一种超级双相不锈钢5A材质叶轮的铸造方法与流程

本发明属于铸造技术应用领域，特别涉及一种超级双相不锈钢5a材质叶轮的铸造方法。

背景技术：

叶轮作为泵的关键零部件，直接关系到泵的工作效率，其空间曲面复杂，尺寸和叶形精度要求高，需要进行双面动、静平衡检测；同时，叶轮作为泵的动力部件，还承受着流体腐蚀、冲刷腐蚀以及空泡腐蚀等，要求材料具有一定的耐蚀性，组织致密，不得有铸造缺陷。

astma8905a材质作为第三代双相不锈钢，其成分范围为c≤0.030%，si≤1.0%，mn≤1.5%，p≤0.040%，s≤0.040%，cr：24.0～26.0%，ni：6.0～8.0%，mo：4.0～5.0%，n：0.10-0.30%。与普通双相不锈钢相比，其显著特点是超低碳、高铬、高镍、高钼，高氮，pren≥40，具有更好的耐蚀性，广泛应用到船舶、海水淡化、石油化工、造纸以及其它耐蚀苛刻领域。但是由于其在铸造过程中极易析出脆性相（η、χ和σ相），导致铸造性能极差，铸件在铸造过程中易产生裂纹缺陷。加之，叶轮结构复杂、厚薄不均，铸造热节多，补缩困难，叶轮铸件易出现缩孔、缩松缺陷，更是加剧了裂纹缺陷产生的倾向，导致叶轮铸件报废率高达70%以上，铸造难度极大。

目前，astma8905a材质熔炼时普遍采用：中频感应炉熔炼工艺、中频感应炉+aod双联熔炼工艺以及中频感应电炉+vod双联熔炼工艺，均能够熔炼出符合标准成分的钢液，但是由于控制目标不一样，成分控制范围存在一定的差异。

叶轮铸造一般采用水玻璃砂、呋喃树脂砂或者酚醛树脂砂；采用底翻式浇注系统，直浇道从顶部一直通到叶轮底部密封环部位，横浇道分叉，内浇道分多道进入叶轮密封环部位；在密封环部位设计补贴与前盖板相连并在出水口部位设计冒口进行补缩，或者在密封环部位设计冷铁激冷，实现密封环部位的组织致密；在后盖板设计冒口或者补贴与轮毂部位相连，轮毂部位设计冒口。工艺设计见图1所示。工艺的优点是金属液充型平稳，不易产生飞溅，有利于型腔中气体的上排。缺点是金属液充型完毕后底部金属液温度较高，不利于补缩；浇注系统耗费金属液多，工艺出品率低；浇注系统集渣聚气效果较差，铸件易出现砂渣孔和气孔缺陷；浇注温度偏低时极易形成冷隔缺陷。

技术实现要素：

为解决上述技术问题，本发明提供一种超级双相不锈钢5a材质叶轮的铸造方法，不仅能够减少超级双相不锈钢5a材质叶轮铸件的铸造缺陷，降低报废率，而且能够提高叶轮铸件的出品率和成品率，降低生产成本。

为实现上述技术目的，所采用的技术方案是：一种超级双相不锈钢5a材质叶轮的铸造方法，包括以下步骤，

步骤一、铸型和砂芯

铸型和砂芯由原砂中加入碱性酚醛树脂制成，按重量百分比，铸型原砂中碱性酚醛树脂加入量为1.1-2.2%，砂芯原砂中碱性酚醛树脂加入量为1.1-2.2%，固化剂加入量占碱性酚醛树脂的22-28%，铸型制成具有安置砂芯的叶轮型腔，并使叶轮型腔的叶轮轮毂部位向上设置；

步骤二、铸造和浇注

在叶轮轮毂顶端部位放置直接浇注冒口，冒口内放置泡沫陶瓷过滤器，在浇注时浇包将超级双相不锈钢金属液通过浇注系统注入到叶轮轮毂顶端的直接浇注冒口内，金属液经过直接浇注冒口内放置的泡沫陶瓷过滤器的过滤，纯净的超级双相不锈钢金属液便进入轮毂部位，随后金属液通过轮毂向叶轮的其它部位均匀充型，当叶轮的整个型腔充满后，泡沫陶瓷过滤器受到的金属液浮力大于浇注冲击产生的下压力，泡沫陶瓷过滤器上浮，打开直接浇注冒口的补缩通道，随后直接浇注冒口内的金属液对叶轮进行补缩，得到叶轮铸件；

步骤三、落砂与热装炉热处理

叶轮铸件在铸型内冷至1000℃时，开箱落砂，快速切除浇注系统，将取出的叶轮铸件装入炉温在1000℃的热处理炉中，保温30分钟后，以80-150℃/h升温至1130-1160℃，保温3-3.5h，炉冷至1045-1080℃，出炉水冷，采用循环水冷却，水温温度≤80℃，得到叶轮成品。

本发明所述的超级双相不锈钢金属液是由依次采用中频感应炉初步熔炼工艺和aod双联精炼工艺制成。

本发明在出钢前或者在浇包内，加入适量的稀土合金。

本发明所述的浇注采用低温快浇工艺，浇注温度控制在1530-1580℃。

本发明所述的稀土合金为镧铈。

本发明铸型和砂芯在铸造时要进行烘烤处理，烘烤温度不低于120℃；铸型合箱后，铸型内吹入热风，热风温度不低于120℃；热箱浇注前保证型腔温度不低于120℃。

本发明在制作铸型和砂芯时，在阻碍铸件收缩的部位放置锯末。

本发明铸型和砂芯的外壁采用醇基或水基镐英粉涂料进行的涂刷，保证涂层厚度满足0.2-0.6mm；

本发明在叶轮型腔的密封环部位设计随形明冷铁进行激冷，在其它热节部位以及补缩不到的部位设计铬铁矿砂进行激冷。

本发明所述的超级双相不锈钢的组成为c≤0.025%，si：0.30～0.8%，mn：0.50～1.0%，p≤0.035%，s≤0.025%，cr：24.0～25.0%，ni：7.0～8.0%，mo：4.3～4.8%，n：0.15～0.25%，，pren值：%cr＋3.3%mo＋16%n≥40。

本发明有益效果是：

采用一种超级双相不锈钢5a材质叶轮的铸造方法，可以避开脆性相（η、χ和σ相）析出的温度区间，避免了叶轮铸件组织析出脆性相，从根本上解决叶轮铸件的裂纹缺陷，也能保证铸件组织致密，铸件成品率可以提高到96%以上，同时伴随着工艺出品率的提高以及热装炉工艺的实施，铸造生产成本大幅降低。

附图说明

图1为现有技术叶轮工艺简图；

图2为本发明的叶轮工艺简图；

图3为本发明实施例的100×下的金相组织示意图；

图中：1、浇注系统，2、暗冒口，3、补贴，4、明冒口，5、叶轮铸件，6、直接浇注冒口，7、冷铁，8、泡沫陶瓷过滤器

具体实施方式

一种超级双相不锈钢5a材质叶轮的铸造方法，包括内控成分设计，铸造工艺，铸型和砂芯制作工艺，熔炼、浇注工艺以及落砂热装炉热处理工艺。

（1）内控成分设计：为了提高超级双相不锈钢铸件的耐蚀性，控制铁素体相和奥氏体相含量各占约一半（铁素体含量40-60%），需要对铁素体和奥氏体形成元素的含量进行控制和设计，设计的内控成分范围为：c≤0.025%，si：0.30～0.8%，mn：0.50～1.0%，p≤0.035%，s≤0.025%，cr：24.0～25.0%，ni：7.0～8.0%，mo：4.3～4.8%，n：0.15～0.25%，pren值：%cr＋3.3%mo＋16%n≥40。

（2）铸型和砂芯制作工艺：铸型和砂芯造型材料采用碱性酚醛树脂砂，铸型和砂芯由原砂中加入碱性酚醛树脂制成，由于碱性酚醛树脂砂的发气量大，加之浇注的金属液又是超低碳高合金不锈钢，极易产生侵入性气孔缺陷，所以必须严格控制碱性酚醛树脂砂的发气量，减少铸件产生侵入性气孔的倾向。一是通过控制型砂/芯砂配比来降低碱性酚醛树脂砂的发气量，按重量百分比铸型原砂中碱性酚醛树脂加入量为1.1-2.2%，砂芯原砂中碱性酚醛树脂加入量为1.1-2.2%，固化剂加入量占碱性酚醛树脂的22-28%；二是铸型和砂芯要进行烘烤处理，烘烤温度不低于120℃；三是合箱后，铸型内吹入热风，热风温度不低于120℃，保证型腔干燥；四是热箱浇注，浇注前保证型腔温度不低于120℃。在制作铸型和砂芯时，在阻碍铸件收缩的部位放置锯末以提高铸型和砂芯的退让性，减少铸件收缩阻碍，避免应力过大产生裂纹缺陷。采用醇基或水基镐英粉涂料进行铸型和砂芯的涂刷，保证涂层厚度满足0.2-0.6mm。

（3）铸造工艺：在叶轮轮毂顶端部位放置直接浇注冒口，直接浇注冒口内放置锆质泡沫陶瓷过滤器，在浇注时浇包将金属液注入到叶轮轮毂顶端的直接浇注冒口内，金属液经过直接浇注冒口内放置的锆质泡沫陶瓷过滤器的过滤，纯净的金属液便进入轮毂部位，随后金属液通过轮毂向叶轮的其它部位均匀充型。当叶轮的整个型腔充满后，锆质泡沫陶瓷过滤器受到的金属液浮力大于浇注冲击产生的下压力，锆质泡沫陶瓷过滤器上浮，打开直接浇注冒口的补缩通道，随后直接浇注冒口内的金属液对叶轮进行补缩，保证组织致密。在叶轮的密封环部位设计随形明冷铁进行激冷，在其它热节部位以及补缩不到的部位设计铬铁矿砂进行激冷。工艺设计见图2所示。工艺设计时充分考虑锆质泡沫陶瓷过滤器的过滤净化功能，高效地滤除金属液中的非金属夹杂、夹砂、氧化物以及气泡等，同时减少金属液充型过程中的紊流，使金属液流动平稳，减少金属液的二次氧化。铸件浇注完毕后形成顺序凝固温度梯度，叶轮铸件顶部温度最高，底部温度最低，有利于冒口对铸件的液态补缩，实现叶轮铸件的组织致密。

（4）熔炼、浇注工艺：采用中频感应炉+aod双联熔炼工艺，中频感应炉提供初步熔炼的钢水，然后在aod炉内进行精炼以及实现氮气的合金化，满足内控成分要求。在出钢前或者在浇包内，加入适量的稀土合金（镧铈）（加入量0.3-1.0kg/t钢水），可以改善凝固组织，减轻偏析、细化晶粒、变质钢中夹杂物以及抑制脆性相的析出，提高叶轮铸件的耐蚀性。同时采用硅钙合金脱氧，避免用铝脱氧时产生氮化铝夹杂，影响材料的性能。浇注采用低温快浇工艺，浇注温度控制在1530-1580℃。

（5）落砂热装炉热处理工艺：铸件在铸型内冷至1000℃时，开箱落砂，快速切除浇注系统，装入炉温在1000℃的热处理炉中，保温30分钟后，以80-150℃/h（为了避免升温速度较快导致铸件产生较大的应力产生裂纹缺陷，必须控制升温速度）升温至1130-1160℃，保温3-3.5h，炉冷至1045-1080℃，出炉水冷，采用循环水冷却，水温温度≤80℃。

铸造叶轮20160208，材质astma8905a，直径φ820mm，高度320mm，前、后盖板厚度18mm，叶片厚度12mm，轮毂直径φ170mm，密封环部位厚度30mm，其铸造方法如下：

（1）铸造工艺：叶轮轮毂顶部放置直接浇注冒口，冒口内放置φ150锆质泡沫陶瓷过滤器；密封环部位放置随形明冷铁；叶片与前、后盖板形成的热节部位放置圆棒冷铁和铬铁矿砂；在其它补缩不到的部位放置冷铁和铬铁矿砂进行激冷。

（2）铸型和砂芯制作工艺：造型材料采用酚醛树脂砂，树脂加入量1.8%，固化剂加入量23%；铸型和砂芯做烘烤处理，烘烤温度130℃；合箱后，铸型内吹入热风，热风温度120℃；热箱浇注，浇注前型腔温度120℃；砂芯内部放置锯末提高砂芯的退让性；按照工艺要求放置冷铁及铬铁矿砂等；采用水基镐英粉涂料进行铸型和砂芯的涂刷，涂层厚度0.3-0.5mm。

（3）熔炼、浇注工艺：采用中频感应炉+aod双联熔炼工艺，中频感应炉提供初步熔炼的钢水，然后在aod炉内进行精炼和控氮，并采用硅钙合金脱氧，添加适量镧铈稀土合金，浇注温度1550-1580℃。成分见表1。

表1叶轮铸件成分（%）

（4）落砂热装炉热处理工艺：将上述铸件在铸型内冷至1000℃时，开箱落砂，切除浇注系统，装入炉温在1000℃的热处理炉中，保温30分钟后，以120-150℃/h升温至1140-1160℃，保温3-3.5h，炉冷至1060-1080℃，然后循环水冷却，水温温度≤80℃。

采用超级双相不锈钢5a材质叶轮的铸造方法，生产的叶轮铸件组织致密，经过渗透检查满足asmeⅷ，div.1，app.7的要求；成分符合标准要求，pren值为41.293-43.779；通过金相组织检查，铁素体含量51.65-59.85%（见图3）；按照astmg48-3方法b在50℃、6%的fecl3溶液中进行72h缝隙腐蚀试验，点蚀深度0.854-1.01mm，缝隙腐蚀速率4.35-5.62g/m²·h，耐蚀性能优良。