维普资讯 http://www.cqvip.com 第３卷第１期 ２ ００ ８年２月 陕西工业职业技术学院学报 Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｓｈａｍａｘｉ Ｐｏｌｙｔｅｃｈｎｉｃ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ Ｖ０１．３ Ｎｏ．１ Ｆｅｂ．２ ０ ０ ８ 复杂不锈钢叶轮熔模一砂型复合铸造工艺的研究 杨兵兵 ，范志康２ （１．陕西工业职业技术学材料工程系，陕西咸阳７１２０００； ２．西安理工大学材料科学与工程学院，陕西西安７１００４８） 摘要：研究了复杂不锈钢叶轮熔模一砂型复合铸造工艺。借助设计的工装，利用熔模铸造涂制出复杂叶片部分的 硅酸乙酯一水玻璃复合型壳；利用砂型铸造得到简单轮毂轮辐及熔模型壳部分的砂型铸型；将熔模型壳与水玻璃砂 型组合后得到了该叶轮的熔模一砂型复合铸型；通过熔炼、浇注、切割、清理、热处理得到了ＺＧ１Ｃｒ１８Ｎｉ９Ｔｉ叶轮铸 件。结果表明：采用该复合工艺生产的叶轮铸件表面粗糙度达到Ｒａ３．２～Ｐａ１．６、尺寸精度达到ＣＴ４～ＣＴ５、力学性 能等都满足技术要求，且工艺稳定，生产成本低。 关键词：铸造叶轮；复合铸型；熔模铸造；砂型铸造 中图分类号：ＴＧ２４；Ｖ２６１．３＋１ 文献标识码：Ａ 文章编号：９４９２—２００８（１）一００１４—０４ Ｓｔｕｄｙ ｏｎ ｔｈｅ Ｃｏｍｐｏｕｎｄ Ｉｎｖｅｓｔｍｅｎｔ ａｎｄ Ｓａｎｄ Ｃａｓｔｉｎｇ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ｏｆ Ｃｏｍｐｌｉｃａｔｅｄ Ｓｔａｉｎｌｅｓｓ Ｓｔｅｅｌ Ｉｍｐｅｌｌｅｒ Ｙａｎｇ Ｂｉｎｇｂｉｎｇ ，Ｆａｎ Ｚｈｉｋａｎｇ２ （１．Ｄｅｐａｒｔｍｅｎｔ ｏｆ Ｍａｔｅｒｉａｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｓｈａａｎｘｉ Ｐｏｌｙｔｅｃｈｎｉｃ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ，Ｘｉａｎｙａｎｇ Ｓｈａａｎｘｉ ７１２０００； ２．Ｓｃｈｏｏｌ ｏｆ Ｍａｔｅｒｉｌａ Ｓｃｉｎｃｅｅ ａｎｄ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｘｉ’ａｎ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｘｉ’ｎ ａＳｈａａｎｘｉ ７１００４８） Ａｌ￣ｔｒａｃｔ：Ｉｎ ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ，ｔｈｅ ｃｏｍｐｏｕｎｄ ｉｎｖｅｓｔｍｅｎｔ ａｎｄ ｓａｎｄ ｃａｓｔｉｎｇ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ｏｆ ｃｏｍｐｌｉｃａｔｅｄ ｓｔａｉｎｌｅｓｓ ｓｔｅｅｌ ｉｍｐｅｌｌｅｒ ｗａｓ ｓｔｕｄｉｄ．ｅ Ｐａｒｔｓｏｆ ｃｏｍｐｌｉｃａｔｅｄ ｖａｎｅ ｗｅｒｅ ｍａｄｅ ｆｒｏｍ ｔｈｅ ｓｉｌｉｏｎｅ—ｗａｔｅｒ ｇｌｃａｓｓ ｃｏｍｐｏｓｉｔｅ ｓｈｅｌｌ ｂｙ ｕｓｉｎｇ ｉｎｖｅｓｔｍｅｎｔ ｃａｓｔｉｇ．ｓｉｎｍｐｌｅ ｈｕｂｓ ａｎｄ ｓｐｏｋｅｓ ａｎｄ ｔｈｅ ｉｎｖｅｓｔｍｅｎｔ ｓｈａｌｌ ｗｅｒｅ ｍａｄｅ ｂｙ ｓａｎｄ ｃａｓｔｉｇ，ｔｈｅｎｎ ｃｏｍｂｉｎｅｄ ｔｏｇｅｔｈｅｒ ｔｏ ｏｂｔａｉｎ ｔｈｅ ｉｍｐｅｌｌｒ ｃｅｏｍｐｏｕｎｄ ｍｏｕｌｄ ｗｉｔｈ ｉｎ— ｖｅｓｔｍｅｎｔ ｓｈａｌｌ ａｎｄ ｓａｎｄ ｃａｓｔｉｎｇ．ＺＧ１Ｃｒｌ８Ｎｉ９Ｔｉ ｉｍｐｅｌｌｒ ｃａｓｔｉｅｎｇ ｉｓ ａｄｅ ｍｂｙ ｍｅｌｔｉｇ，ｐｏｕｒｎｉｇ，ｃｕｔｔｉｎｇ，ｃｌｅｎａｎｉｇ ａｎｎｄ ｈｅａｔ ｔｒｅａｔｍｅｎｔ． Ｔｈｅ ｒｅｓｕｌｔ ｓｈｏｗｓ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｉｍｐｅｌｌｒ ｃａｓｔｉｅｇ ｓｕｒｆａｃｅ ｒｎｏｕｇｈｎｅｓｓ ｕｐ ｔｏ Ｒａ３．２１．６ ａｎｄ ｔｈｅ ｄｉｍｅｎｓｉｏｎ ｐｒｅｃｉｓｉｏｎ ｕｐ ｔｏ ＣＴ４ＣＴ５，ｔｈｅ ｍｅ— ｃｈａｎｉｃａｌ ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ ｍｅｅｔ ｔｈｅ ｔｅｃｈｎｉｃａｌ ｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔｓ。ｔｈｅ ｐｒｏｃｅｓｓ ｉｓ ｓｔａｂｌｅ ａｎｄ ｃａｎ ｒｅｄｕｃｅ ｔｈｅ ｃｏｓｔ． ＫｅｙＷｏｒｄｓ：ｃａｓｔｉｍｐｅｌｌｒ；ｃｅｏｍｐｏｕｎｄ ｃａｓｔｉｇｍｏｕｌｎｄ；ｉｎｖｅｓｔｍｅｎｔ ｃａｓｔｉｇ；ｓａｎｄ ｃａｓｔｉｎｇ ｎ复杂不锈钢叶轮（见图１）是某进口制药设备上 的关键、易耗铸件，工作环境处于强腐蚀性介质中， 不仅结构复杂，叶片数量多，尺寸精度要求高，还需 要进行超速（转速为额定转速的１１０％，持续２ｍｉｎ） 叶轮尺寸如图２所示，外径为０７００ｒａｍ、高度 １３０ｍｍ、单件净重２０２ｋｇ，辐板厚３０ｒａｍ、轮辐部分 为一较大的平面，叶片间距小、层层错叠、形状复杂、 呈流线型、壁厚仅为５ｍｍ，数量多达５４个，给制模 和动平衡检测，而且要求叶片表面光洁，任意三个相 邻叶片外圆的两弦长之差不超过３ｍｍ，叶片的扭曲 和造型都带来很大的困难，目前，采用单一的熔模铸 造、砂型铸造方法生产还存在着很大的难度。为了 角偏差在１。以内，不允许存在夹渣、疏松、气孔、裂 纹等铸造缺陷，否则会出现断裂事故。 收稿日期：２００７—０１—０２ 降低成本，实现叶轮铸件国产化生产，满足制药企业 需要，有必要对其铸造工艺进行研究。 作者简介：杨兵兵（１９６７一），男，陕西咸阳人，讲师，研究方向：精密铸造工艺。 维普资讯 http://www.cqvip.com 第１期 杨兵兵，等：复杂不锈钢叶轮熔模一砂型复合铸造工艺的研究 １５ 图１复杂不锈钢叶轮 ＋ ８Ｏ ｌ７Ｏ ４ｌ６ ４９６ ７００ 图２叶轮尺寸 １铸造方法选择 首先，由于该叶轮外径尺寸较大，且材质为 ＺＧＩＣｒ１８Ｎｉ９Ｔｉ，体收缩率较大，因而叶轮轮毂、轮辐 部分的热接必须采用冒口进行补缩；其次，由于该叶 轮不仅结构复杂，叶片数量多，间距小，而且对表面 粗糙度、叶片位置、尺寸精度技术要求高；因此，生产 小型复杂叶轮常用的熔模铸造，或者生产简单叶轮 的组芯或抽芯砂型铸造的单一工艺方法，很难同时 满足此类大型复杂叶轮内在质量、尺寸精度及表面 质量的严格要求。 生产过程中，通过对此类叶轮铸件结构特点以 及熔模铸造和砂型铸造工艺优缺点的分析、研究，将 此类叶轮由轮缘内侧（直径为讲１６）划分为形状简 单的轮毂轮辐部分和形状复杂的叶片部分。对于形 状复杂的叶片部分，采用熔模铸造涂制出叶片部分 的型壳；对于形状简单的轮毂轮辐部分，通过砂型铸 造方法造出相应部分的砂型铸型，最后将熔模型壳 与砂型铸型组合，便得到满足技术要求的熔模一砂 型复合铸型。故选择了熔模一砂型复合铸造方法。 ２工艺方案确定及浇冒口设计 经过综合分析与工艺验证，最终选用了水平分 型、轮缘设置３个补缩冒１２１、轮毂设置１个冒１２１带浇 口的顶注式熔模一砂型复合铸造工艺方案（见 图３）。 图３叶轮铸造工艺方案 ２．１工艺方案确定 由于选择了熔模一砂型复合造型，为了使模样 制作简单、造型简便、降低对操作工人技术要求，确 保合箱时模壳与铸型配合精确度，决定采用水平分 型、两箱造型方案。 由于轮毂、轮缘与轮辐相交部分为热接，而轮辐 部分厚度只有３０ｍｍ，先与热接部位凝固，补缩通道 严重不足。同时由于叶轮材质为ＺＧＩＣｒ１８Ｎｉ９Ｔｉ奥 氏体不锈钢，体收缩率大，本钢种含Ｃｒ高，在浇注过 程中易生成氧化铬夹杂物而使流动性降低。氧化铬 膜还使铸件易产生冷隔和表面皱皮等缺陷，当钢液 温度过低，浇注时间越长，氧化现象越严重。为了保 证ＺＧ１Ｃｒｌ８Ｎｉ９Ｔｉ钢水的快速充型，有利于对热接 的补缩，避免轮毂、轮缘热接处缩孔、缩松的产生，因 而采用了轮缘部位采用明顶冒口进行补缩，轮毂部 位采用冒口带浇口的顶注工艺方案。虽然顶注工艺 易产生夹砂，气孔等缺陷，但考虑到叶轮高度仅为 １３０ｍｍ，飞溅较小，可通过选择合理的浇注方法、轮 缘上安放冒口补缩带排气，叶片上型部位扎气眼，熔 炼优质钢水等工艺措施克服该工艺的不足。 ２．２浇冒口设计 轮毂部位选用标准腰圆型明冒口。利用模数法 计算得Ｍ毂冒＝２．４８，查标准腰圆型明冒口资料得： 冒口宽度为１２０ｍｍ、长度为１８０ｍｍ、高度为 １５０ｍｍ。冒口径高度取２０ｍｍ，考虑到轮毂宽度，与 轮毂接触处宽度取５０ｍｍ。冒口重量约为２５ ，当 ￡＝６％时，最大补缩铸件的体积Ｖｃ＝４．３×１０３ｃｍ３。 经冒口补缩能力核算及补缩长度校核，仅需设置１ 个标准腰圆型明冒口。 轮缘部位同样选用标准腰圆型明冒口。利用模 数法计算得Ｍ缘冒＝２．２７，查标准腰圆型明冒口资料 得：ａ＝ｌｌＯｍｍ、ｂ＝１６５ｍｍ、ｈ＝１３８ｍｍ（取１５０ｍｍ 与轮毂冒口高度相同）。 取冒口径高度为２０ｍｍ，考虑到轮缘宽度，与轮 毂接触处宽度取４０ｍｍ。冒口重量为２１ｋｇ，当￡＝ ６％时，最大能补缩铸件的体积Ｖｃ＝３．０×１０３ｃｍ３。 维普资讯 http://www.cqvip.com １６ 陕西工业职业技术学院学报 ２００８年 经冒口补缩能力核算及补缩长度校核，需设置同样 尺寸的３个标准腰圆型明冒口。 ３叶轮熔模一砂型复合造型 ３．１叶轮叶片部分熔模型壳工艺 ３．１．１熔模组焊 由于叶轮有５４个叶片，层层错叠地分布在 ７００ｍｍ的圆周上，故叶片间距很小，加上形状复杂， 所以叶片部分的熔模型壳是铸造叶轮的关键。 模料选择具有良好综合性能的松香一蜡基模 料，收缩率为０．７５％，其热稳定性较高。压型材料 选用了４５钢，铸件的综合收缩率选取２．６％，型腔 表面粗糙度为Ｒａ０．８～０．２，采用机械加工。为了保 证叶片部分熔模组焊尺寸的精确性以及涂料工序的 正常进行，设计了如图４所示的组焊工装。其由上 盖板、下盖板、定位圈、紧固轴４部分组成。利用叶 片上的圆弧与定位圈进行配合并利用样板进行检验 来确保叶片熔模的尺寸符合要求。 图４叶轮组焊工装 ３．１．２模壳涂料 由于叶轮尺寸较大、形状复杂，尺寸精度、表面 粗糙度技术要求高，为了确保叶片表面质量、模壳强 度以及叶片模壳与砂型铸型很好的配合并降低成 本，最终采用了硅酸乙酯一水玻璃复合型壳…１。 ３．１．３型壳的加固、脱蜡、焙烧 叶片部分模壳涂制完成以后，由于叶片部分熔 模型壳体积较大，如果立即卸去涂制工装，在搬运、 脱蜡、焙烧过程中，就会发生变形，严重时也可导致 模壳报废。同时，为了确保型壳转运时起吊方便以 及合型时定位准确，设计过程中，采用了在型壳外围 制作水玻璃砂套并在砂套内预先放置带有两个吊环 的铸铁加强筋的型壳固定工艺。水玻璃砂套宽度约 为１００ｍｍ。其制作如图５所示。 生产中采用了高压蒸汽脱蜡法，设备选用 ＤＲＴＬ／２００电加热脱蜡釜，脱出的蜡由脱蜡釜下部 流出。蒸汽压力为０．６～１ＭＰａ、充气时间＜５ｓ、脱蜡 时间６～１０ ｍｉｎ。 焙烧设备选用７５ｋｗ箱式电炉。焙烧温度选择 ８５０±３０℃，保温１．５－２ｈ。焙烧过程中，应将叶片 模壳水平放置在盛满２０／４０目石英砂的不锈钢盘 内，防止叶片在高温下产生变形。焙烧后的模壳如 图６所示。 图５水玻璃砂套的制作 图６焙烧后的模壳 ３．２叶轮轮毂轮辐部分砂型铸型工艺 ３．２．１木型及芯盒 为了提高铸件的几何形状和合型时铸件的相对 位置精度，减少原始不平衡度，选择了整体木模造型 及分开式木质芯盒造芯。线收缩率取２．２％。木型 除考虑轮毂轮辐部分外，还应计算熔模型壳尺寸。 ３．２．２造型（芯）材料 选择用铬铁矿Ｃ０ 硬化水玻璃砂做面砂、芯 砂，用石英砂作背砂并刷锆英粉涂料，实验中采用 １００％的４０／７０目的铬铁矿砂作面砂，偏重于５０ 目。为了保证铸型质量，首先要选择合适的原砂，要 求原砂的含泥量应小于２％，并严格控制水分，一般 需进行烘干处理，同时选用优质水玻璃及合理的模 数。｝昆好的砂放在有盖的容器中，或者用湿的麻袋 盖严实，以免砂中的水分蒸发和与空气中的ｃｏ２接 触而造成硬化。 维普资讯 http://www.cqvip.com 第１期 杨兵兵，等：复杂不锈钢叶轮熔模一砂型复合铸造工艺的研究 １７ ３．２．３造型操作工艺要求 造型时靠近模样的一层应填加面砂。一般舂实 后的面砂厚度为７５～ｌＯＯｍｍ为宜。 为了顺利地排出浇注时型腔内产生的大量气 体，砂型造好取样前，在每个叶片顶部扎１～２个气 眼以利排气。 选择用插管吹气法硬化工艺。在砂型上扎一些 （２）６ｍｍ～ＯｌＯｍｍ的吹气孔，将带有小孔的金属吹气 管插入型砂中并吹ｃｏ２硬化后起模。吹气压力 ０．１０～０．１５ＭＰａ、流量０．５ｍ３／ｈ、时间２０－－３０ｓ。 ３．３叶轮熔模一砂型复合铸型工艺 当叶轮部分的模壳及轮毂轮辐部分的砂型铸型 制备完成后，便可进人造型的最后一道工序——合 型。主要包括：准备、下芯、合型与验型、铸型的紧 固、放浇口杯、糊箱等。为了保证合型时上、下型能 按开型时的位置准确合型，采用了定位销（套）对砂 型进行定位。见图７。 导 上 轮缘冒 冒口 向柱砂型 口３个均布带浇口出气孔 图７叶轮熔模铸造一砂型铸造复合铸型 ３．４熔炼、浇注、清理与热处理 采用ＧＧＷ一０．５０无芯式中频碱性感应电炉熔 炼ＺＧ１Ｃｒ１８Ｎｉ９Ｔｉ，每炉加入（质量分数）６０％本钢返 回料、２０％低磷小废钢以及适量电解镍、电解锰、钛 铁、铬铁、硅铁。采用０．０８％的铝粉和０．１％的铝块 分别进行预脱氧和终脱氧。 叶轮铸件的浇注温度以１５８０±１０℃为宜，浇注 过程中，开始要快浇，以保证叶轮的叶片能快速充 满，防止产生浇不到、冷隔缺陷；浇注时间控制在８ ～１２ｓ，浇注后期要慢浇，浇完后要补浇，使叶轮厚实 部位得到补缩。 叶轮清理重点在叶片，为了避免落砂时伤及叶 轮表面，熔模型壳选择了碱煮清砂。由于不锈钢具 有低的塑性及加工硬化特点，因而常用的切割工艺 很难切割。虽然等离子弧在切割厚度较小的不锈钢 时优点较为明显，但切割厚度较大的不锈钢浇冒口 时难度却较大，因而最终选用了氧乙炔火焰振动气 割工艺用于不锈钢浇冒口的切割。 为了提高ＺＧ１Ｃｒｌ８Ｎｉ９Ｔｉ叶轮铸件的力学性 能，减少偏析，提高抗蚀性能，选用了固溶处理（铸 态）一稳定化处理工艺。固溶处理温度１０５０～ ｌｌＯＯＣ、保温３－－４ｈ，大于９５０＂Ｃ水淬。稳定化处理 温度８５０～９５０℃、保温４ｈ左右后空冷。 ４铸件质量检测结果 采用上述工艺方法生产的复杂不锈钢叶轮，单 件重量达２０２ｋｇ，尺寸精度达到ＣＴ４－－ＣＴ５，表面粗 糙度达到Ｒａ３．２～１．６；叶片之间的相对位置及尺寸 符合设计要求，铸件内外表面质量良好，材料的化学 成分符合标准要求，铸件经热处理后无磁性且力学 性能符合标准要求；经动平衡试验和超速试验，均达 到设计要求。用该复合工艺生产叶轮２０余件，铸件 成品率为１００％，创经济效益１０余万元。 ５结论 （１）设计的叶片组焊工装，解决了叶片部分熔模 的组焊、定位以及涂料的涂制难题，为其它类铸件熔 模组焊工装的设计提供了借鉴。 （２）采用的熔模一砂型复合铸造工艺发挥了熔 模铸造、砂型铸造的优点，避免了单一铸造工艺的不 足，使大型复杂整体叶轮铸造的国产化得到实现。 经制药企业测试性能优于进口铸件。 （３）通过对本课题的研究可以对目前铸造生产 中熔模铸造、砂型铸造相对独立生产的现状进行有 益的改进、探索。 参考文献 ［１］杨兵兵，范志康．硅酸乙酯一水玻璃复合型壳在精密铸 造中的应用［Ｊ］．铸造技术，２００６，２７（１０）．