si：0.15-0.4%；Mn：1.1-1.3%；S、P：≤0.03%。 (2)出炉时熔炼炉内渣要尽量扒干净，铁水在浇包内要静置5分钟左右，渣也要扒干净，最好使用底注式浇包。 (3)冷铁质量一定要严格检验，材质为150-200HT，A型石墨为主，冷铁不可有变形、冷接、裂纹、缺损、结疤、生锈等，使用次数最好不要超过50次。 (4)使用电阻炉进行热处理，每炉数量需要控制，纵横井字形摆放，摆放要严格认真，纵横要对齐，最上一层要搭接，以防摆放的角铸件不稳，风机的摆放与吹风按要求的速度均匀冷却为准，热处理炉保温温度控制在920±10℃，保温时间3.5-4小时。 通过上述控制，集装箱角件力学性能能够满足法国BV、美国ABS、德国GL、中国CCS等各国船级社的技术要求。 4