G20Mn5QT在钢结构工程中的铸钢节点应用

yingfeng201973

铸钢节点是在建筑结构中，将钢结构构件、部件或板件连接成整体的铸钢件,多杆件连接的节点以及建筑上有特殊外形要求时可采用铸钢节点
G20Mn5是一种广泛使用的低碳低合金铸钢，具有可焊性好、裂纹倾向小、综合力学性能优异等特点。该材质铸件的力学性能与化学成分选择、热处理工艺和铸造工艺密切相关。
4 }5 V+ @7 x9 D2 K% s5 ~热处理工艺
欧标中建议G20M5的奥氏体均匀化温度900℃-980℃,冷却介质为空气或液体（可选）,回火温度为610℃-660℃。由于铸件本身结构复杂且壁厚不均，为了减小铸件在热处理过程中的变形和表面微裂纹形成，淬火温度不宜过高，实际采用的热处理工艺为920℃保温3h+620℃回火3h。确保铸件均匀升温，实际操作先加热至680℃保温2h再升温至920℃。冷却介质首先选择冷却速度相对较低的淬火油，以降低淬火过程中产生的应力。结果发现采用油淬的屈服强度有一个位置不达标。为了继续提高铸件的强度，又采用德捷力P6100慢速水基淬火液进行淬火，该淬火液的冷却速度高于油但低于水，在保持回火温度不变的情况下，屈服强度稍有提高，但富余量仍然不足，批量生产中仍可能存在问题。随后采用了水淬的方式，并将回火温度提高了30℃，结果显示屈服强度比油淬增加了20-30MPa,同时延伸率也满足技术要求
3 M: u/ ?. f9 f# p+ z5 H$ _# y大型体育场馆上部建筑中，节点件是关键件，是上部各部件连接中枢，是使整个穹顶联接天衣无缝、美观、自然的关键，本文着重对节点用材料进行分析，为节点件的制造提供较为明确关注点。

在当今的大型体育场馆、剧院、展览馆等大跨度顶部结构的复杂链接中大多采用铸钢节点。铸钢是钢品种中很重要组成部分，铸钢件既有液态成型的一切长处，又可保有各种钢所特有的优异性能。铸钢按化学成分主要分为铸造碳钢和铸造合金钢，其中有些钢种，有些零件本身性能特点，不可能用机加工、焊接、轧制、锻造等手段获得，只能用铸造方法。节点产品就属于只能用铸造方法加工的产品。
铸钢节点用钢要求低硫磷含量，高纯净度和高的低温冲击性能，屈服强度 >300Mpa，抗拉强度 =480-620MPa，伸长率A≥22%，冲击功（J/-40℃）>27。本文从节点材料的热处理性能及铸造性能入手论证节点选材的可行性。
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# m5 l7 `. n0 U! N% A. i以国家体育场体育场节点为例：首先，节点外型复杂，节点材料属于结构碳钢，此材料使用铸造工艺可提高效率、节约成本。节点产品使用环境特殊，要求使用寿命长、不易更换、安全系数高、抗震。所以材料抗拉强度、屈服强度、延伸率、抗冲击性能等综合性能要有严格要求，从而对化学成分也有严格规定。
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G20Mn5QT的热处理性能

, U0 [/ T$ S( U! z6 i, U2 X本件含碳量在0.2%左右，在热处理中达到正火温度后，也就是使组织达到γ相区，此时基本组织为γ相或者说奥氏体，随着温度降低，组织向α相转变，转变为α铁，但是Mn和Ni都有扩大γ相区的作用，能使在常温下获得奥氏体组织，所以含碳0.2%的钢通过正火、回火处理后，组织存在相当数量的奥氏体和铁素体，所以材料具有很好的延伸率和冲击韧性。Mn、Ni不仅有扩大γ相区的作用，并都有提高强度的作用。铁素体、奥氏体自身的强度都比较低，都不超过400MPa，但是由于有Mn、Ni、Si的存在，使机械性能得到改善，强度提高，综合性能满足要求。
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G20Mn5QT的铸造性能

合金元素对铸造性能具有影响，首先是C，C有利于改善钢水的流动性，但本产品C含量低，只有0.2%，所以对钢水的流动性不利。Si能降低熔点，改善流动性，本产品含硅量为0.6%，含量不高，Si有良好的脱氧作用，钢水流动性会有所改善，Mn有缩小结晶范围，提高流动性的作用，但Mn增加体收缩和线收缩，增加冷、热裂倾向。P能改善流动性，但也增大冷、热裂倾向，S降低流动性，增大冷热裂倾向，本产品P、S含量很低，影响自然比较小。但综合上述影响比较大的当属C、Si、Mn，综合比较，铸造性能不属于很不好，只要合理设计铸造工艺，严格执行工艺要求，就能生产出性能合格、外观完美的节点产品。
$ C1 t9 A# F" }& J% b6 q# U采用铸造合金钢的优点
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铸钢件不论其重量大小，批量多少，均易于按设计者的构思制成具有合理外形和内部轮廓、刚度高、形状复杂且应力集中不显著的零件。单件或小量生产时，可用木模模具，生产准备周期短，生产成本低。批量生产时，可用塑料或金属模具，并用适当的造型工艺，是铸件具有符合要求的尺寸精度和表面质量。这些优点是用其他方法制作难以达到的。
: H: Z( d+ S& u7 K$ t节点产品结构比较复杂，要求严格，是因为它的重要。对于如此重要的产品要了解每一个细节，对元素的含量及作用要了解，对它的性能要了解，对它的使用及环境要了解，总之，对所有应了解的东西都了解后，才能设计合理的铸造工艺，和合理的浇注系统。每个产品都可以设计出多种工艺方案，每一种方案都能生产出合格铸件，但哪种方案成品率高，节约工时材料，降低成本，提高效率，区别可能是很大的，所以我们要分析产品，从产品的每一个细节着手，包括材料，外形，精度要求等等，根据各厂条件制定出一套完整、可行、好的工艺。综上所述采用G20Mn5QT作为节点材料，经过适当的热处理完全能够达到节点的机械性能要求，通过合理的铸造工艺也能生产出高品质的结构复杂节点铸件。