ZG1Cr17Ni3合金小內(nèi)環(huán)的精鑄工藝

符昊，袁連杰，董雪麗，秦欣欣，徐德良，賈世星

（天津鋼研廣亨特種裝備股份有限公司，天津 301721）

0 引言

隨著精密零部件的廣泛應(yīng)用，精密鑄造技術(shù)得到了極大的重視。熔模鑄造生產(chǎn)出的零件其精度、表面質(zhì)量較其他鑄造方法有著明顯優(yōu)勢(shì)，但是熔模鑄造的生產(chǎn)工藝參數(shù)較多且相互影響，尤其是在生產(chǎn)復(fù)雜、薄壁的鑄件方面，產(chǎn)品缺陷率較高[1]。外環(huán)鑄件是航空配件，屬軍用重要用途件，采用ZG1Cr17Ni3馬氏體不銹鋼合金無(wú)余量精密鑄造的方法研制生產(chǎn)，外環(huán)鑄件（77J-60-01）為薄壁類鑄件，框架型結(jié)構(gòu)，形狀復(fù)雜，局部尺寸較厚，壁厚不均勻，最小壁厚處2 mm，最大壁厚11.10 mm（見(jiàn)圖1）。在澆注過(guò)程中鑄件軸向2處圓柱體以及側(cè)面3處小凸臺(tái)處較易產(chǎn)生縮孔縮松缺陷，薄壁處容易澆不足，薄厚交接處易形成裂紋，且其框架型結(jié)構(gòu)極易出現(xiàn)變形，往往會(huì)因?yàn)殍T件尺寸原因?qū)е聢?bào)廢，因此該鑄件在澆注系統(tǒng)設(shè)計(jì)以及生產(chǎn)操作中既要考慮到能夠有效補(bǔ)縮和充型，同時(shí)還須盡量減少鑄件變形，難度較大。

圖1 小內(nèi)環(huán)結(jié)構(gòu)圖Fig. 1 Small inner ring structure diagram

1 試制方法

試制生產(chǎn)均采用熔模無(wú)余量精密鑄造工藝，蠟?zāi)Ｖ谱鞴ば蚴瞧渲兄匾目刂乒ば?，?jīng)過(guò)反復(fù)試驗(yàn)，研究了射蠟溫度、射蠟時(shí)間、射蠟壓力對(duì)蠟?zāi)３湫托阅艿挠绊?。結(jié)果表明，射蠟溫度、射蠟壓力以及射蠟時(shí)間都是影響充型性能的直接因素[2]。本工藝模具自制，采用162型中溫蠟料，在IC35型壓蠟機(jī)上進(jìn)行壓注（壓注參數(shù)見(jiàn)表1）。蠟?zāi)９ば蛑行鑷?yán)格控制變形，特制蠟?zāi)３C形塊，保證蠟?zāi)＜哪＞咧腥〕黾捶胖糜诔C形塊上嚴(yán)控尺寸，定型后再取下修件組樹(shù)。

表1 外環(huán)蠟?zāi)鹤?shù)表[3]Table 1 External ring wax mold injection parameter table[3]

澆注系統(tǒng)取決于鑄件自身的結(jié)構(gòu)[4]，外環(huán)鑄件薄壁結(jié)構(gòu)較多，極易變形，故采用小澆口多排布的組樹(shù)方式（見(jiàn)圖2），不僅保證局部厚大部位的補(bǔ)縮，而且考慮澆口設(shè)置對(duì)于鑄件產(chǎn)生的應(yīng)力需相互制約保持平衡，以控制形變。

圖2 澆注系統(tǒng)示意圖Fig.2 Schematic diagram of the gating system

熔模精密鑄造型殼質(zhì)量要求高，型殼的強(qiáng)度、透氣性、導(dǎo)熱性、熱震穩(wěn)定性、熱化學(xué)穩(wěn)定性和脫殼性等都會(huì)對(duì)鑄件產(chǎn)生重要影響。本工藝中涂料是保證鑄件外觀質(zhì)量的關(guān)鍵，分為三部分，面層型殼采用硅溶膠粘結(jié)劑+325#的氧化鋯粉[5]制成，過(guò)渡層和背層型殼分別采用不同目數(shù)的硅溶膠+莫來(lái)石粉涂料制成，小內(nèi)環(huán)壁薄，需快速澆注成型，保證型殼強(qiáng)度且考慮經(jīng)濟(jì)性，涂料6～9層。

冶煉是保證鑄件冶金質(zhì)量的關(guān)鍵工序，要求流暢充型，順序凝固，及時(shí)補(bǔ)縮，造型工藝為填砂造型（見(jiàn)圖3），合金材料為ZG1Cr17Ni3，該材料母合金采用真空感應(yīng)爐熔煉[6]，鑄件采用真空感應(yīng)熔煉爐澆注，模溫950～1000 ℃，澆溫1570～1600 ℃。鑄件經(jīng)切割打磨、熱處理后，采用熒光X光檢驗(yàn)無(wú)損手段檢測(cè)是否存在疏松、夾渣、氣孔、裂紋等缺陷。

圖3 小內(nèi)環(huán)造型圖Fig. 3 The Small inner ring modeling

2 工藝討論

2.1 試制結(jié)果討論

完成一輪試制生產(chǎn)后，鑄件存在以下問(wèn)題：

（1）鑄件變形問(wèn)題

熔模鑄造由于其工藝所決定工序多,生產(chǎn)周期長(zhǎng),影響變形的因素很多,容易造成精鑄件變形。精鑄件變形不僅給清理和精整工序增加了很大工作量,若控制和處理不當(dāng)會(huì)造成較多廢品。所謂變形是指經(jīng)澆注、清理后的鑄件形狀和尺寸與圖樣不符[7]。如圖4所示，本實(shí)驗(yàn)結(jié)果中精鑄件呈現(xiàn)出橫向尺寸超下差，且橫向尺寸由下而上逐漸變??；縱向尺寸超上差。分析原因：① 鑄件圓拱形的結(jié)構(gòu)對(duì)橫向外壁有內(nèi)生拉應(yīng)力；② 組樹(shù)過(guò)程中工人拿件的方式不正確，直接拿捏了橫向外壁；③ 縱向澆道的設(shè)置數(shù)目較多，拉力較大。

圖4 鑄件變形情況分析Fig. 4 The analysis of the deformation of the castings

（2）局部角落出現(xiàn)鋼豆問(wèn)題

小內(nèi)環(huán)形狀復(fù)雜，多凹角部位，涂料過(guò)程中，料漿難涂掛，易產(chǎn)生氣泡或料漿堆積，導(dǎo)致鑄件在相應(yīng)位置產(chǎn)生鋼豆（見(jiàn)圖5），打磨困難，耗費(fèi)工時(shí)。分析原因：① 蠟?zāi)＝锹涑筒粡氐?，料漿與蠟?zāi)＜耐繏煨圆缓?，?dǎo)致在型殼內(nèi)部尖角處產(chǎn)生空腔所致；② 鑄件凹角結(jié)構(gòu)較多，批量時(shí)難以逐個(gè)檢查。

圖5 部分凹角部位Fig. 5 Concave angle

（3）局部疏松和裂紋問(wèn)題

澆注結(jié)果顯示合格率僅為17%，報(bào)廢主要原因?yàn)榱鸭y和疏松缺陷（見(jiàn)圖6）。分析原因有以下幾點(diǎn)：① 澆道厚度較薄，導(dǎo)致鑄件厚大部位補(bǔ)縮不及時(shí)，出現(xiàn)疏松缺陷；② 內(nèi)澆口截面積較小，高度方向較長(zhǎng)，補(bǔ)縮效果差；③ 底注式的澆口，補(bǔ)縮效果較差[8]; ④ 應(yīng)鑄件結(jié)構(gòu)要求，薄厚相接處缺乏合理過(guò)渡，產(chǎn)生微裂紋。

圖6 無(wú)損檢驗(yàn)出的冶金缺陷Fig.6 Metallurgical defects in nondestructive testing

2.2 工藝優(yōu)化

針對(duì)澆注結(jié)果顯示的問(wèn)題，采取措施如下：

（1）蠟?zāi)９ざ胃倪M(jìn)措施

① 蠟?zāi)＜哪＞咧腥∠潞笾糜诔C形塊上控制尺寸，定型后取下修件；② 修件過(guò)程中不得拿捏鑄件外輪廓；③增加疏松部位內(nèi)澆口的尺寸，易于補(bǔ)縮；④ 鑄件組合完每組抽檢一件輪廓尺寸，不合格的該組不得繼續(xù)下一工序。

（2）涂料工段改進(jìn)措施

① 面層掛料漿之前，采用專用試劑浸潤(rùn)鑄件組[9]，增強(qiáng)料漿貼附性；② 調(diào)節(jié)或降低涂料面層料漿的粘度，使蠟摸易于涂掛，減少氣泡。

（3）冶煉工段改進(jìn)措施

① 提高模溫，避免鑄件冷卻太快，來(lái)不及補(bǔ)縮；② 快速澆注，提高鑄件質(zhì)量。

（4）工藝優(yōu)化措施

研制過(guò)程中通過(guò)以上對(duì)各工序的嚴(yán)格控制，保證了鑄造工藝分析中可能出現(xiàn)的裂紋、鋼豆、變形以及大部分疏松等問(wèn)題，但仍存在局部疏松嚴(yán)重的情況（見(jiàn)圖7），分析原因有以下幾點(diǎn)：① 鑄件該部位均位于整個(gè)澆注系統(tǒng)的外側(cè)，距離中心補(bǔ)縮通道較遠(yuǎn)，壓頭不足；② 內(nèi)澆口截面積較小，高度方向較長(zhǎng)，補(bǔ)縮效果差；③ 底注式的澆口，補(bǔ)縮效果較差。

圖7 局部疏松缺陷Fig. 7 Shrinkage and shrinkage defect

根據(jù)上面的分析以及反復(fù)試驗(yàn)的結(jié)果，針對(duì)疏松缺陷，優(yōu)化工藝，增厚主要澆道尺寸，并提出三種優(yōu)化方案：① 底面小澆口的截面積改大；② 在疏松部位的上部側(cè)面添加兩個(gè)小澆口用以補(bǔ)縮；③ 去除底部澆口，在該疏松部位側(cè)面添加一個(gè)的小澆口；各方案的結(jié)果見(jiàn)圖8：

圖8 優(yōu)化方案及其效果圖Fig. 8 Optimization scheme and its effect diagram

如圖8所示，三種優(yōu)化方案及其結(jié)果：① 加大澆口無(wú)法改善疏松問(wèn)題，反而增大鑄件熱節(jié)，導(dǎo)致薄厚不均，引發(fā)裂紋問(wèn)題；② 側(cè)面增設(shè)2個(gè)小澆口補(bǔ)縮，由于所在部位為薄壁處，未能有效補(bǔ)縮下方凸臺(tái)，反而在薄壁處引發(fā)疏松問(wèn)題，補(bǔ)焊后難以打磨成型而報(bào)廢；③ 去除下側(cè)澆口，改側(cè)面一個(gè)澆口，能夠改善鑄件該部位80%左右的收縮問(wèn)題，其余需輕微補(bǔ)焊保證質(zhì)量，考慮成本經(jīng)濟(jì)性，協(xié)商放過(guò)，通過(guò)挖補(bǔ)修復(fù)。通過(guò)以上工藝的分析以及澆注結(jié)果，方案③可使鑄件獲得較好的冶金質(zhì)量和綜合力學(xué)性能，鑄件成品率較高。綜合考慮工時(shí)成本，選用此方案批量生產(chǎn)。澆注系統(tǒng)圖如圖9所示：

圖9 最終澆注系統(tǒng)示意圖Fig. 9 Schematic diagram of the final gating system

（5）變形問(wèn)題改進(jìn)措施

綜合工藝優(yōu)化和工段控制后，鑄件仍存在變形問(wèn)題（見(jiàn)圖10），圖中橫向垂直距離尺寸（2）＞（1）＞（4）＞（3），因澆道設(shè)置及鑄件結(jié)構(gòu)所致，考慮交貨期限及材料工時(shí)成本要求[10]，采用冷矯形的方式后期矯正尺寸，矯形在鑄件熱處理狀態(tài)下進(jìn)行，特制矯形塊，避免震擊擠壓易形成微裂紋部位，矯形后去應(yīng)力，重復(fù)熒光X光檢驗(yàn)，百分之百檢驗(yàn)鑄件輪廓尺寸。

圖10 輪廓尺寸檢測(cè)部位Fig.10 Contours size detection site

3 結(jié)論

采用本文優(yōu)化工藝控制生產(chǎn)的ZG1Cr17Ni3不銹鋼小內(nèi)環(huán)鑄件，經(jīng)過(guò)熒光檢驗(yàn)、X光探傷、尺寸檢驗(yàn)、硬度檢驗(yàn)，鑄件達(dá)到了技術(shù)條件的要求，具體結(jié)論如下：

1）采用復(fù)合澆注系統(tǒng)，小澆口多排布，蠟?zāi)？刂谱冃危苛险{(diào)整或降低料漿粘度提高面層質(zhì)量消除氣泡，避免出現(xiàn)鋼豆，冶煉快澆等手段保證鑄件質(zhì)量。

2）采用鑄件熱處理狀態(tài)下冷矯形的方式保證最終的鑄件尺寸，部分矯形后出現(xiàn)裂紋問(wèn)題，有待改善。

3）通過(guò)改進(jìn)鑄造工藝，選擇合適的模殼溫度和澆注溫度，消除了大部分疏松和熱裂缺陷，得到質(zhì)量合格、性能優(yōu)良的鑄件。

參考文獻(xiàn)

[1] 衣春雷. 熔模鑄造薄壁鑄件工藝優(yōu)化的實(shí)驗(yàn)及數(shù)值模擬研究 [D]. 青島: 青島理工大學(xué), 2012.YI Chun-lei. Casting experiment and numerical simulation of Thin-walled Casting Process Optimization of [D]. Qingdao:Qingdao Technological University, 2012.

[2] 周李明, 王峰, 王東, 等. 工藝參數(shù)對(duì)蠟?zāi)３尚涡阅艿挠绊?[J]. 特種鑄造及有色合金,2017, 37(2): 173-175.ZHOU Li-ming, WANG Feng, WANG Dong, et al. The influence of process parameters on the formability of wax mold [J].Special casting and nonferrous alloys, 2017, 37 (2): 173-175.

[3] 梁艷峰, 董晟全, 丁宏, 等. 復(fù)雜薄壁件熔模鑄造制模工藝的研究 [J]. 鑄造, 2010, 59(8): 800-802.LIANG Yan-feng, DONG Sheng-quan, DING Hong, et al. Research on investment casting process for complex thin-walled parts [J]. Casting, 2010, 59(8): 800-802.

[4] 陳超, 吳曉. 非晶合金微塑性振動(dòng)輔助成形研究現(xiàn)狀 [J]. 新型工業(yè)化, 2018, 8(1): 49-56.CHEN Chao, Wu Xiao. Research status of amorphous alloys in micro plastic vibration assisted forming [J]. The Journal of New Industrialization, 2018, 8(1): 49-56.

[5] 陳冰. 精密鑄造常用粘結(jié)劑(三) 第三章 硅溶膠粘結(jié)劑 [J]. 現(xiàn)代鑄造, 1982(4): 47-53, 67.CHEN Bing. Precision casting commonly used binder (three) third chapter silica sol binder [J]. Modern casting, 1982 (4): 47-53, 67.

[6] 孫殿君. 真空冶金裝置(四)—真空感應(yīng)爐 [J].真空科學(xué)與技術(shù), 1985(1): 69-80, 36.SUN Dian-jun. Vacuum metallurgy plant (four)—vacuum induction furnace [J]. Vacuum Science and technology, 1985 (1):69-80, 36.

[7] 尹志廣. 熔模精鑄件變形的預(yù)防及矯正 [J]. 金屬加工(熱加工), 2014(15): 33-34.YIN Zhi-guang. Prevention and correction of deformation of investment casting [J]. Metal processing (hot working),2014(15): 33-34.

[8] 王峰, 班云峰, 徐林清. 澆注系統(tǒng)的設(shè)計(jì) [J]. 現(xiàn)代鑄鐵, 2017, 37(2): 60-65, 79.WANG Feng, BAN Yun-feng, XU Lin-qing. Design of gating system [J]. Modern cast iron, 2017, 37 (2): 60-65, 79.

[9] 鐘潔, 李軍. 微小面積電火花加工鈦合金TC4的表面裂紋研究 [J]. 新型工業(yè)化, 2016, 6(3): 18-22.ZHONG Jie, LI Jun. Research on surface crack of micro area EDM titanium alloy TC4 [J]. The Journal of New Industrialization,2016, 6(3): 18-22.

[10] 王峰, 秦維順, 張春波, 等. 熔模鑄造熔煉車間防止金屬浪費(fèi)的三點(diǎn)措施 [J]. 鑄造設(shè)備研究, 2007(1): 49-50.WANG Feng, QIN Wei-shun, ZHANG Chun-bo, et al. Three measures to prevent metal waste in investment casting smelter[J].Casting equipment research, 2007(1): 49-50.