控制水輪機不銹鋼鑄件裂紋缺陷的措施

徐建渝 張建軍

(1.東方電氣集團東方電機有限公司，四川618000；2.西華大學材料科學與工程學院，四川610039)

控制水輪機不銹鋼鑄件裂紋缺陷的措施

徐建渝1張建軍2

(1.東方電氣集團東方電機有限公司，四川618000；2.西華大學材料科學與工程學院，四川610039)

分析了水輪機不銹鋼鑄件產生裂紋的原因，并提出了預防措施。

水輪機；不銹鋼鑄件；裂紋

我公司生產的水輪機關鍵部件大部分采用的是不銹鋼ZG06Cr13Ni4Mo和ZG06Cr16Ni5Mo，這類材質鑄造性能較差，流動性差，體收縮和線收縮較大，熱應力大，容易產生裂紋。由于水輪機不銹鋼鑄件內外質量要求高，工況條件惡劣，因此均要求100%磁粉檢測、超聲檢測、滲透檢測。因其裂紋傾向大，故生產工藝流程復雜，過程控制困難，一旦鑄件產生裂紋，不僅返修工作量大，嚴重的還可能報廢，造成重大經濟損失。

1 水輪機不銹鋼鑄件產生裂紋缺陷的原因分析

根據生產實際情況，分析鑄件結構、成分、工藝及出現(xiàn)的缺陷，水輪機不銹鋼鑄件產生裂紋缺陷的原因主要有以下幾個方面：

(1)鑄件結構復雜，壁厚不均勻，在凝固和冷卻過程中產生的內應力大，特別是在熱節(jié)處。比如我公司制造的上冠類鑄件，由于鑄件結構復雜，壁厚過渡不均勻，同時為保證質量工藝上采取了內外兩層冒口系統(tǒng)，這些都造成了鑄件內應力加大。若不采取相應的措施，極易產生裂紋。

(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)鑄造工藝設計不合理，冒口補貼及澆注系統(tǒng)設置不當，使鑄件產生縮孔、縮松、氣孔、砂眼等缺陷，都易造成鑄件基體的割裂和應力集中，從而使鑄件產生裂紋。

(4)生產過程中沒有嚴格執(zhí)行工藝，如保溫時間不足，過早開箱等會影響鑄件固態(tài)收縮，造成應力快速釋放，產生裂紋。

(5)鑄件在落砂、轉運、切割、清理等過程中操作不當也會增加鑄件內應力，造成鑄件裂紋。

2 預防不銹鋼鑄件產生裂紋缺陷的措施

鑄件內應力主要是由于液態(tài)收縮和固態(tài)收縮受阻而產生的，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加工過程中都會增加內應力。我公司生產的ZG06Cr13Ni4Mo和ZG06Cr16Ni5Mo不銹鋼鑄件，本身材質就比較脆弱，裂紋傾向大，若內應力越大，鑄件產生裂紋的可能性就越大。因此，實際生產過程中必須采取必要的措施來減少和消除其內應力。通過在實踐中不斷摸索、分析、研究、總結，主要采取以下措施和方法來預防不銹鋼鑄件裂紋缺陷的產生：

(1)鑄造工藝設計要全面考慮鑄件的結構、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，選擇適當的工藝參數，防止縮孔縮松等鑄造缺陷。鑄件的澆冒口系統(tǒng)設計要合理，若要采用冷鐵等工藝措施，其安放的部位要合理，既要保證鑄件內部組織的致密性，又要盡量避免應力集中的情況產生[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。在實際生產中，通過采用低磷鋼中間合金，起到了較好的效果。

(3)通過適當延長鑄件在砂型中的保溫時間，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力集中的情況發(fā)生。

(4)在鑄件落砂清理過程中，嚴禁打箱時向砂型和鑄件澆水，嚴禁采用撞箱等較強外力沖擊方式落砂，從而避免外力和鑄件內應力相互作用產生裂紋[2]。

(5)根據鑄件條件選擇適當的熱割澆冒口工藝方式，保證熱割起始溫度不低于300℃。操作時，氣割槍和吹氧管不能在鑄件表面局部停留時間過長，需振動切割。重要件割后及時用石棉布蓋住割口或進爐熱處理。對于上冠及軸流式葉片一類結構復雜、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生。

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

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

(8)對重大不銹鋼鑄件增加一次最終消除應力退火工序，嚴格控制保溫時間和出爐溫度。其目的是減少生產過程中產生新的應力集中，更加徹底地消除鑄件內應力，防止裂紋產生。

3 結論

由于工藝設計充分考慮了鑄件內應力的影響，生產中采用相關措施，抓好過程質量控制，近年來我公司在現(xiàn)有生產條件下生產的不銹鋼鑄件質量趨于穩(wěn)定，特別是大型不銹鋼鑄件，如整鑄導葉、軸流式葉片及上冠等，裂紋缺陷大為降低，不僅提高了內在質量，而且保證了生產周期，大大減少了質量損失。實踐證明，這些工藝方案和措施的運用是合理的，有效的。降低和減少鑄件內應力對預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[M]. 北京：機械工業(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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