大型球墨铸铁整体铸造真空泵叶轮的铸造工艺.pdf

垂铸FOUNDR造Y Aug．2016V01．65 No．8大型球墨铸铁整体铸造真空泵叶轮的铸造工艺陈爽u，王中亚，，廖兴银1，唐杰1(1．贵州航天新力铸锻有限责任公司，贵州遵义563003；2．遵义拓特铸锻有限公司，贵州遵义563003)摘要：介绍了大型球墨铸铁(QT450．10)真空泵叶轮整体铸造采取的措施及生产工艺，包括铸件的化学成分，球化孕育工艺、浇注位置、浇注系统、冒口等关键技术。经检验，铸件的化学成分、金相组织和力学性能等均满足要求，成功地生产了球墨铸铁整体铸造真空泵叶轮。关键词：真空泵叶轮；整体铸造；球墨铸铁中图分类号：TG255 文献标识码：B 文章编号：1001—4977(2016)08—0734—03Casting Process for Large Ductile I ron Casting VacuumPump Impeller by Unit CastCHEN Shuangu，WANG Zhong-yal，LIAO Xing-yinl，TANG Jielf1．Guizhou Aerospace Xinli Casting&Forging Co．，Ltd．，Zunyi 563003，Guizhou，China；2．Zunyi TOT Casting&Forging Co．，Ltd．，Zunyi 563003，Guizhou，China)Abstract：The unit casting process of the large ductile iron QT450—1 0 vacuum pump impeller casting wasintroduced．Including chemical compositions，nodulafization and inoculation process，pouring position,pouringsystem,riser．Alter testing the chemical compositions，metallographic structure and mechanical properties ofthe castings were all satisfied with the requirements．The large ductile iron QT450·1 0 vacuum pump impellercasting was produced successfully．Key words：vacuum pump impeller；unit cast；ductile iron真空泵叶轮铸件作为真空泵总成中的唯一运动部件，是真空泵的关键零件，要求具有精确的形位尺寸和优良的耐蚀、耐压、抗磨和平衡等性能。其质量直接关系到真空泵运行的安全、可靠，影响介质的顺利传输，从而影响整个系统的工作和安全。大型不锈钢真空泵重点用于火电、核电，可以扩展到煤炭、矿山、造纸等接触强腐蚀介质的领域。长期以来，我国使用的大型不锈钢真空泵(505型号以上的真空泵)绝大部分都从国外进口，这增加了我国相关行业的成本，造成我国企业在国内和国际市场上的竞争处于劣势。此外，国内外真空泵材质一般为普通碳素钢和奥氏体不锈钢，叶轮普遍采用分段铸造或卷板制造后焊接组装而成，制造方式因工序多、周期长、效率低，同时叶轮的叶片变形大、流线差、一致性不好、平衡性能差，且难以规模化、模块化生产；同时受材质的焊接性能局限很大，造成叶轮的耐蚀、抗磨等使用性能差，寿命短，应用领域狭窄。给终端用户造成维修频率高、使用寿命短、功效低等问题。国内外都在寻求一种先进制造技术替代现有的生产方式。我公司以生产不锈钢泵、阀类铸件为主，产品主要用于石油化工等高腐蚀行业。为满足不同用户的要求，依托公司发明的专利技术(真空泵叶轮整体铸造工艺)，将球墨铸铁真空泵叶轮整体铸造开发列为公司重点项目，以GB／T1348—2009中QT450一10材料的铸造为突破口，于2014年3月开始试制，目前已取得阶段性成果。1 叶轮整体铸造的优势和制造难点球墨铸铁真空泵叶轮整体铸造工艺相对于普遍采用的分段铸造后组装的工艺优势明显。虽然我公司从2005年开始对真空泵叶轮整体铸造工艺技术进行过系统研究，并于2007年获得发明专利授权，但对整体铸造球墨铸铁大型真空泵630型叶轮铸件的工艺难度进行系统分析后，认为该产品具有重量重(2 t)，外形尺寸大(直径1．4 m，高度2．8 m)，叶片数量多，需要做动平衡试验等特点，特别是铸铁件由于焊接性能差，铸造缺陷无法焊补只能报废等因素，对铸造工艺的要求比不锈钢等材料更高，因此需要对冷铁、冒口、涂料、浇注方法等进行进一步研究，以防止产生缩松、粘砂等缺陷。收稿日期：2016--05--03收到初稿，2016--05—19收到修订稿。作者简介：陈爽(1983一)，男，工程师，主要研究方向为金属冶炼、铸造。E-mail：zychen021@126．corn万方数据铸造 陈爽等：大型球墨铸铁整体铸造真空泵叶轮的铸造工艺 ·735·2制造关键技术分析针对整体铸造大型真空泵球墨铸铁叶轮铸件材料和结构的特殊性，在原有不锈钢真空泵叶轮整体铸造工艺技术的基础上进行改进和提高，设计出适合球墨铸铁叶轮整体铸造的工艺方法。铸造工艺流程为：模具设计制作．造型．合箱．中频炉熔炼一出铁．球化孕育一浇注一开箱、落砂一清理一去除浇冒口．检验。2．1铁液熔炼及成分控制考虑到该真空泵叶轮铸件为运动件，熔炼技术应不同于一般产品，因此采用中频感应电炉熔炼铁液进行球化的工艺方法，利用低P、s的优质新疆生铁和优质合金材料(硅铁、稀土硅镁球化剂等)作为主要原材料，严格控制铁液的化学成分。根据CE％=C％+l／3(Si+P)％【”，控制CE为4．2％～4．5％，设计化学成分见表1，从而获得铸态即可满足性能要求的球墨铸铁件。为防止充型压力不足和渣子进入型腔造成浇不足和夹渣缺陷，采用塞杆式底注包进行球化浇注。首先在经过预烘烤的钢包中先竖立放置厚度为3～5 lllnl的硅钢片与钢包壁围成球化反应室，放入1．4％～1．7％球化剂，0．3％孕育剂，覆盖剂量根据球化反应室面积进行适量增减使覆盖层厚度在5～10 nlI／1范围内，舂紧，上面再覆盖随形3～5 mm的硅钢片；球化反应室应距离出铁时直接冲刷部位大于100 mm，以免铁液直接冲刷烧损过大造成球化不良。为保证球化效果，球化出铁温度应≥1 470℃，待球化反应结束后直接在出铁槽上冲入0．7％硅铁孕育剂进行二次孕育12]，球化孕育后取三角试样敲断，检查球化孕育情况，然后直接进行浇注，球化孕育后的铁液，通过控制陶塞杆行程实现浇注的流速控制，此时渣子完全浮于底注包铁液上表面，可避免渣子进入型腔，控制的化学成分见表2。2．2铸造工艺根据真空泵叶轮零件图，为保证流道的清砂顺畅，采用华铸CAE／InteCAST模拟铸造工艺过程。为节省模具制造成本，将铜合金改为高强度铸造铝合金，选用VB．825型数控机床编程加工，其精加工后尺寸精度可达0．003“--0．005 mill。为保证流道精度和一致性，用树脂砂和铬矿砂复制成上、中、下铸型和几个砂芯，将砂芯组合后置于铸型内，再将上铸型合于中下铸型上，构成整个铸型。铸型和砂芯组成的空间成为金属填充真空泵叶轮铸件的型腔(图1)【3】。表1 QT450—10设计化学成分Table 1 The designed chemical compositions of QT450-10 steel蜥肌庐80 mm直浇道瓷管图1 tlr轮铸造I：艺简图Fig．1 Process schematic ofpump body c鹊tmg为避免内腔在高温下不被粘砂、烧结，根据内腔的形状，严格采用铬矿砂制备砂芯表面，再填人树脂砂，脱模后即与预制的铬矿砂芯自然地组合成整体砂芯。严格地控制金属液浇注后的凝固顺序，在上箱轮毂处共设置2个直径为轮毂壁厚尺寸1．5～2．5倍的腰形冒口，使金属液能自上而下地朝着冒口方向有序地凝固，同时在盖箱面设置冷铁4块，使上部轮毂部位部分优先凝固以抵抗球墨铸铁石墨化膨胀造成内部缩松。从而达到铸件在凝固结晶过程中既能获得金属液的补缩，将铸件内的缩孑L和缩松都最后被引入冒口内，同万方数据FOUNDRYAug．2016V01．65 No．8时盖箱面存在压力抵抗球墨铸铁本身的膨胀，从而保证铸件内部致密和尺寸精度。待铸件冷却至12 h后方可开箱清理铸件，除去浇注系统和冒口后，即获得致密而完整的叶轮铸件。为保证充型能力并减小底部压力，采用分型面浇注的开放式浇注系统替代返雨淋式浇注系统，分型面横浇道与直径为中80 toni的陶瓷材料制成的直浇道连通分布圆周的3／4，内浇道的总截面积为直浇道的1．2～1．5倍，浇注的金属液经直浇道进入横浇道，再经内浇道进入型腔进行浇注，从而均匀地分散金属液的热量，减少对砂芯的热影响和浮力。在下箱面设置具有激冷作用的碳钢材料制成的外冷铁强化叶轮铸件有序凝固的方向，安放间距为10～15 rain。在外冷铁的激冷作用下，下箱的金属液早于其他部位的金属液先冷却。当下箱面凝固时，其所需补缩的金属液会得到上部未凝固的金属液不断地补充，使叶轮铸件能自下而上地顺序凝固，从而达到冒口晚于铸件凝固的目的。下箱面底端设置有高梯形的内浇道，它避开外冷铁的激冷处而紧贴于铸件底面，不仅能有效地分散热量，而且将激冷处的热影响降低到最低限度，从而达到金属液浇注平稳，无飞溅、氧化，避免冲刷铸型的目的。浇注温度控制在1 380“--“1 410℃，充分保证叶轮轮毂内部无粘砂和叶片成形，铸件浇注完毕待冒口凝固后立即去除载荷，在砂箱内冷却至12 h后开箱落砂，采用气割、碳刨等方式去除浇冒口后即获得致密而完整的叶轮铸件，见图2。3产品检验铸件化学成分、力学性能、表面质量、球化等级等经我公司检测中心试验，完全满足设计要求。经总装厂液体渗透检验和机械加工后装配，尺寸、动平衡试验均满足使用要求。真空泵产品装配后见图3。真空泵叶轮铸件的化学成分和力学性能见表3、表4。图2真空泵叶轮铸件Fig．2 Vacuum pumpimpeller casting图3真空泵Fig．3 Vacuum pump从同炉单铸试块取样进行金相分析，石墨球化等级根据GB／T9441判定为2级，基体组织为铁素体+少量珠光体(珠5)，如图4所示，完全满足GB／T1348—2009和客户要求。表3铸件的化学成分Table 3 The chemical compositions of casting，咐％炉次 c si Mn S P Mg RE14 3．25 2．56 0．15 0．012 0．020 0．035 0．03324 3．36 2．48 0．1 3 0013 O 022 0 025 0026表4铸件的力学性能Table 4 The mechanical properties of casting●●●’●■．‘· 。●●’◆．●●· 一C■l图4叶轮铸件的基体组织Fig．4 The matrix structure of impeller4结束语采用中频炉熔炼，改变球化、孕育和浇注方式，减少了球化后转包浇注和挡渣等工序，减少铁液降温、减轻了工人劳动强度。采用塞杆式底注包直接球化孕育代替球化转包孕育的方法，球化等级可达到3级以上。渣子自然浮于底注包上方，防止铸件产生夹渣缺陷。但球化剂消耗量过高，需进一步研究如何降低球化剂消耗量。将以往的封闭式底返雨淋浇注系统更改为从分型面浇注的开放式浇注系统，提高了铸件的成形能力。试制的真空泵球墨铸铁叶轮铸件的组织、性能达至UGB／T 1 348--2009和客户要求。参考文献：[1] 中国机械工程学会铸造专业学会．铸造手册第1卷：铸铁[M]．北京：机械工业出版社，1997．【2】王春祺．铸铁孕育理论与实践[M】．天津：天津大学出版社，1991．[3】高忠林，孙正建，蓝希德，等．真空泵叶轮整体铸造工艺：中国，ZL2005 1 0003324．1[P】．2007．07．18．(编辑：刘冬梅，ldm@foundryworld．com)万方数据