徐建渝 張建軍

(1.東方電氣集團(tuán)東方電機(jī)有限公司，四川618000；2.西華大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，四川610039)

控制水輪機(jī)不銹鋼鑄件裂紋缺陷的措施

徐建渝1張建軍2

(1.東方電氣集團(tuán)東方電機(jī)有限公司，四川618000；2.西華大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，四川610039)

分析了水輪機(jī)不銹鋼鑄件產(chǎn)生裂紋的原因，并提出了預(yù)防措施。

水輪機(jī)；不銹鋼鑄件；裂紋

我公司生產(chǎn)的水輪機(jī)關(guān)鍵部件大部分采用的是不銹鋼ZG06Cr13Ni4Mo和ZG06Cr16Ni5Mo，這類材質(zhì)鑄造性能較差，流動(dòng)性差，體收縮和線收縮較大，熱應(yīng)力大，容易產(chǎn)生裂紋。由于水輪機(jī)不銹鋼鑄件內(nèi)外質(zhì)量要求高，工況條件惡劣，因此均要求100%磁粉檢測(cè)、超聲檢測(cè)、滲透檢測(cè)。因其裂紋傾向大，故生產(chǎn)工藝流程復(fù)雜，過程控制困難，一旦鑄件產(chǎn)生裂紋，不僅返修工作量大，嚴(yán)重的還可能報(bào)廢，造成重大經(jīng)濟(jì)損失。

1 水輪機(jī)不銹鋼鑄件產(chǎn)生裂紋缺陷的原因分析

根據(jù)生產(chǎn)實(shí)際情況，分析鑄件結(jié)構(gòu)、成分、工藝及出現(xiàn)的缺陷，水輪機(jī)不銹鋼鑄件產(chǎn)生裂紋缺陷的原因主要有以下幾個(gè)方面：

(1)鑄件結(jié)構(gòu)復(fù)雜，壁厚不均勻，在凝固和冷卻過程中產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力大，特別是在熱節(jié)處。比如我公司制造的上冠類鑄件，由于鑄件結(jié)構(gòu)復(fù)雜，壁厚過渡不均勻，同時(shí)為保證質(zhì)量工藝上采取了內(nèi)外兩層冒口系統(tǒng)，這些都造成了鑄件內(nèi)應(yīng)力加大。若不采取相應(yīng)的措施，極易產(chǎn)生裂紋。

(2)鋼水中有害元素(如S、P)、夾雜物、H、O、N等含量偏多。有資料表明鋼水中有害元素和夾雜物及氣體含量也是造成鑄件裂紋的重要原因。

(3)鑄造工藝設(shè)計(jì)不合理，冒口補(bǔ)貼及澆注系統(tǒng)設(shè)置不當(dāng)，使鑄件產(chǎn)生縮孔、縮松、氣孔、砂眼等缺陷，都易造成鑄件基體的割裂和應(yīng)力集中，從而使鑄件產(chǎn)生裂紋。

(4)生產(chǎn)過程中沒有嚴(yán)格執(zhí)行工藝，如保溫時(shí)間不足，過早開箱等會(huì)影響鑄件固態(tài)收縮，造成應(yīng)力快速釋放，產(chǎn)生裂紋。

(5)鑄件在落砂、轉(zhuǎn)運(yùn)、切割、清理等過程中操作不當(dāng)也會(huì)增加鑄件內(nèi)應(yīng)力，造成鑄件裂紋。

2 預(yù)防不銹鋼鑄件產(chǎn)生裂紋缺陷的措施

鑄件內(nèi)應(yīng)力主要是由于液態(tài)收縮和固態(tài)收縮受阻而產(chǎn)生的，此外在鑄件打箱、氣割澆冒口以及吹、刨、焊、磨等鑄件精整過程和后序機(jī)加工過程中都會(huì)增加內(nèi)應(yīng)力。我公司生產(chǎn)的ZG06Cr13Ni4Mo和ZG06Cr16Ni5Mo不銹鋼鑄件，本身材質(zhì)就比較脆弱，裂紋傾向大，若內(nèi)應(yīng)力越大，鑄件產(chǎn)生裂紋的可能性就越大。因此，實(shí)際生產(chǎn)過程中必須采取必要的措施來減少和消除其內(nèi)應(yīng)力。通過在實(shí)踐中不斷摸索、分析、研究、總結(jié)，主要采取以下措施和方法來預(yù)防不銹鋼鑄件裂紋缺陷的產(chǎn)生：

(1)鑄造工藝設(shè)計(jì)要全面考慮鑄件的結(jié)構(gòu)、形狀、大小、壁厚及其過渡等影響鑄件液態(tài)和固態(tài)收縮的因素，選擇適當(dāng)?shù)墓に噮?shù)，防止縮孔縮松等鑄造缺陷。鑄件的澆冒口系統(tǒng)設(shè)計(jì)要合理，若要采用冷鐵等工藝措施，其安放的部位要合理，既要保證鑄件內(nèi)部組織的致密性，又要盡量避免應(yīng)力集中的情況產(chǎn)生[1]。

(2)冶煉過程中，盡量降低P、S等有害元素的含量，降低N、H、O等氣體和夾雜物含量。在實(shí)際生產(chǎn)中，通過采用低磷鋼中間合金，起到了較好的效果。

(3)通過適當(dāng)延長鑄件在砂型中的保溫時(shí)間，主要是控制開箱溫度低于70℃，保證鑄件在砂型中充分完成液態(tài)和固態(tài)收縮，避免外力因素造成應(yīng)力集中的情況發(fā)生。

(4)在鑄件落砂清理過程中，嚴(yán)禁打箱時(shí)向砂型和鑄件澆水，嚴(yán)禁采用撞箱等較強(qiáng)外力沖擊方式落砂，從而避免外力和鑄件內(nèi)應(yīng)力相互作用產(chǎn)生裂紋[2]。

(5)根據(jù)鑄件條件選擇適當(dāng)?shù)臒岣顫裁翱诠に嚪绞?，保證熱割起始溫度不低于300℃。操作時(shí)，氣割槍和吹氧管不能在鑄件表面局部停留時(shí)間過長，需振動(dòng)切割。重要件割后及時(shí)用石棉布蓋住割口或進(jìn)爐熱處理。對(duì)于上冠及軸流式葉片一類結(jié)構(gòu)復(fù)雜、工藝上采取特殊措施的鑄件，我們采用二次熱割的方式，有效的避免了裂紋產(chǎn)生。

(6)開箱后要及時(shí)進(jìn)行熱處理。一方面，由于鑄件在鑄態(tài)下組織十分脆弱，若不及時(shí)進(jìn)行熱處理，鑄件極有可能在生產(chǎn)現(xiàn)場受到其他工件或外力碰撞受損造成裂紋；另一方面，還要根據(jù)鑄件的結(jié)構(gòu)和最大壁厚確定鑄件在熱處理過程中的保溫時(shí)間，保證鑄件溫度均勻，以使其應(yīng)力得到充分釋放，避免裂紋缺陷產(chǎn)生。生產(chǎn)實(shí)際中，根據(jù)不同鑄件分別采用6 h、8 h、10 h、12 h保溫。

(7)在對(duì)不銹鋼鑄件進(jìn)行缺陷處理時(shí)，要堅(jiān)持預(yù)熱原則。在吹、焊工序處理時(shí)，工件要預(yù)熱至108℃以上方可進(jìn)行操作。若發(fā)現(xiàn)較大的裂紋缺陷，應(yīng)先進(jìn)行去應(yīng)力退火，再進(jìn)行處理。處理完以后還要進(jìn)行一次去應(yīng)力退火。

(8)對(duì)重大不銹鋼鑄件增加一次最終消除應(yīng)力退火工序，嚴(yán)格控制保溫時(shí)間和出爐溫度。其目的是減少生產(chǎn)過程中產(chǎn)生新的應(yīng)力集中，更加徹底地消除鑄件內(nèi)應(yīng)力，防止裂紋產(chǎn)生。

3 結(jié)論

由于工藝設(shè)計(jì)充分考慮了鑄件內(nèi)應(yīng)力的影響，生產(chǎn)中采用相關(guān)措施，抓好過程質(zhì)量控制，近年來我公司在現(xiàn)有生產(chǎn)條件下生產(chǎn)的不銹鋼鑄件質(zhì)量趨于穩(wěn)定，特別是大型不銹鋼鑄件，如整鑄導(dǎo)葉、軸流式葉片及上冠等，裂紋缺陷大為降低，不僅提高了內(nèi)在質(zhì)量，而且保證了生產(chǎn)周期，大大減少了質(zhì)量損失。實(shí)踐證明，這些工藝方案和措施的運(yùn)用是合理的，有效的。降低和減少鑄件內(nèi)應(yīng)力對(duì)預(yù)防不銹鋼鑄件裂紋缺陷起到了很大的作用。

[1] 黃天佑. 鑄造手冊(cè)[M]. 北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2003.

[2] 鑄件清理及熱處理問答編寫組. 鑄件清理及熱處理問答[M]. 北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1991.

編輯 杜青泉

1Steel Hydraulic Turbine Castings

XuJianyu,ZhangJianjun

The reasons are analyzed for crack defect of stainless steel hydraulic turbine casting and the preventive measures are put forward.

hydraulic turbine; stainless steel casting; crack

2013—10—11

TG245

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