原创 王德良 孙玉洁 等 铸造工程 2023-09-07 17:29 北京 听全文
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编辑导语：为提高大型鼓风机的工作效率，鼓风机中叶轮部件用QT500-14材质替代原HT250材质。试验研究了固溶强化铁素体基球墨铸铁鼓风机叶轮的铸造工艺，采用呋喃树脂砂铸造，水平造型、垂直浇注，借助分析软件对充型和凝固过程进行CAE分析，优化铸造工艺，以确保铸件的内部质量技术要求；根据厚大断面球墨铸铁件的特点，设计了固溶强化铁素体基球墨铸铁QT500-14的成分和球化、孕育处理工艺，成功研制出符合GB/T 1348-2019中QT500-14牌号的技术要求的铸件。
作为鼓风机的核心部件，叶轮的材料力学性能直接影响了鼓风机的转数和流量。近年来，随着市场的多样化和客户要求的不断提高，需要研制材质为QT500-14的叶轮。
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产品技术要求
叶轮铸件外形如图1所示。其重量1.6 t,轮廓尺寸为1 380 mm×780 mm×400 mm,壁厚75～125 mm，牌号为QT500-14。铸件附铸试块的力学性能要求：抗拉强度≥500 MPa，屈服强度≥400 MPa，断后伸长率≥14%，硬度180～210 HBW；球化等级在3级以上。
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图1 叶轮铸件外形图
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造型方式和浇注系统
采用呋喃树脂砂造型，呋喃树脂氮含量＜3.0％，游离酚含量≤0.5％。树脂加入量占型砂重量的1.0%~1.2%，固化剂加入量（占树脂加入量）夏季30%~40%，冬季50%~60%，春秋季40%~50%。铸造工艺为水平造型，垂直浇注。浇注系统采用底注式，各组元截面积比是ΣS直:ΣS阻:ΣS横:ΣS内=1:0.6:1.4:1.3。其中直浇道1个，面积4 000 mm2；阻流2个，位于直浇道和横浇道连接处，用φ40 mm陶瓷管制作；横浇道2个，用φ60 mm陶瓷管做浇道；内浇道4个，用φ40 mm陶瓷管做内浇道。铸件顶部放2个φ190 mm、高280 mm的明发热冒口。直浇道中间采用10PPi的SiC过滤片，过滤片尺寸φ200 mm、厚度40 mm。铸造工艺设计如图2所示。
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图2 浇注系统设计方案
采用MAGMA仿真软件对上述工艺进行充型和凝固仿真模拟分析。充型速度≤100 mm/s，铁液自下而上填充，充型过程平稳，无紊流和卷气，如图3所示。
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（a）充型25%
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（b）充型50%
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（c）充型75%
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（d）充型100%
图3 充型温度分析
从凝固过程分析，当液态开始收缩时，发热冒口内的铁液对铸件进行补缩，待铸件液态收缩完成后，铸件通过石墨化膨胀实现自补缩。根据缩松判断分析，铸件无缩松缺陷（如图4）。
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（a）液相75%
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（b）液相50%
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（c）液相25%
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（d）缩松判据
图4 液态凝固分析和缩松判据
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熔炼和浇注工艺
由于普通球墨铸铁随着抗拉强度的提高断后伸长率会大大降低，而硅固溶强化铁素体基球墨铸铁却能在保证强度的同时，断后伸长率相较于同强度材料会大大提高。更为重要的是，固溶强化铁素体基球墨铸铁由于其基体组织的单一性，铸件硬度偏差较小，加工切削性能好，能延长刀具寿命，降低加工成本。所以，选定硅固溶强化铁素体基球墨铸铁作为鼓风机叶轮铸件的材质。
叶轮局部壁厚超过100 mm，属于厚大断面铸件，由于模数达2.86 cm，凝固过程缓慢，容易造成球化和孕育衰退，形成石墨漂浮、开花状和碎块状石墨等，致使铸件力学性能达不到技术要求。因此，在设计化学成分、熔炼和浇注工艺时，要重点防止这些问题产生。
3.1 化学成分的确定
CE值的选择原则为不出现石墨漂浮、开花状石墨的前提下尽量提高。根据叶轮的壁厚和凝固仿真计算，CE确定在4.3%~4.4%，此区间的铁液流动性好，缩松倾向小。
Si固溶强化铁素体基球墨铸铁，其实质就是Si置换了原晶格中的Fe原子或进入基体晶格间隙后，晶格发生畸变，增大了位错滑移阻力，使材料的强度和硬度提高。因此，将最终ω（Si）值定为3.2%~3.4%。
C是石墨化元素。为防止产生石墨漂浮，将原铁液ω（C）范围定在3.25%~3.35%，最终ω（C）定为3.10%~3.30%。
Mn是碳化物形成元素。厚壁铸件由于冷却速度慢，ω（Mn）＞0.35%会趋向偏析进入液相，在共晶团边界处形成网状碳化物，最终会降低铸件塑性和韧性，因此ω（Mn）定为0.25%~0.35%。
P在铁液中是有害元素，当ω（P）超过0.05%时，会加大偏析倾向，在晶界上形成低熔点共晶体，从而降低材料的力学性能。要求控制ω（P）≤0.04%。
ω（S）高会中和铁液内的Mg，此时想要保证石墨球化就需要加入更多的球化包芯线，造成浪费。此外，原铁液中ω（S）过高，还会造成铸件出现夹渣缺陷。但ω（S）也不宜过低，过低（≤0.005%）会造成球化后孕育效果不良，使石墨球数不足，容易产生碳化物。最终ω（S）控制在0.006%~0.015%范围内。
ω（Sb）在0.003%~0.008%时，能与铁液中的RE等元素形成异质核心，从而提高球墨核心的形核率。根据叶轮壁厚将ω（Sb）控制在0.005%~0.007%之间，可有效抑制铁液中过量的稀土和Ti等有害元素的作用，并能提高断面中心部位的球化率，使石墨球径小、球数多，铸态力学性能明显提高。
根据主要元素的特点，结合笔者公司生产球墨铸铁件的经验。最终确定叶轮铸件的化学成分如表1所示。
表1 叶轮铸件化学成分（质量分数，%）
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3.2 球化包芯线和孕育剂的确定
生产厚大断面的球墨铸铁件时，球化包芯线和孕育剂的种类要经过精心选择：
（1）球化包芯线要有很强的抗衰退和抗石墨畸变能力。因厚大断面铸件模数大，凝固所需时间长，极易造成球化与孕育衰退。研究与实践表明，重稀土的球化衰退时间比轻稀土球化衰退时间长。因此，选用含有重稀土钇的球化包芯线，其中ω（RE总）为1%~3%，ω（Mg）为24%~31%。
（2）孕育剂要有增加石墨球数和抗衰退能力。一次孕育和二次倒包孕育都选用含有Ca和Ba的长效孕育剂。其中ω（Ca）为1%~2%，ω（Ba）为4%~6%，粒度3~8 mm。随流孕育使用粒度为0.2~0.7 mm 的硫氧随流孕育剂，以增加石墨形核数量，提高石墨球圆整度，延缓衰退。
3.3 熔炼和浇注过程
采用3 000 kg中频感应电炉进行熔炼，炉料配比为50%回炉料+50%废钢，通过增碳剂和硅铁调整至原铁液成分合格，继续升温至温度满足要求后，铁液开始出炉。
出炉时，随铁液加入粒度为3~8 mm的硅钡孕育剂，加入量为0.5%。铁液重量达到要求后尽快移至球化室进行喂丝球化处理，球化完成后立即扒渣。球化包转移至树脂砂浇注线进行二次倒包孕育，采用粒度3~8 mm的硅钡孕育剂，加入量为0.5%。
去除铁液表面浮渣后取光谱试样检测铁液成分，浇注温度为1 330~1 300 ℃，浇注时随铁液加入0.2~0.7 mm的硫氧随流孕育剂，至此完成三次孕育处理。浇注充型时间为80~100 s。
型内冷却23~24 h后开箱。
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性能检验结果
铸件附铸试块拉伸性能和本体硬度检测结果见表2，本体硬度检验位置见图5。
表2 QT500-14叶轮力学性能
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图5 本体硬度检测位置
从附铸试块中取样检验金相组织，图6、图7为腐蚀前后的金相组织图。由图6可见，球化率达到了85%以上，也就是GB/T 9441-2021中的3级以上；图7基体组织主要以铁素体为主，珠光体含量不足5%。
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图6 未腐蚀金相
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图7 腐蚀后
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结论
（1）利用MAGMA仿真分析软件优化浇注系统，可最大限度避免铸件产生充型和凝固缺陷，缩短开发周期，提高工艺出品率。
（2）生产厚大球墨铸铁件时，容易产生球化和孕育衰退及开花状、碎块状石墨和石墨漂浮等问题。因此，需谨慎确定化学成分。确定固溶强化铁素体基球墨铸铁QT500-14材质化学成分为：CE 4.3%~4.4%，并控制ω（C）3.10%~3.30%、ω（Si）3.2%~3.4%、ω（P）≤0.04%、ω（Mn）、ω（S）和ω（Sb）在合适范围，采用含钇重稀土球化包芯线和三次孕育，在1 330~1 300 ℃低温浇注工艺，生产出了满足QT500-14技术要求的厚大断面叶轮铸件。
（3）批量生产的叶轮铸件，加工切屑性能良好，装机验证合格。这说明，为提高鼓风机效率，所选择的叶轮材质和采用的制备工艺是合理的。
作者单位：1. 山东联诚精密制造股份有限公司；2. Ferroglobe
编辑审核：柳建国
微信编辑：蔡文娟
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