超低碳奧氏體不銹鋼導流殼的研制

李萬鵬

(沈陽鑄鍛工業有限公司，遼寧110142)

沈陽鑄鍛工業有限公司為某工程生產一種新型高效的大型循環水泵導流殼特種鋼鑄件。由于該鑄件的質量要求非常嚴格，特別是導流殼的尺寸精度及過流部位形線的要求很高，鑄件材料要具有良好的耐海水腐蝕性能，因此鑄造生產的難度很大。導流殼鑄件結構復雜，壁厚相差懸殊，在輪轂處的最大厚度為120 mm，而葉片及內外輪轂的厚度為33 mm～35 mm，因此在鑄造及熱處理過程中葉片易產生裂紋。導葉體的最大外廓尺寸為?2 100 mm×2 400 mm，鑄件毛重為8 840 kg，7枚葉片均布，葉片的扭曲度比較大，形線精度要求比較高。鑄件的材料為ASTM/A743 CK3MCuN，是超低碳低硫鉻鎳鉬奧氏體不銹鋼，C≤0.025%，S≤0.010%，N含量較低，冶煉難控制。這種鋼鑄造體收縮大，易產生縮孔、縮松、熱裂和熱粘砂等鑄造缺陷。因此，在鑄造工藝設計時必須充分考慮上述問題，采用合理的制造手段及特殊的工藝方法來滿足設計要求。

1 技術要求

(1)鑄造尺寸公差采用GB/T6414—1999 CT12級。

(2)材質為ASTM/A743 CK3McuN，化學成分控制見表1。

(3)鑄件做固溶化處理。

(4)材料力學性能應滿足Rm≥550 MPa，Re≥260 MPa，A5≥35%。

(5)根據標準MSS SP—55檢測鑄件，所有機加工表面及葉片入口邊進行PT檢驗。

2 鑄造工藝設計

根椐導流殼的結構特點和技術要求，生產此鑄件的技術難點和技術關鍵主要是解決葉片的位置及形線精度、保證鑄件的內外部質量以及防止葉片產生裂紋等問題，現擬定如下鑄造工藝方案：導流殼的吸入口朝上，采用呋喃自硬硅砂組芯造型。在吸入口輪轂設置7個腰形明冒口，在吸入口外法蘭上設置7個明冒口，在吐出口外輪轂處設置7個圓形暗冒口。澆注系統為從吐出口外輪轂處7個圓形暗冒口底部注入。為解決葉片的位置及形線精度問題，我們采用組芯的方法，過流部位做1/7芯盒，流道芯單個打制。首先利用中心軸及上下分箱面研外皮芯，保證過流芯與外皮芯同心，之后撤去外皮芯，組中間的過流芯，利用組芯樣板和芯子的定位來控制過流芯的準確性(如圖1、圖2所示)。把過流芯連接到一起，組成一個整體芯，再把研好的外皮芯按標記組上，檢測法蘭盤厚度及鑄件皮厚。尺寸滿足要求后，套箱埋砂澆注，導流殼鑄件圖見圖3。

表1 化學成分控制(質量分數，%)Table 1 The requirement of chemical composition(mass fraction, %)

圖1 圖2 圖3

(1)工藝參數的選擇

縮尺2.5%，進口邊上法蘭平面加工余量15 mm，出口邊下平面加工余量12 mm，其余加工部位的加工余量視其加工要求、起模因素和收縮等工藝因素，分別在8 mm～12 mm范圍內選擇。

(2)造型及制芯方法

采用呋喃樹脂自硬砂造型、制芯，流道芯做1/7芯盒，單個打制，各流道芯采取排氣措施，葉片木模圓根做出并帶刮板，做定位芯頭，下箱外型內組芯。

(3)澆冒口設計

根據鑄件結構特點，采用階梯式澆注系統，漏包包眼?70 mm，一個?100 mm的直澆口，橫內澆口?50mm直接由吐出口外輪轂處7個圓形暗冒口位置注入，并在入水口法蘭處增加一個橫澆口，使澆注系統為階梯式澆注系統。導流殼輪轂冒口的尺寸為200 mm×300 mm×350 mm，7個均布，吐出口外輪轂處圓形暗冒口尺寸為?200 mm×300 mm，7個均布。

(4)冷鐵設計

在葉片與內外輪轂交接處隨型設置外冷鐵，吐出口法蘭底平面的兩個暗冒口之間設置外冷鐵，防止鑄件產生熱裂缺陷。

3 分析曲線及控樣

ASTM/A743 CK3MCuN鋼是美國的材料牌號，國內無此牌號，因此無標準樣品用于分析。此鋼種中碳硫含量要求非常低，而Cr、Ni、Mo等合金的含量又很高，合金總量占50%。為確保分析數據的準確性，我們利用現有的國家標準樣品，重新繪制了此鋼種各元素的分析曲線。由于此鋼種中合金含量很高，存在嚴重的共存干擾現象，必須進行共存元素干擾校正。經過反反復復的驗證，終于確定了最終的、經過校正后的分析曲線。分析曲線確定后，我們從五塊試驗樣品中精心挑選制作了兩塊分析控制樣品，經過校正定值后，將這兩塊樣品分別送到沈陽鑄造研究所和中國科學院金屬研究所進行了比對分析，結果證明定值是準確的。

4 冶煉工藝

采用EAF電弧爐+AOD精煉爐雙聯熔煉，即用電弧爐熔化鋼水并將成分調整到規范要求，然后用AOD精煉爐精煉，其原理主要在冶煉過程中氧氣、氬氣、氮氣通過埋在爐體側面的噴槍，按不同的比例吹入溶池中，其核心是改變了脫碳的熱力學和動力學，最大限度地降低鋼中的氣體和夾雜物含量，同時還可以去除鋼水中的有害元素，如Pb、Bi、Zn 等，提高鋼水質量，最終確保材料的綜合力學性能及材料的抗腐蝕能力。

依據該鋼的化學成分規格，按舍菲利而圖表法及ASTM/800—1標準計算方法，經過對比得出該鋼的鐵素體含量僅有1%～3%，屬于奧氏體不銹鋼，采取雙聯法和雙渣法的冶煉工藝，利用AOD爐吹氮的條件提高氮元素含量。為確保鋼液的去S效果，我們采取鋼液在還原期充分脫氧、增加渣的堿度、提高鋼液的溫度、加強鋼液與渣的攪拌及雙渣法等措施來解決高合金鋼脫S難的問題。

冶煉此鋼必須選用優質低S、P的碳素廢鋼，造渣所用的CaO必須選用含S較低的優質冶金石灰。調整成分所用的鐵合金必須經嚴格烘烤，熔化期禁止吹氧助熔，減少鐵合金的損失，扒除氧化渣，造新的堿性渣，降低鋼液中S含量。當鋼液溫度>1 600℃，各元素達工藝要求即可出鋼兌入AOD爐精煉。AOD爐的鋼液中C<0.015%以下，通過提高鋼液的溫度及AOD爐混吹條件提高脫硫效率。采用雙渣法去硫，采用Al/FeSi還原法進行還原操作，取樣分析，成分微調，化學成分達到控制規格。出鋼前10 min內充氮，溫度符合工藝要求即可出鋼澆注。實際生產的鑄件成品化學成分見表2。

表2 實際生產的鑄件成品化學成分(質量分數，%)Table 2 The product analysis of actual castings(mass fraction, %)

圖4 圖5 圖6

5 熱處理

采用煤氣熱處理爐進行固溶化熱處理，將鑄件均勻地加熱至1 170～1 200℃保溫6 h后進行水淬，其目的是為了將材料存在的有害相，σ相、х相、拉維斯相及碳(氮)化合物等充分固溶到奧氏體組織中。導流殼熱處理過程見圖4、圖5、圖6。

6 試驗結果

(1)流道表面和外表面粗糙度完全滿足設計要求。

(2)葉片之間的相對位置及尺寸符合設計要求。

(3)鑄件內在質量良好，材料的力學性能符合ASTM標準要求。

(4)抗晶間腐蝕、點腐蝕能力經檢驗，全部達到標準要求。

7 結論

(1)采用呋喃樹脂砂造型、制芯，過流部位采用組芯合箱的方法，借助樣板提高組芯的準確性，可獲得高精度的流道尺寸，滿足產品質量要求的導葉體鑄件。

(2)超低碳奧氏體不銹鋼采用EAF電弧爐+AOD精煉爐雙聯熔煉，合理的鑄造及熱處理工藝，并嚴格各工序過程質量控制能解決超低碳奧氏體不銹鋼體收縮大，易產生縮孔、縮松、熱裂和熱粘砂等方面存在的質量問題，鑄件內在質量良好。

(3)冶煉工藝采取雙聯法和雙渣法等措施解決了高合金鋼脫S難的關鍵技術問題。