CA15 材質雙吸泵體鑄件裂紋缺陷分析與預防

范振勇，李鏡銀，郭緒鎮(zhèn)

（1.中國船舶重工集團公司第七二五研究所，河南 洛陽 471023；2.洛陽雙瑞特種裝備有限公司，河南 洛陽 471000）

CA15 馬氏體不銹鋼具有良好的綜合使用性能，當強度和塑韌性匹配恰當時，具有較好的抗腐蝕和耐氣蝕性能，價格便宜，被廣泛應用于電廠、核電、化工、海水淡化等行業(yè)。

近年國外泵閥行業(yè)公司在國內擴大CA15 材質工程泵鑄件采購規(guī)模，在我公司訂購了大量該材質的雙吸泵體和多級泵體，重量從幾十千克到5 t 不等，該類型泵體使用壓力大、產(chǎn)品質量要求高。生產(chǎn)過程中發(fā)現(xiàn)，鑄態(tài)情況下泵殼支腳與泵殼交匯處、分流板以及法蘭加工面出現(xiàn)多處裂紋缺陷（如圖1），給公司帶來了較大的質量損失及工期延誤，對公司信譽造成不良影響。本文針對CA15 馬氏體不銹鋼泵體鑄造裂紋缺陷，進行裂紋產(chǎn)生機理分析，并提出針對性的改進預防措施，提升產(chǎn)品質量。

1 裂紋缺陷原因分析

1.1 材質特性

圖1 泵體裂紋缺陷圖

CA15 鋼屬于位錯型馬氏體不銹鋼，相變過程復雜，從鑄態(tài)到最后熱處理過程出現(xiàn)馬氏體相變和逆變奧氏體的轉變等。該鋼種導熱性能差，導熱系數(shù)僅是ZG310-570 的1/3，熱膨脹系數(shù)大，并且在200 ℃以下馬氏體相變（Ms=200 ℃～260 ℃，Mf=室溫～42 ℃）產(chǎn)生浮凸和體積膨脹（面心立方-體心立方），因此使用該鋼種鑄造大型和復雜鑄件時，由于鑄件冷卻過程中，受到組織轉變產(chǎn)生的相變應力和各部位截面厚度不同而產(chǎn)生的熱應力的雙重作用，極易產(chǎn)生冷裂紋缺陷[1]，因此，如果不能掌握其相變規(guī)律而采取相應的合理工藝，不論在鑄造，焊接，熱處理過程中，都存在鑄件出現(xiàn)裂紋缺陷的危險性。

1.2 泵體結構

雙吸泵體結構如圖2 所示，其截面厚薄不均，同時各處相交部位形成較大熱節(jié)。法蘭和支腳厚度較大（≥70 mm），冷卻速度較慢，而附近泵殼壁厚較?。s15 mm），冷卻速度較快，同時厚大截面本身凝固時還存在較大的溫度梯度差。由于溫度梯度的存在，泵體各部位冷卻速率不同，產(chǎn)生熱應力，在厚薄壁交匯處容易產(chǎn)生裂紋隱患。

泵體支腳與泵殼交匯處，支腳厚度是泵殼壁厚的近5 倍，由于空間和位置限制，較難放置冒口補縮，易行成縮松缺陷，鑄造缺陷成為裂紋源，產(chǎn)生鑄造裂紋。

圖2 泵體結構圖

1.3 其他因素

我司使用堿酚醛樹脂砂造型，砂型強度高，泵體砂型和砂芯退讓性不足，且在高溫鋼液沖入型腔后一段時間完成二次硬化保持較高的高溫強度，在收縮受阻位置，砂型和砂芯內部沒有放置退讓性材料比如鋸末或泡沫等，凝固過程產(chǎn)生較大收縮阻力，形成裂紋缺陷。

受鑄件不同截面厚度位置冷卻速度的影響，鑄件澆注完成后過早開箱，冷卻時厚截面的心部與表面及厚薄交接處的溫度差較大，壁薄部位冷卻速度較快，在熱應力的作用下，極易形成裂紋缺陷。

2 改進措施

2.1 熔煉成分選擇

碳元素是影響該鋼種性能較大的元素，隨著含碳量的增加，強度和硬度提高，塑性和韌性下降，特別是抗腐蝕和疲勞性能及各種工藝性能變差，鋼的氫脆危害加劇，偏析程度和鑄造應力增大，集中表現(xiàn)為鑄件的裂紋傾向增大。組織中板條狀馬氏體傾向于平行排列，針狀馬氏體傾向于交錯排列[2]。針狀馬氏體在相互碰撞交錯過程中產(chǎn)生相當大的應力，形成撞擊裂紋。因此，設計成分時，含碳量盡可能控制在板條馬氏體區(qū)域，避免微裂紋的產(chǎn)生。所以在符合標準成分要求、實際生產(chǎn)許可的情況下，碳質量分數(shù)盡量控制在0.1%以下。

硅元素的作用除了影響組織外，還有強化基體的作用，但高硅量又會降低塑韌性，增加裂紋敏感程度，根據(jù)有關資料，13%Cr 鋼中每增加0.1%質量分數(shù)的硅，脆性轉變溫度會提高10 ℃，因此，考慮到生產(chǎn)實際，硅質量分數(shù)控制在0.6%～1.0%之間較好。

硫磷含量對鑄件裂紋影響也比較大，對其質量分數(shù)控制在小于0.02%較好。

綜上所述，制定了主要元素的內控成分范圍，如表1（表中單一數(shù)字表示最大值）所示。

表1 CA15 材質內控成分（質量分數(shù)，%）

2.2 鑄造工藝優(yōu)化

根據(jù)鑄造裂紋缺陷產(chǎn)生原因分析并結合泵體結構特點，對雙吸泵鑄造工藝進行了優(yōu)化，如圖3所示。

1）提升鑄型退讓性。在砂芯內部沿流道方向放置4～5 根φ10 通氣繩，厚大部位加入鋸末團或增加稻草繩，出口法蘭砂芯中心部位掏空，砂型在支腳之間和冒口附近放置泡沫，提升砂型芯退讓性，防止鑄件凝固受阻收縮產(chǎn)生裂紋。

2）合理利用冷鐵。在保證補縮通道暢通的情況下，盡量多使用冷鐵激冷，促使容易產(chǎn)生裂紋部位快速冷卻，增加抗裂紋能力。根據(jù)各處位置的壁厚計算冷鐵厚度，外模支腳根部和各個交接處放隨型明冷鐵直接激冷，芯盒內對應位置隨型放置至少30 mm 厚鉻礦砂，保證冷鐵的激冷能力滿足要求。

3）優(yōu)化澆冒系統(tǒng)。冒口補縮位置偏離鑄件熱節(jié)30 mm 左右，避免人為造成熱節(jié)的增大，降低冒口的補縮作用。使用高效發(fā)熱保溫冒口，以減少冒口的熱影響區(qū)和保證較大的冒口補縮效率。

澆注系統(tǒng)采用底注方式，鋼液平穩(wěn)上升，澆口位置避開支腳和泵殼交接等熱節(jié)位置，同時設計多道內澆口，避免持續(xù)沖刷過熱，降低熱節(jié)處裂紋傾向。

4）后處理流程控制。由于鑄件在凝固期的高溫強度較低，而堿酚醛樹脂砂在高溫下存在二次硬化，對鑄件的凝固收縮存在一定的影響，因此，鑄件澆注0.5 h 后進行松箱和去壓鐵，減少砂型強度原因造成的鑄件收縮裂紋，24 h 后方可開箱落砂，避免鑄件各部分溫差大導致熱應力過大而產(chǎn)生冷裂。

因該材質的裂紋傾向嚴重，因此后期冒口切割時，需加熱250 ℃～400 ℃后快速切割且冒口保留至少10 mm 余高，割后冒口不得移開鑄件，仍放置在冒口根部緩冷，并及時進行熱處理。

圖3 鑄造工藝簡圖

3 焊補過程控制

泵體熱處理采取空冷工藝，各部位冷卻速度不同造成較大的溫度梯度，產(chǎn)生熱應力，局部位置產(chǎn)生微小裂紋，在后續(xù)過程中需要焊接修補。CA15 不銹鋼組織淬硬傾向大和過熱傾向大，焊接工藝性能較差，冷卻時易在焊縫和不完全熔化區(qū)、過熱區(qū)產(chǎn)生裂紋，并在熱影響區(qū)產(chǎn)生粗大的馬氏體組織。焊接需注意要點有：

①焊材選擇。在焊接的循環(huán)作用下，熱影響區(qū)晶粒急劇脹大，從而使焊縫變脆，即使選用的焊接材料與母材匹配的情況下，焊縫金屬也會產(chǎn)生脆化問題，要選用的焊接材料以含Cr，Ni 要高些為宜；

②焊前預熱。焊前將工件預熱250 ℃～400 ℃，改善材料的可焊性，降低焊接接頭區(qū)域的溫差，減弱熱影響區(qū)的淬硬傾向；

③焊中消應力。在焊接時每焊50%～60%要進行錘擊（30～50 次為宜），目的是清除焊接應力，把拉應力變?yōu)閴簯?，防止焊縫裂紋；

④焊后緩冷、及時回火。焊后緩慢地冷卻焊縫和熱影響區(qū)及過熱區(qū)，焊后及時高溫回火熱處理，消除或減少應力，改善機械性能。

根據(jù)前期焊接評定，使用ER410NiMo 焊絲，焊接電流采用140 A～180 A，電壓14 V～20 V，焊接速度控制在12 cm/min～18 cm/min，層間溫度控制在250 ℃～350 ℃.

圖4 優(yōu)化工藝后合格鑄件

4 改進效果

通過改進措施，對實際生產(chǎn)對比和泵體缺陷焊補工藝進行控制，使該材質泵體裂紋基本消除。經(jīng)過表面磁粉探傷，泵體表面只存在極少深度在1 mm～2 mm 的淺表裂紋，完全杜絕了前期發(fā)生在泵體支腳和泵殼交接處貫穿性裂紋和焊后冷裂紋，產(chǎn)品質量獲得客戶極大認可，圖4 為合格鑄件。

5 結論

通過對CA15 馬氏體鋼雙吸泵體的材質特性及結構進行分析，查找裂紋分析原因。經(jīng)過工藝改進和缺陷焊補工藝控制，得到合格鑄造件。