不銹鋼鑄件質(zhì)量控制實(shí)踐

（太原重工耐磨件分公司，山西 太原 030024）

關(guān)鍵字：不銹鋼；質(zhì)量控制；工藝設(shè)計(jì)

奧氏體不銹鋼是不銹鋼中應(yīng)用最為廣泛，牌號(hào)最多的鋼種，其生產(chǎn)量和使用量約占不銹鋼總量的70%，因其良好的特性越來(lái)越受到重視和應(yīng)用，特別是在核電，化工等行業(yè)設(shè)備的制造生產(chǎn)中，更是被應(yīng)用于重要的、關(guān)鍵的零部件。

目前，我單位生產(chǎn)的不銹鋼機(jī)殼是化工行業(yè)制硝酸設(shè)備的主要備件。每套機(jī)組都分上下兩半結(jié)構(gòu)，均為鑄鋼件，使用時(shí)把合而成。由于特殊的工作環(huán)境，此類(lèi)鑄件外觀質(zhì)量和內(nèi)在質(zhì)量要求都很苛刻。其性能的優(yōu)劣直接關(guān)系著生產(chǎn)線(xiàn)的安全運(yùn)行，故整個(gè)鑄件不允許有裂紋、夾砂、縮松、氣孔等鑄造缺陷；該產(chǎn)品需做水壓試驗(yàn)，空氣氣密性試驗(yàn)，晶間腐蝕檢驗(yàn)等，其服役時(shí)必須達(dá)到100%的可靠性。因此，要保證成功交貨，質(zhì)量的控制十分重要。

本文以不銹鋼機(jī)殼上半部分為研究對(duì)象，其結(jié)構(gòu)如圖1 所示，闡述此類(lèi)鑄件的質(zhì)量控制措施，嚴(yán)格控制化學(xué)成分，優(yōu)化鑄造工藝及熔煉熱處理工藝等。

1 鑄件的質(zhì)量控制措施

1.1 嚴(yán)格控制化學(xué)成分

圖1 鑄件三維結(jié)構(gòu)圖

根據(jù)鑄件的使用要求，化學(xué)成分必須考慮有助于消除縮孔、縮松類(lèi)缺陷，同時(shí)要滿(mǎn)足強(qiáng)度，還要對(duì)鑄件的耐蝕性做綜合考慮。

磷（P）和硫（S）是不銹鋼中的有害元素，對(duì)不銹鋼的耐腐蝕性和沖壓性都極為不利，因而含量越低越好。

碳（C）在不銹鋼中的作用具有兩重性，其含量和分布形式，在很大程度上左右著不銹鋼的組織和性能。其在不銹鋼中對(duì)組織的影響主要表現(xiàn)在兩個(gè)方面，一方面碳是穩(wěn)定奧氏體的元素，且作用的程度極大，能顯著提高鋼的強(qiáng)度，另一方面由于碳和鉻的親和力極大，與鉻形成—系列復(fù)雜的碳化物，從而顯著降低鋼的耐蝕性。所以，從強(qiáng)度與耐腐燭性能兩方面來(lái)看，碳在不銹鋼中的作用是互相矛盾的。要想得到滿(mǎn)足性能的不銹鋼，必須找到合適的平衡點(diǎn)，確定最佳化學(xué)成分內(nèi)控標(biāo)準(zhǔn)以滿(mǎn)足性能指標(biāo)。

鉻（Cr）是決定不銹鋼耐蝕性能的最基本元素。鉻能使鋼的表面很快形成一層為腐蝕介質(zhì)不能透過(guò)和不溶解的富鉻氧化膜，該氧化膜極為致密，并與金屬基體結(jié)合得十分牢固，保護(hù)鋼免受外界介質(zhì)的進(jìn)一步氧化侵蝕。

鎳（Ni）是形成奧氏體的元素，對(duì)不銹鋼耐腐蝕的影響，只有其與鉻配合時(shí)才能充分顯示出來(lái)，在含鉻18%的鋼中加入9%的鎳使鋼在常溫下獲得單一奧氏體組織，并可以提高鋼對(duì)非氧化性介質(zhì)的耐蝕性。

為了滿(mǎn)足鑄件使用要求，最終確定化學(xué)成分，如表1 所示。

表1 機(jī)殼的化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%）

圖2 鑄件外表面簡(jiǎn)圖

1.2 鑄造工藝設(shè)計(jì)

鑄件結(jié)構(gòu)相對(duì)復(fù)雜，極易產(chǎn)生冷隔，變形，裂紋，粘砂等現(xiàn)象，外表面臍子多（見(jiàn)圖2），易產(chǎn)生熱節(jié)，導(dǎo)致鑄件縮孔縮松。

首先運(yùn)用Solidworks 三維軟件做出較為直觀的三維立體圖，然后用凝固模擬軟件Magma 進(jìn)行充型過(guò)程模擬和凝固過(guò)程模擬，通過(guò)計(jì)算機(jī)數(shù)值模擬可以在實(shí)際生產(chǎn)之前得到鑄件充型凝固的整個(gè)過(guò)程，可觀察充型是否平穩(wěn)，還可以預(yù)測(cè)缺陷產(chǎn)生的部位，針對(duì)不同缺陷可以采取相應(yīng)措施來(lái)消除或降低缺陷產(chǎn)生。

1）沖砂和夾渣缺陷。因該材質(zhì)含碳量很低，含鉻量較高，鋼水在冶煉和澆注時(shí)及易氧化，若澆口設(shè)計(jì)不當(dāng)，在澆注過(guò)程會(huì)有大量氣孔卷入型腔造成鑄件大面積氣孔而報(bào)廢。澆注系統(tǒng)必須保證鋼液平穩(wěn)、快速、連續(xù)進(jìn)入型腔，并且能順利排氣，一般采用開(kāi)放式澆注系統(tǒng)，側(cè)注的澆注方式。內(nèi)澆口必須多而分散，保證在短時(shí)間內(nèi)鑄件澆注完畢。澆注系統(tǒng)由陶瓷管連接而成，減少鋼水與砂型的接觸，防止沖砂和產(chǎn)生夾渣，與鑄件接觸處全部采用鴨嘴式澆道。

2）縮孔縮松缺陷。機(jī)殼進(jìn)氣，排氣室呈變截面圓弧狀，壁薄且長(zhǎng)，若不采取措施，必會(huì)產(chǎn)生縮孔縮松，如圖3 所示。用曲線(xiàn)法設(shè)計(jì)加工余量代替補(bǔ)貼，形成補(bǔ)縮梯度，保證自下而上順序凝固，能防止縮孔縮松，不僅能節(jié)約鋼水，而且不用去除補(bǔ)貼，能避免采用氣割法去除補(bǔ)貼而引起的鑄造缺陷。

3）氣孔和砂眼缺陷。砂型鑄造難以滿(mǎn)足局部快速冷卻的要求，必須采取措施縮短局部凝固時(shí)間，冷鐵熱導(dǎo)率大，蓄熱能力強(qiáng)，生產(chǎn)中在熱節(jié)處或末端區(qū)放置隨形外冷鐵，來(lái)提高冷卻速度，增強(qiáng)冒口補(bǔ)縮效果。冷鐵使用面使用前需打磨光潔，露出金屬光澤，以消除氣孔、砂眼等缺陷。

4）變形缺陷。中分面設(shè)置多道拉筋，以防止開(kāi)口處尺寸變大。拉筋在最終熱處理后割除。

5）裂紋缺陷。在厚大法蘭與薄壁型腔過(guò)渡面設(shè)置三角加強(qiáng)筋，提早建立強(qiáng)度，防止收縮過(guò)程中產(chǎn)生應(yīng)力不均而導(dǎo)致的裂紋。

圖3 鑄件凝固過(guò)程模擬結(jié)果

1.3 熱處理

奧氏體不銹鋼雖克服了馬氏體不銹鋼的耐蝕性不足和鐵素體不銹鋼的脆性過(guò)大，但在局部抗腐蝕方面仍存在晶間腐蝕傾向，且含碳量越高，該傾向越大。為防止晶間腐蝕，需使其組織為單相奧氏體，通過(guò)固溶處理，將鑄件加熱至1 050 ℃～1 150 ℃水淬，主要目的是使碳化物溶于奧氏體中，并將此狀態(tài)保留一定時(shí)間快速冷卻，使碳化物來(lái)不及析出，因而得到單一的奧氏體組織，這會(huì)使鋼的耐蝕性極大的改善。

2 最終結(jié)果

經(jīng)過(guò)大量的工藝準(zhǔn)備和嚴(yán)格控制生產(chǎn)過(guò)程，所生產(chǎn)鑄件落砂后外觀光潔，尺寸合理，見(jiàn)圖4.對(duì)鑄件附鑄試塊進(jìn)行拉伸，沖擊等試驗(yàn)，表2 數(shù)據(jù)顯示，鑄件的各項(xiàng)性能指標(biāo)完全滿(mǎn)足客戶(hù)要求。此外水壓試驗(yàn)，氣密性試驗(yàn)，晶間腐蝕等均達(dá)到使用要求。實(shí)踐證明，產(chǎn)品達(dá)到了預(yù)期效果。

圖4 落砂后的鑄件

3 結(jié)論

上述工藝措施的實(shí)施，有力保證其生產(chǎn)進(jìn)度的同時(shí)，也積累了許多關(guān)于不銹鋼冶煉、鑄造工藝設(shè)計(jì)和熱處理方面的寶貴經(jīng)驗(yàn)；這些經(jīng)驗(yàn)為我公司進(jìn)軍核電、水電行業(yè)，打開(kāi)不銹鋼訂貨市場(chǎng)奠定了基礎(chǔ)。

表2 力學(xué)性能