不銹鋼葉輪鑄造工藝設計論文

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1葉輪樹脂砂造型工藝設計

本文擬生產的馬氏體不銹鋼葉輪材質為ZG1Cr13Ni。該材質澆注溫度高，砂型鑄造易產生表面粘砂；由于縮性大，極易產生縮松、裂紋和晶粒粗大等鑄造缺陷；此外，其冷裂傾向也較嚴重。圖1和圖2分別是馬氏體不銹鋼葉輪毛坯尺寸和三維實體。由圖可見，該鑄件屬于結構復雜件，一方面是壁厚不均勻，厚壁和薄壁之間尺寸相差較大，補縮、收縮應力等問題需在工藝設計時特別關注；另一方面是存在各種曲面，而且曲面處壁厚極不均勻且相對較薄，因此，工藝設計時要充分考慮保證充型的完整性。根據葉輪鑄件的結構特點，本文選擇了兩箱造型法，并將鑄造分型面設置在葉輪中間部位，分型面位置見圖3。鑄件頂端壁厚較厚，應考慮在該位置添加冒口。鑄件的凝固時間取決于它的體積V和傳熱表面積A的比值，其比值稱為凝固模數。

2葉輪鑄造工藝設計與優化

2.1馬氏體不銹鋼葉輪鑄造工藝模擬分析

采用有限元分析軟件對鑄造工藝進行模擬，鑄件模型選擇的材料為馬氏體不銹鋼，砂箱模型選擇的材料為樹脂砂，鑄件與砂箱之間的換熱系數為500W/（m2•K），澆注溫度為1560℃，充型速度為42kg/s，澆注時間為27s，熱傳遞方式為空氣冷卻，設置重力加速度為9.8kg/s2，初始條件為金屬液溫度1560℃、砂箱溫度25℃，運行參數采用默認設置。葉輪充型過程模擬結果見圖5。可以看出，金屬液充滿澆道，整體充型平穩，見圖5a。當澆注完成后，鑄型內腔全部被充滿，不存在澆不足現象，見圖5b。模擬結果表明，該鑄件的鑄造工藝設計方案保證了澆注過程的平穩性，也保證了鑄件形狀的完整性，說明澆注系統設計合理。圖6為鑄件澆注265s后透視狀態圖，可以發現，葉輪下端圓環、分型面中心部位交界處存在縮孔，且個別葉輪側冒口底端存在封閉的高溫區間，該位置也可能出現縮孔。由此可見，該工藝設計方案在保證鑄件補縮方面還存在設計不足。因此，原設計方案必須改善冒口設計，或者采取必要的工藝補救方案。

2.2工藝優化

針對初始設計工藝所出現的缺陷問題，對葉輪鑄造工藝進行優化。考慮在葉輪底端圓環和葉輪中心位置出現的縮孔，我們分別在葉輪底端加入圓環形冷鐵，在葉輪中間部位六個側冒口之間加設楔形冷鐵。改進后葉輪鑄造工藝圖如圖7所示。對改進后的工藝方案進行模擬，工藝改進后的葉輪充型模擬結果。當充型開始14s時，充填部位型腔內金屬液完全充滿澆道，充型平穩，沒有明顯飛濺，見圖8a，說明澆注系統設計仍能保證充型的平穩性；圖8b是充型至27s時（充型完畢）的狀態圖，可以看出，金屬液已完全充滿型腔，型腔內不存在澆不足等缺陷。

3結論

（1）不銹鋼葉輪鑄件選取階梯式澆注方式和開放式澆注系統，可以保證鑄件充型過程中金屬液的平穩性及充型后的鑄件形狀完整性。

（2）不銹鋼葉輪鑄件直接采用明冒口和暗冒口不能完全防止鑄件內產生縮孔與縮松，當冒口與冷鐵配合使用時可以消除縮孔與縮松。

（3）澆注實驗表明，采取本文優化設計的鑄造工藝方案可以獲得形狀完整、沒有內部缺陷的葉輪鑄件。

作者:黃宏軍曹陽王好強鄭文濤袁曉光單位:沈陽工業大學材料科學與工程學院沈陽鑄造研究所