大型高铬铸铁叶轮铸造成形研究
N o . 4July 2009#大型铸锻件∃
HEAVY CA ST I NG AND FORG I NG
大型高铬铸铁叶轮铸造成形研究
郭代营 梁向方 尹怡民 范建伟 张建宝
(1. 石家庄强大渣浆泵有限责任公司, 河北050035;
2. 中国第二重型机械集团公司铸造厂有限责任公司, 四川618013)
摘要:研究设计了目前国内最大高铬铸铁叶轮的铸造成形工艺, 并运用铸造C A E 进行了数值模拟验证。按此工艺铸造出无裂纹、表面光洁、硬度达标、质量合格的叶轮, 并成功应用于 新海狮 挖泥船。
关键词:挖泥船; 叶轮; 铸造; 高铬铸铁中图分类号:TG 242 文献标识码:B
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S t udy on the Foundry Process o f the
Large scale H i gh Chro m i u m Cast Iron I mpell er
Guo D aiyi n g , L iang X iangfang , Y in Y i m in , Fan Jian w e, i Zhang Jianbao
Abstract :The f oundry process o f the l argest h i gh Chrom i u m cast iron i m pe ller i n ho m e l and w as desi gned , wh i ch has been proved by m eans o f the f oundry CA E nu m er i ca l s i m u l ation . T he produced i m pellers m eets the qua lity de m ands , such as no crack , surface s m oothness and h i gh hardness , and i t has been successf u ll y used i n the dredge , N ew Sea lion .
K ey word s :dredge ; i m pe ll er ; nu m erical s i m u l a tion ; hi gh chrom iu m cast iron
新海狮 挖泥船的挖泥泵叶轮直径达2520mm 。由于铸件大, 壁厚悬殊, 又是高铬铸铁材质, 易发生开裂, 因此成形难度极大。本文通过优化
材质成分、科学设计铸造工艺、提高叶轮内在质量, 有效控制了叶轮开裂, 铸造出合格铸件。1 材料成分选择
大型高铬铸铁叶轮结构特殊, 且材质脆性大, 铸造成形难度极大。因此, 确定材料成分时必须遵循在铸件使用性能和铸造成形工艺性能间取得最佳平衡点的原则。
C 、Cr 元素在高铬铸铁成分选择中最为关键。一是这两种元素决定了高铬铸铁中碳化物的数量和类型, 从而决定了材质的抗磨性能; 二是这两种元素的含量比例(铬碳比) 与材质的淬透性和冲击韧性密切相关。考虑到用户对该叶轮的硬度要求和最大限度的控制叶轮开裂倾向, C 选择为2. 4%~3. 0%, Cr 选择为24%~29%。
S i 是促石墨化元素, 同时还降低高铬铸铁的淬透性, 在白口铸铁中应严格控制其含量。但是, S i 有脱氧作用, 还能改善碳化物的形态。根据S i
收稿日期:2009! 04! 10
作者简介:郭代营(1974! ), 男, 铸造工程师, 主要从事抗磨白口
铸铁铸件研究工作。
梁向方(1974! ), 男, 工程硕士, 主要从事铸造工艺、数值模拟研究。
的作用特点和生产实际情况, 将其按不高于1. 0%控制。
M n 能扩大奥氏体相区, 是稳定奥氏体元素;
但是M n 剧烈降低M s 点温度, 会使高铬铸铁淬火后存在较多的残余奥氏体, 不利于抗磨性。根据M n 的作用特点和生产实际情况, 将其按0. 5%~1. 2%控制。
N i 不溶于碳化物, 全部进入基体, 提高淬透性。但是N i 也降低M s 点温度, 不利于抗磨性。综合考虑, 将N i 按0. 5%~1. 2%控制。
P 、S 在高铬铸铁中是有害元素, 尤其是形成夹杂对材质形成割裂, 对铸件的开裂倾向影响很大, 应严格控制。综合生产条件考虑, 控制P ∀0. 04%, S ∀0. 04%。
综上所述, 按表1所示控制叶轮铸件的化学成分。
表1 叶轮铸件的控制成分(质量分数, %) T ab le 1 T he control ch e m ical co mposition of i m pe ller casti n gs(m ass fraction , %)
C
S i
M n
P
S
C r
N i
2. 4~3. ∀1. 00. 5~1. ∀0. 04∀0. 0424~290. 5~1. 2 铸造工艺设计
叶轮铸件的三维实体造型示意图如图1所示。
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2. 1 铸造工艺设计
采用树脂砂造型。考虑到叶轮轮毂部位比较厚大, 为有利补缩, 采用轮毂朝上的浇注位置, 在轮毂和盖板部位设置冒口。浇注系统采用陶瓷管和漏斗砖, 上下两层浇注。叶轮铸造工艺简略如图2所示。
2. 1. 1 浇注系统设计
图1 叶轮三维实体造型示意图F igure 1 The three d i m ensiona l so li d
modeli ng sketch o f i m pe ller
采用漏包浇注。根据浇注重量, 包孔直径确定为70mm, 选择F 包孔%F 直%F 横%F 内=1%1. 8%1. 8%2, 则F 包孔=3846mm , F 直=F 横=6923mm , F 内=7692mm 。
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图2 叶轮铸造工艺简图
F i gure 2 T he foundry process sketch o f i m pe ller
2. 1. 2 冒口设计
采用顺序凝固原则, 在叶片和盖板交接的附近以及轮毂的顶部设置冒口。按照比例法确定盖
板上设置 260mm 保温冒口4个, 高度400mm; 轮毂顶部设置腰圆形冒口两个, 腰圆冒口根部面积占轮毂端面面积的1/2, 高度400mm 。3 铸造CAE 数值模拟验证
按照设计好的铸造工艺参数进行三维实体造型, 并将工艺的三维实体输入铸造CAE 系统进行数值计算模拟。叶轮铸造C AE 计算参数见表2。
计算过程略, 最终缩孔缩松显示如图3所示。
从图3中可见, 缩孔可能存在的部位主要分布在厚大轮毂的中心、叶片和盖板交接的中心, 但从比例大小来看并不影响实际铸件质量, 可以认为工艺方案是可行的。4 叶轮铸造生产4. 1 造型
计
算过程热物理参数剖分参数
表2 叶轮铸造CAE 计算参数Tab le 2 The calcu lati on para m eters
for i mpe ller foundry CAE
剖分网格大小/mm 剖分网格数线接触网格数剖分是否有效铸件
密度/(g /cm 3)
导热系数/(cal/cm. s . &) 热容/(cal/g. &) 初始温度/&
密度/(g /cm 3)
导热系数/(cal/cm. s . &) 热容/(cal/g. &) 初始温度/&
密度/(g /cm 3)
导热系数/(cal/cm. s . &) 热容/(cal/g. &) 初始温度/&
1552265715有效7. 450. 040. 16814001. 550. 0020. 26300. 00120. 0000060. 2430
铸型
空气
素, 如调节树脂加入量1. 8%~2. 2%, 固化剂加入量0. 6%~1. 0%, 使得强度适中; 叶片芯中适当增加草绳的数量以增加砂芯的退让性等。
(下转第26页)
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HEAVY CA ST I NG AND FORG I NG
下列事实证明两件过烧曲轴开裂源于材料内
部缺陷:
(1) 2#曲轴由于过烧而断裂, 但断口附近外表层基本完好;
(2) 1#曲轴拐柄上有自内部爆发的开花状突破口;
(3) 材料内部有粗大的原奥氏体晶粒, 晶界上
图7 1#轴粗大上贝氏体组织 200∋
F i gure 7 Coarseni ng uppe r bainite struc t ure of t he 1#shaft 200
∋
分布有大量低熔点硫化物和高熔点氮化物夹杂。
根据以上分析可以认为, 在曲轴镦锻加热之前, 材料内部已经存在稳定过热。稳定过热不仅使曲轴加热部位晶间结合脆弱, 而且使材料发生过烧的敏感性大大增加。造成材料内部稳定过热的原因主要是原材料某次热加工加热过程不当。同时, 原材料轧制(或锻造) 时压实也不够, 因而疏松较为严重。原材料中普遍存在的氮化物等非常规夹杂物也加剧了脆断危害。4 结论
(1) 热裂和冷裂曲轴均为沿晶脆性断裂。(2) 两件加热报废的曲轴有过烧现象, 材料表现在高低倍方面的缺陷(晶界夹杂物和严重的疏松) 促使过烧敏感。
(3) 材料本身业已存在的稳定过热是造成曲轴断裂的主要原因。
参考文献
[1] 铸锻件缺陷分析图谱. 北京:机械工业出版社, 1990.
图8 2#轴原奥氏体三叉晶界及柱状贝氏体 100∋
F i gure 8 T he for m er l y austen ite tr i dent g rai n boundary
and co l u m n ba i n ite o f t he 2#shaft 100∋
面向内部扩展。即使由于过烧严重使工件表面发生熔化, 表层部分金属变为液态, 也要有个由外到里逐步深入的过程, 不会一下子整个断裂。之所以能造成工件加热时突发性断裂, 表明工件内部存在固有的热脆缺陷, 已经存在稳定过热机制。
责任编辑 邓 玉
(上接第23页
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打箱时间7天。打箱时间过长会造成铸件在型内退火, 铸态硬度达不到使用要求, 而必须增加硬化热处理。打箱后进行清理。
目前共生产了4件叶轮, 所有叶轮尺寸精确、外观良好、内在质量达标, 铸态硬度52~54HRC , 能够满足用户的使用要求, 避免了因硬化处理造成的开裂风险。5 结论
大型高铬铸铁叶轮铸造成形开裂倾向非常
图3 叶轮铸造模拟计算结果
F i gure 3 I m pe ll er casti ng ana l og co m puta ti on resu lt
大, 是渣浆泵行业的难题。通过调节影响材质硬度、抗磨性和开裂倾向的元素成分比例, 设计合理
的铸造工艺, 辅以计算机模拟验证, 成功生产出抗磨性符合用户要求, 外观、内在质量合格的铸件, 有效解决了这个难题。
责任编辑 龙礼建
4. 2 熔炼和浇注
按照公司标准严格控制进炉原材料, 不使用
回炉料; 控制浇注温度在测定的液相线+(60~80) &; 3m in 将铸件浇满。4. 3 打箱控制