大型不銹鋼鑄件粘砂及表面燒結(jié)機(jī)理研究與改進(jìn)

大型不銹鋼(葉片)鑄件材質(zhì)為ZG06Cr13Ni4Mo，屬于高鉻堿性高合金鋼種，由于鑄件輪廓尺寸大，幾何形狀復(fù)雜，其生產(chǎn)制造技術(shù)長(zhǎng)期為少數(shù)幾家大公司所壟斷，國(guó)內(nèi)才開始研制。其中鑄件表面出現(xiàn)“釉化，燒結(jié)層、界面型砂燒結(jié)和粘砂缺陷一直是困擾制造企業(yè)的難題之一，由此造成毛坯清理工作量增大，導(dǎo)致鑄件缺肉NDT缺陷，降低了鑄件的生產(chǎn)制造效率，增加了成本。

鉻鐵礦砂主要組成物為Fe0·CrzOs，其耐火度大于1900℃，熱導(dǎo)率比硅砂大好幾倍，在熔融金屬澆注的過程中本身發(fā)生固相燒結(jié)，有的抗鋼液滲透能力，用它做面砂，可以獲得較好的表面質(zhì)量。同時(shí)，錯(cuò)英粉涂料由于其良好的耐火度、化學(xué)惰性、導(dǎo)熱率及蓄熱系數(shù)，在各類厚大鑄鋼件上應(yīng)用很普遍。

目前鑄造廠家針對(duì)高合金鋼厚大鑄件提高表面質(zhì)量的方法，主要是面砂采用樹脂自硬鉻礦砂+錯(cuò)英粉涂料涂敷。但是，鉻鐵礦砂在防粘砂方面并不總是的，特別是在生產(chǎn)高鉻、高錳等高合金堿性鋼種鑄件時(shí)，鉻礦砂+錯(cuò)英粉涂料導(dǎo)致粘砂，國(guó)內(nèi)各企業(yè)也有所發(fā)現(xiàn)(例如武漢汽輪機(jī)廠、二重、大連重工、寧夏共享鑄鋼)，特別是使用酸自硬呋喃樹脂鉻礦砂(南非)+錯(cuò)英粉涂料，鑄件表面易出現(xiàn)“釉化’涂料層、界面型砂“釉化，燒結(jié)和粘砂等缺陷。

1缺陷的特征分析

葉片表面“釉化，粘砂有以下3種情況。

1.1表面出現(xiàn)的“釉化，涂料層或燒結(jié)層水輪機(jī)葉片打箱后將表面的砂子清理干凈，在鑄件表面出現(xiàn)一層灰白色的表面附著物，用肉眼觀察是涂料層。該附著物和鑄件表面粘結(jié)在一起，用風(fēng)鏟難以清理，拋丸亦難大部分附著物。局部剝離后測(cè)量厚度約1~2mm，表觀象陶瓷釉，殘片斷面用砂輪機(jī)打磨后可見金屬光澤。需要后續(xù)氣刨處理，造成了缺肉需要焊補(bǔ)，增加了后續(xù)的工作量，降低了工作效率。

1.2界面型砂燒結(jié)及粘砂

水輪機(jī)葉片靠近進(jìn)水邊厚大區(qū)域，表面除了上述的“釉化，燒結(jié)層外，界面型砂還出現(xiàn)了2050mm厚的燒結(jié)層，幾乎是使用鉻礦砂厚度的2/3，將這種燒結(jié)層用氣刨的方法從鑄件上完整剝離下來后，發(fā)現(xiàn)涂料層完好無損，厚度達(dá)1一2mm，無金屬滲漏的現(xiàn)象。

1.3粘砂

第三種情況和1.2的情況相似，但出現(xiàn)面積和頻次較少。其特征是靠近內(nèi)澆道區(qū)域面砂還出現(xiàn)了20一50mm厚的燒結(jié)層，把清理下來的粘砂殘片打磨拋光后，整個(gè)斷面出現(xiàn)金屬光澤，這種金屬光澤分布不均勻，有明顯的濃度階梯，僅在靠近界面處2mm外顏色有逐漸變灰的趨勢(shì)。從宏觀上看，這種“釉化，粘砂缺陷符合機(jī)械滲透性粘砂的特征，拋光后的“釉化粘砂燒結(jié)層。

不銹鋼易氧化、流動(dòng)性差，澆注溫度1570℃以上，澆注后瞬間界面的溫度上升到1500℃左右，在高溫作用下，鉻鐵礦砂發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，析出Fe0，其熔點(diǎn)為1370℃左右，以液相的形式向鋼淞砂型界面擴(kuò)散，部分穿過涂料后和鋼液接觸(由于錯(cuò)英粉涂料在Fe0作用下燒結(jié)溫度在1400~1600℃，燒結(jié)后涂料開裂，致密度、防滲透性下降)。

2針對(duì)缺陷的改進(jìn)措施及效果

(1)針對(duì)滲透性粘砂及界面“釉化”涂料層粘砂，根據(jù)其粘砂機(jī)理可知，只要提高型砂、涂料在Fe0作用下的耐火度及在高溫下的化學(xué)穩(wěn)定性，提高高溫高壓下的強(qiáng)度和致密度，就可以地阻止鋼液滲入砂?？障吨?；同時(shí)型砂、涂料化學(xué)穩(wěn)定性的提高減緩了熔渣對(duì)涂層及砂粒的潤(rùn)濕，地阻斷了鋼液的滲透作用，從而達(dá)到防止?jié)B透性機(jī)械粘砂的目的。

同時(shí)，在Fe0作用下的耐火度及在高溫下的化學(xué)穩(wěn)定性和致密度的提高，阻斷了相關(guān)界面發(fā)生氧俗還原型的化學(xué)粘砂的通道，可以解決界面的“釉化，粘砂及涂料層“釉化，燒結(jié)。表3是高溫下化學(xué)成分較穩(wěn)定、在Fe0作用下的耐火度較高、適用于大型鑄鋼件的新型涂料骨料的主要性能對(duì)比分析。

(2)針對(duì)樹脂碳化導(dǎo)致的化學(xué)“釉化’粘砂層，改用水玻璃剛玉砂作為面砂，根本上可以解決這種缺陷。但是由于改換粘結(jié)劑和型砂等原材料投資較大，需要考慮更換設(shè)備等原因，因此不太現(xiàn)實(shí)。由于樹脂碳化粘砂通常發(fā)生在熱容量較大的厚大部位及型芯被鋼液包圍的結(jié)構(gòu)部位，因此采用一些的措施防止樹脂在缺氧和高溫的條件下碳化，如增加型芯的透氣性措施(預(yù)埋出氣繩、預(yù)埋出氣循環(huán)管等)、設(shè)置型芯的強(qiáng)制冷卻措施(循環(huán)冷卻裝置)，各個(gè)廠家可以根據(jù)自己的實(shí)際情況選擇合理的措施，可以的減少或‘釉化，粘砂層。