大型鋼結(jié)構(gòu)上部建筑中，節(jié)點件是關(guān)鍵件，是上部各部件連接中樞，是使整個穹頂聯(lián)接天衣無縫、美觀、自然的關(guān)鍵，本文著重對節(jié)點用材料進(jìn)行分析，為節(jié)點件的制造提供較為明確關(guān)注點。 

在當(dāng)今的大型體育場館、劇院、展覽館等大跨度頂部結(jié)構(gòu)的復(fù)雜鏈接中大多采用鑄鋼節(jié)點。鑄鋼是鋼品種中很重要組成部分，鑄鋼件既有液態(tài)成型的一切長處，又可保有各種鋼所特有的優(yōu)異性能。鑄鋼按化學(xué)成分主要分為鑄造碳鋼和鑄造合金鋼，其中有些鋼種，有些零件本身性能特點，不可能用機(jī)加工、焊接、軋制、鍛造等手段獲得，只能用鑄造方法。節(jié)點產(chǎn)品就屬于只能用鑄造方法加工的產(chǎn)品。鑄鋼節(jié)點用鋼要求低硫磷含量，高純凈度和高的低溫沖擊性能，屈服強(qiáng)度 >300Mpa，抗拉強(qiáng)度 =500-650MPa，伸長率A≥22%，沖擊功（J/-40℃）>27。本文從節(jié)點材料的熱處理性能及鑄造性能入手論證節(jié)點選材的可行性。

2.實際應(yīng)用舉例

以伊拉克AL-MENNA 體育場節(jié)點為例（見下圖）：首先，節(jié)點外型復(fù)雜，有五個聯(lián)接用法蘭，有八個形狀復(fù)雜的索槽。其次，節(jié)點材料屬于低碳低合金焊接結(jié)構(gòu)碳鋼，此材料使用鑄造工藝可提高效率、節(jié)約成本。節(jié)點產(chǎn)品使用環(huán)境特殊，要求使用壽命長、不易更換、安全系數(shù)高、抗震。所以材料抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度、延伸率、抗沖擊性能等綜合性能要有嚴(yán)格要求，從而對化學(xué)成分也有嚴(yán)格規(guī)定。

3.1 G20Mn5QT的熱處理性能

本件含碳量在0.2%左右，在熱處理中達(dá)到正火溫度后，也就是使組織達(dá)到γ相區(qū)，此時基本組織為γ相或者說奧氏體，隨著溫度降低，組織向α相轉(zhuǎn)變，轉(zhuǎn)變?yōu)棣凌F，但是Mn和Ni都有擴(kuò)大γ相區(qū)的作用，能使在常溫下獲得奧氏體組織，所以含碳0.2%的鋼通過正火、回火處理后，組織存在相當(dāng)數(shù)量的奧氏體和鐵素體，所以材料具有很好的延伸率和沖擊韌性。Mn、Ni不僅有擴(kuò)大γ相區(qū)的作用，并都有提高強(qiáng)度的作用。鐵素體、奧氏體自身的強(qiáng)度都比較低，都不超過400MPa，但是由于有Mn、Ni、Si的存在，使機(jī)械性能得到改善，強(qiáng)度提高，綜合性能滿足上表要求。

合金元素的存在狀態(tài)有多種：①合金元素以原子狀態(tài)，固溶于鐵素體、奧氏體。②元素部分與碳形成碳化物。③與鋼中的O、N、S化合，形成非金屬夾雜物。④有的元素以游離狀態(tài)存在。本產(chǎn)品的特點是低碳、低硫、低磷。再加Mn、Ni、Si自身特點，所以Mn、Ni、Si在合金組織中的存在形式是以固溶于鐵素體、奧氏體為主。Mn不僅有擴(kuò)大γ相區(qū)，形成無限固溶體，對鐵素體及奧氏體均有較強(qiáng)的固溶強(qiáng)化作用，與S形成熔點較高的MnS，可防止因FeS而導(dǎo)致的熱脆現(xiàn)象，降低鋼的下臨界點，增加奧氏體冷卻時的過冷度，細(xì)化珠光體組織以改善鋼的機(jī)械性能，為低合金鋼的重要合金元素之一，并為無Ni及少Ni奧氏體鋼的主要奧氏體化元素。Ni擴(kuò)大γ相區(qū)，形成無限固溶體，在α鐵中最大溶解度約10%，不形成碳化物，細(xì)化鐵素體晶粒，在強(qiáng)度相同條件下，提高鋼的塑性和韌性，特別是低溫韌性，為主要奧氏體形成元素，并改善鋼的耐腐蝕性能。Si有縮小γ相區(qū)，形成γ相圈作用，在α鐵及γ鐵中溶解度分別為18.5%及2.15%，不形成碳化物，對提高鋼的綜合性能，特別是彈性極限有利，可增強(qiáng)在自然條件下的耐蝕性。P縮小γ相圈，與S、Mn聯(lián)合使用增強(qiáng)鋼的被切削性，在鋼中偏析嚴(yán)重，增加鋼的回火脆性及冷脆敏感性，但本產(chǎn)品中P、S含量很低，其作用也很低，所以S、P在本產(chǎn)品中的作用可不作討論。

3.2 G20Mn5QT的鑄造性能

合金元素對鑄造性能具有影響，首先是C，C有利于改善鋼水的流動性，但本產(chǎn)品C含量低，只有0.2%，所以對鋼水的流動性不利。Si能降低熔點，改善流動性，本產(chǎn)品含硅量為0.6%，含量不高，Si有良好的脫氧作用，鋼水流動性會有所改善，Mn有縮小結(jié)晶范圍，提高流動性的作用，但Mn增加體收縮和線收縮，增加冷、熱裂傾向。P能改善流動性，但也增大冷、熱裂傾向，S降低流動性，增大冷熱裂傾向，本產(chǎn)品P、S含量很低，影響自然比較小。但綜合上述影響比較大的當(dāng)屬C、Si、Mn，綜合比較，鑄造性能不屬于很不好，只要合理設(shè)計鑄造工藝，嚴(yán)格執(zhí)行工藝要求，就能生產(chǎn)出性能合格、外觀完美的節(jié)點產(chǎn)品。

3.3 采用鑄造合金鋼的優(yōu)點

鑄鋼件不論其重量大小，批量多少，均易于按設(shè)計者的構(gòu)思制成具有合理外形和內(nèi)部輪廓、剛度高、形狀復(fù)雜且應(yīng)力集中不顯著的零件。單件或小量生產(chǎn)時，可用木模具或聚苯乙烯氣化模具，生產(chǎn)準(zhǔn)備周期短，生產(chǎn)成本低。批量生產(chǎn)時，可用塑料或金屬模具，并用適當(dāng)?shù)脑煨凸に嚕氰T件具有符合要求的尺寸精度和表面質(zhì)量。這些優(yōu)點是用其他方法制作難以達(dá)到的。

4.結(jié)論

節(jié)點產(chǎn)品結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，要求嚴(yán)格，是因為它的重要。對于如此重要的產(chǎn)品要了解每一個細(xì)節(jié)，對元素的含量及作用要了解，對它的性能要了解，對它的使用及環(huán)境要了解，總之，對所有應(yīng)了解的東西都了解后，才能設(shè)計合理的鑄造工藝，和合理的澆注系統(tǒng)。每個產(chǎn)品都可以設(shè)計出多種工藝方案，每一種方案都能生產(chǎn)出合格鑄件，但哪種方案成品率高，節(jié)約工時材料，降低成本，提高效率，區(qū)別可能是很大的，所以我們要分析產(chǎn)品，從產(chǎn)品的每一個細(xì)節(jié)著手，包括材料，外形，精度要求等等，根據(jù)各廠條件制定出一套完整、可行、好的工藝。綜上所述采用G20Mn5QT作為節(jié)點材料，經(jīng)過適當(dāng)?shù)臒崽幚硗耆軌蜻_(dá)到節(jié)點的機(jī)械性能要求，通過合理的鑄造工藝也能生產(chǎn)出高品質(zhì)的結(jié)構(gòu)復(fù)雜節(jié)點鑄件。

1混沙工藝標(biāo)準(zhǔn) 
1.1材料要求： 
（1）造型沙：符合GB9442-88[1]細(xì)粒砂要求，一般選用二氧化硅含量較高的天然砂或石英砂，原砂粒度根據(jù)鑄件大小及壁厚確定，原砂的含泥質(zhì)量分?jǐn)?shù)應(yīng)小于2%，原砂中的水份必須嚴(yán)格控制，且一般應(yīng)進(jìn)行烘干。 
（2）水玻璃：小砂型（芯）為加速硬化采用選用M=2.7—3.2的高模數(shù)水玻璃；中型砂型（芯）可選用M=2.3—2.6的水玻璃；生產(chǎn)周期長的大型砂型（芯）選用M=2.0—2.2的低模數(shù)水玻璃。 
1.2混制比例（質(zhì)量分?jǐn)?shù)%）：造型砂/水玻璃=100：6～8 
1.3混制時間：一般情況下混制5分鐘，室溫或水玻璃密度較大時可適當(dāng)延長混砂時間。 
1.4混制后要求：混制好的造型砂要求無塊狀或團(tuán)狀，流動性較好。 
2造型工藝標(biāo)準(zhǔn)[2] 
2.1造型操作流程：選取合適砂箱→放置木?！钌啊o實→放置上砂箱→安置澆冒口→填砂→緊實→起模修型→硬化 
2.2操作方法及質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)： 
（1）根據(jù)鑄件模型的形狀和大小，選取合適的砂箱。 
（2）把鑄件模型放到砂箱內(nèi)的適當(dāng)位置。 
（3）往砂箱中加入適當(dāng)造型砂，使用工具將砂箱中的造型砂緊實，緊實程度要適中。 
（4）用刮板刮去高出砂箱的造型砂，使砂型表面和砂箱的邊緣平齊。 
（5）用毛刷清理模型表面浮砂，覆蓋塑料薄膜并使薄膜平整。 
（6）放置上砂箱，上、下砂箱箱口要對齊。 
（7）在上砂箱中合適位置放置澆冒口，添加造型砂并緊實。 
2.3砂型型腔質(zhì)量要求： 
（1）砂型無飛邊、無毛刺、無殘缺，型腔內(nèi)干凈無殘砂等異物。 
（2）型腔應(yīng)干燥，硬化程度高，合箱前要保證充分干燥。 
（3）砂型輪廓完整、清晰，合箱箱印或記號完整清晰。 
（4）澆口、冒口位置設(shè)置合理、大小符合要求；排氣孔通暢、澆注系統(tǒng)根據(jù)鑄件設(shè)置合理。 
2.4合箱： 
合箱就是把砂型和砂芯按要求組合在一起成為鑄型的過程。習(xí)慣上也稱拼箱、配箱或扣箱。 
合箱工作一般按以下步驟進(jìn)行： 
（1）全面檢查、清掃、修理所有砂型和砂芯，特別要注意檢查砂芯的烘干程度和通氣道是否通暢。不符合要求者，應(yīng)進(jìn)行返修或廢棄。 
（2）按下芯次序依次將砂芯裝入砂型，并嚴(yán)格檢查和保證鑄件壁厚、砂芯固定、芯頭排氣和填補(bǔ)接縫處的間隙。 
（3）仔細(xì)清除型內(nèi)散砂，全面檢查下芯質(zhì)量，在分型面上沿型腔外圍放上一圈泥條或石棉繩，以保證合箱后分型面密合，避免液態(tài)金屬從分型面間隙流出。隨后即可正式合上箱。 
（4）放上壓鐵或用螺栓、金屬卡子固緊鑄型。放好澆口杯、冒口圈。在分型面四周接縫處抹上砂泥以防止跑火。最后全面清理場地，以便安全方便地澆注。