大型复杂不锈钢叶轮熔模_砂型复合铸造工艺_杨兵兵 (1)

收稿日期:2007-01-21; 修订日期:2007-01-23
作者简介:杨兵兵(1967-　),陕西咸阳人,讲师.研究方向:精密铸造
工艺.
Email :yangbingbing661218@
V ol.28N o.4A pr.2007铸造技术
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G Y
铸造技术　Foundry Technology
大型复杂不锈钢叶轮熔模-砂型复合铸造工艺
杨兵兵1,2,范志康1,陈淑惠2
(1.西安理工大学材料科学与工程学院,陕西西安710048;2.陕西工业职业技术学院,陕西咸阳712000)
摘要:研究了大型复杂不锈钢叶轮熔模-砂型复合铸造工艺。

借助设计的工装,利用熔模铸造涂制出复杂叶片部分的硅酸乙酯-水玻璃复合型壳;利用砂型造型得到简单轮毂轮辐及熔模型壳部分的铸型;将熔模型壳与水玻璃砂型组合后得到了该叶轮的熔模-砂型复合铸型;通过熔炼、浇注、切割、清理、热处理得到了ZG 1Cr18N i9T i 叶轮铸件。

结果表明:采用该复合工艺生产的叶轮铸件表面粗糙度达到Ra 3.2～1.6、尺寸精度达到CT 4～C T5、力学性能等都满足技术要求,且工艺稳定,生产成本低。

关键词:不锈钢叶轮;复合铸型;熔模铸造;砂型铸造
中图分类号:TG269 文献标识码:A 文章编号:1000-8365(2007)04-0457-04
Study on the Compound Precision Casting and Sand Casting Technology
of a Large Complicated Stainless Steel Impeller
YANG Bing -bing 1,2,FAN Zhi -kang 1,CHEN Su -hui 2
(1.Institute of Materials Science and Engineering Xi ’an University of Technology ,Xi ’an 710048,China ;2.Shaanxi Polytechnic Institute ,Xianyang 712000,China )
Abstra ct :The compou nd castin g techn ology of a large complicated stain less steel impeller was studied th rou gh precision castin g and sand castin g.Parts of complicated blade were made in to the silicon e -water glass composite shell by precision castin g ;simple h ubs an d spokes ,an d the precision
shell were m ade by san d castin g meth od ,then all of them were com bin ed together to obtain an impeller compo und mould with precision castin g shell an d sand mo uld.ZG1Cr18Ni9Ti impeller castin g is produ ced by melting ,pourin g ,cu ttin g an d heat treatment.The results show that the surface ro ughn ess and precision of the castin g can reach R a 3.2～1.6an d CT4～CT5respectively.Its mechanical properties can m eet the specification requirem en ts.The combined technolo gy is stable an d has low cost.
Key words :Stainless steel impeller ;Compoun d mould ;Precesion casting ;Sand castin g
大型复杂不锈钢叶轮(见图1)是某进口制药设备上的关键、易耗铸件,工作环境处于强腐蚀性介质中,不仅结构复杂,叶片数量多,尺寸精度要求高,还需要进行超速(转速为额定转速的110%,持续2min )和动平衡检测,而且要求叶片表面光洁,任意3个相邻叶片外圆的两弦长之差不超过3m m ,叶片的扭曲角偏差在1°以内,不允许存在夹渣、疏松、气孔、裂纹等铸造缺陷,否则会出现断裂事故。

叶轮尺寸如图2所示,外径ø700m m 、高度130mm 、单件净重202kg ,辐板厚30m m 、轮辐部分为一较大的平面,叶片间距小,层层错叠,形状复杂,呈
图1　大型复杂不锈钢叶轮
Fig.1　L arg e -scale co mplex stainless steel impeller
流线型,壁厚仅为5mm ,数量多达54个,给制模和造型都带来困难,目前,采用单一的熔模铸造、砂型铸造方法生产还存在着一定难度。

为了降低成本,实现叶轮铸件生产国产化,满足制药企业需要,有必要对其铸
造工艺进行研究。

1　铸造方法选择
一方面,由于该叶轮外径尺寸较大,且材质为
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图2　叶轮尺寸Fig.2　Dimension of impeller
ZG1Cr18Ni9Ti ,体收缩率较大,因而叶轮轮毂、轮辐部
分的热节必须采用较大的冒口进行补缩。

另一方面,该叶轮不仅结构复杂,叶片数量多,间距小,而且对表面粗糙度、叶片位置、尺寸精度要求较高。

因此,生产小型复杂叶轮常用的熔模铸造,或者生产大型简单叶轮的组芯或抽芯砂型铸造的单一工艺方法,很难同时满足此类大型复杂叶轮内在质量、尺寸精度及表面质量的严格要求。

生产过程中,通过对此类叶轮铸件结构特点以及熔模铸造和砂型铸造工艺优缺点的分析,我们将此类叶轮由轮缘内侧(直径为ø416mm )划分为形状简单的轮毂轮辐部分和形状复杂的叶片部分。

对于形状复杂的叶片部分,采用熔模铸造涂制出叶片部分的型壳;对于形状简单的轮毂轮辐部分,通过砂型铸造方法造出相应部分的砂型,最后将熔模型壳与砂型组合,得到了满足技术要求的熔模-砂型复合铸型,解决了此类叶轮难于造型和不易补缩的难题。

2　工艺方案确定及浇冒口设计
通过综合分析与工艺验证,实际生产中,选用了水平分型,轮缘设置3个补缩冒口、轮毂设置1个冒口代浇口的顶注式熔模-砂型复合铸造工艺方案,见图3。

图3　叶轮铸造工艺方案Fig.3　Casting scheme of impeller
2.1　工艺方案确定
由于选择了熔模-砂型复合造型,为了使模样制作简单、造型简便、降低对操作工人操作技艺的要求,确保合箱时模壳与铸型配合精确度,决定采用水平分型、两箱造型方案。

由于轮毂、轮缘与轮辐相交部分为热节,而轮辐部分厚度只有30mm ,先于热节部位凝固,补缩通道严
重不足。

同时由于叶轮材质为ZG1Cr18Ni9Ti 奥氏体不锈钢,体收缩率大,该钢含C r 高,在浇注过程中易生成氧化铬夹杂物而使流动性降低,氧化铬膜还使铸件易产生冷隔和表面皱皮等缺陷,并且钢液温度越低、浇注时间越长,氧化现象越严重。

为了保证ZG1Cr18Ni9Ti 钢液的快速充型,有利于对热节的补缩,避免轮毂、轮缘热节处缩孔、缩松的产生,采用了轮缘部位设明
顶冒口进行补缩,轮毂部位冒口代浇口的顶注工艺方案。

虽然顶注工艺易产生夹砂、气孔等缺陷,但考虑到叶轮高度仅为130mm ,飞溅较小,可通过选择合理的浇注方法、轮缘上安放冒口补缩带排气、叶片上型部位扎气眼、熔炼优质钢液等工艺措施克服该工艺的不足。

考虑到模壳与铸型的合型误差以及上型的浇冒口加工因素,叶轮上、下水平面加工余量分别取5mm 、3m m ,型芯单面加工余量取5mm 。

2.2　浇冒口设计
轮毂部位选用标准腰圆型明冒口。

利用模数法计算得M 毂冒=2.48cm ,查标准腰圆型明冒口资料得:冒口宽度为120m m 、长度为180m m 、高度为150mm 。

冒口颈高度取20mm ,考虑到轮毂宽度,与轮毂接触处宽度取50mm 。

冒口重量约为25kg ,当ε=6%时,最大补缩铸件的体积V C =4.3×103
cm 3。

经冒口补缩能力核算及补缩长度校核,仅需设置1个标准腰圆型明冒口。

轮缘部位同样选用标准腰圆型明冒口。

利用模数法计算得M 缘冒=2.27cm ,查标准腰圆型明冒口资料得:a =110mm ,b =165m m ,h =138m m (取150mm 与轮毂冒口高度相同)。

取冒口颈高度为20mm ,考虑到轮缘宽度,与轮缘接触处宽度取40m m 。

冒口重量为21kg ,当ε=6%时,最大能补缩铸件的体积V C =3.0×103cm 3。

经冒口补缩能力核算及补缩长度校核,需设置同样尺寸的3个标准腰圆型明冒口。

3　叶轮熔模-砂型复合造型3.1　叶轮叶片部分熔模型壳工艺3.1.1　熔模组焊
由于叶轮有54个叶片,层层错叠的分布在ø700mm 的圆周上,故叶片间距很小,加上形状复杂,所以叶片
部分的熔模型壳是铸造叶轮的关键。

模料选择具有良好综合性能的松香-蜡基模料,收缩率为0.75%,其热稳定性较高。

压型选用了45#钢,铸件的综合收缩率选取2.6%,型腔表面粗糙度为Ra 0.8～0.2,采用机械加工。

为了保证叶片部分熔模组焊尺寸的精确性以及涂料工序的正常进行,设计了如图4所示的组焊工装。

其由上盖板、下盖板、定位
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《铸造技术》04/2007　
杨兵兵等:大型复杂不锈钢叶轮熔模-砂型复合铸造工艺
图4　叶轮组焊工装
Fig.4　So lder mount technolog y o f impelle r
圈、紧固轴4部分组成。

利用叶片上的圆弧与定位圈进行配合,并利用样板进行检验来确保叶片熔模的尺
寸符合要求。

3.1.2　模壳涂料
由于叶轮尺寸较大、形状复杂,尺寸精度、表面粗糙度技术要求高,为了确保叶片表面质量、模壳强度以及叶片模壳与砂型很好的接合并降低成本,采用了硅酸乙酯-水玻璃复合型壳,具体工艺参见参考文献[1]。

3.1.3　型壳的加固、脱蜡、焙烧
叶片部分模壳涂制完成以后,由于叶片部分熔模型壳体积较大,如果立即卸去涂制工装,在搬运、脱蜡、焙烧过程中,会发生变形,严重时可导致模壳报废。

同时,为了确保型壳转运时起吊方便以及合型时定位准确,设计过程中,采用了在型壳外围制作水玻璃砂套并在砂套内预先放置带有2个吊环的铸铁加强筋的型壳固定工艺。

水玻璃砂套宽度约为100mm ,见图5。

图5　水玻璃砂套的制作
Fig.5　P repa ratio n o f so dium silicate she ll
生产中采用高压蒸汽脱蜡法,设备选用DRTL /200电加热脱蜡釡。

蒸汽压力为0.6～1.0M Pa ,充气
时间<5s ,脱蜡时间6～10min 。

焙烧设备选用75kW 箱式电炉,焙烧温度选择850±30℃,保温1.5～2.0h 。

焙烧过程中,应将叶片
模壳水平放置在盛满20/40目石英砂的不锈钢盘内,防止叶片在高温下产生变形。

焙烧后的模壳如图6所示。

图6　焙烧后的模壳Fig.6　Shell after firing
3.2　叶轮轮毂轮辐部分砂型铸型工艺3.2.1　木模、芯盒
为了提高铸件的几何形状和合型时铸件的相对位置精度,减少原始不平衡度,选择了整体木模造型及分开式木质芯盒造芯。

木模缩尺2.2%,木模除轮毂轮辐部分外,还应考虑熔模型壳尺寸。

3.2.2　造型(芯)材料
采用100%的40/70目的铬铁矿CO 2硬化水玻璃砂做面砂、芯砂,用石英砂作背砂并刷锆英粉涂料,表面干型。

要求原砂含泥量应小于2%,并严格控制水分,一般需进行烘干处理,同时选用优质水玻璃及合理的模数。

混好的砂放在有盖的容器中,或者用湿的麻袋盖严实,以免砂中的水分蒸发和与空气中的CO 2接
触而造成硬化。

3.2.3　造型操作工艺要求
造型时靠近模样的一层应填加面砂。

一般舂实后的面砂厚度以75～100m m 为宜。

要求紧实度均匀。

为了顺利地排出浇注时型腔内产生的大量气体,砂型造好取样前,在每个叶片顶部扎1～2个气眼以利排气。

选择用插管吹气法硬化工艺,吹气压力0.10～
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0.15M Pa ,流量0.5m 3/h ,时间20～30s 。

3.3　叶轮熔模-砂型复合铸型工艺
当叶轮部分的模壳及轮毂轮辐部分的砂型铸型制备完成后,便可进入造型的最后一道工序———合型。

主要包括:准备、下芯、合型与验型、铸型的紧固、放浇口杯、糊箱等。

为了保证上、下砂型能准确合型,采用定位销(套)对砂型进行定位。

图7为叶轮熔模-砂型复合铸型示意图。

图7　叶轮熔模铸造
-砂型铸造复合铸型
Fig.7　Co mpo und mould with precisio n casting and sand
ca sting
4　熔炼、浇注、清理与热处理
采用GGW -0.30无芯中频碱性感应电炉熔炼ZG1Cr18Ni9Ti ,每炉加入(质量分数)60%本钢返回料、20%低磷小废钢以及适量电解镍、电解锰、钛铁、铬铁、硅铁。

采用0.08%的铝粉和0.1%的铝块分别进行预脱氧和终脱氧。

叶轮铸件浇注温度以1580±10℃为宜,浇注过程中,开始要快浇,以保证叶轮叶片能快速充满,防止产生浇不到、冷隔缺陷;浇注时间控制在8～12s ,浇注后期要慢浇,浇完后要补浇,使叶轮厚实部位得到充分补缩。

叶轮清理重点在叶片,为了避免落砂时伤及叶轮表面,熔模型壳选择了碱煮清砂。

由于不锈钢具有低
的塑性及加工硬化特点以及不锈钢叶轮浇冒口尺寸较大两方面原因,浇冒口切割选用氧乙炔火焰振动气割
工艺。

为了提高ZG1Cr18Ni9Ti 叶轮铸件的力学性能,减少偏析,提高抗蚀性能,选用固溶处理(铸态)→稳定化处理工艺。

固溶处理温度1050～1100℃,保温3～4h ,大于950℃水淬。

稳定化处理温度850～950℃,保温4h 左右后空冷。

5　铸件质量检测结果
采用上述工艺生产的大型、复杂不锈钢叶轮,单件重量达202kg ,尺寸精度达到C T4～C T5,表面粗糙度达到R a 3.2～1.6;叶片之间的相对位置及尺寸符合设计要求,铸件内外表面质量良好,材料化学成分符合标准要求,铸件经热处理后无磁性且力学性能符合标准要求,经动平衡试验和超速试验,均达到设计要求。

用该复合工艺生产叶轮20余件,铸件成品率为100%,创经济效益10余万元。

6　结论
(1)设计的叶片组焊工装,解决了叶片部分熔模的组焊、定位以及涂料的涂制难题,为其它类铸件熔模组焊工装的设计提供了借鉴。

(2)采用的熔模-砂型复合铸造工艺发挥了熔模铸造、砂型铸造的优点,避免了单一铸造工艺的不足,使大型复杂整体叶轮铸造的国产化得到实现。

经制药企业测试性能优于进口铸件。

(3)通过对本课题的研究,可以对目前铸造生产中熔模铸造、砂型铸造相对独立生产的现状进行有益的改进、探索。

参考文献
[1]　杨兵兵,范志康.硅酸乙酯-水玻璃复合型壳在精密铸造
中的应用[J ].铸造技术,2006,27(10):1098-1101.
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