不锈钢叶轮铸造工艺设计论文

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1叶轮树脂砂造型工艺设计

本文拟生产的马氏体不锈钢叶轮材质为ZG1Cr13Ni。该材质浇注温度高，砂型铸造易产生表面粘砂；由于缩性大，极易产生缩松、裂纹和晶粒粗大等铸造缺陷；此外，其冷裂倾向也较严重。图1和图2分别是马氏体不锈钢叶轮毛坯尺寸和三维实体。由图可见，该铸件属于结构复杂件，一方面是壁厚不均匀，厚壁和薄壁之间尺寸相差较大，补缩、收缩应力等问题需在工艺设计时特别关注；另一方面是存在各种曲面，而且曲面处壁厚极不均匀且相对较薄，因此，工艺设计时要充分考虑保证充型的完整性。根据叶轮铸件的结构特点，本文选择了两箱造型法，并将铸造分型面设置在叶轮中间部位，分型面位置见图3。铸件顶端壁厚较厚，应考虑在该位置添加冒口。铸件的凝固时间取决于它的体积V和传热表面积A的比值，其比值称为凝固模数。

2叶轮铸造工艺设计与优化

2.1马氏体不锈钢叶轮铸造工艺模拟分析

采用有限元分析软件对铸造工艺进行模拟，铸件模型选择的材料为马氏体不锈钢，砂箱模型选择的材料为树脂砂，铸件与砂箱之间的换热系数为500W/（m2•K），浇注温度为1560℃，充型速度为42kg/s，浇注时间为27s，热传递方式为空气冷却，设置重力加速度为9.8kg/s2，初始条件为金属液温度1560℃、砂箱温度25℃，运行参数采用默认设置。叶轮充型过程模拟结果见图5。可以看出，金属液充满浇道，整体充型平稳，见图5a。当浇注完成后，铸型内腔全部被充满，不存在浇不足现象，见图5b。模拟结果表明，该铸件的铸造工艺设计方案保证了浇注过程的平稳性，也保证了铸件形状的完整性，说明浇注系统设计合理。图6为铸件浇注265s后透视状态图，可以发现，叶轮下端圆环、分型面中心部位交界处存在缩孔，且个别叶轮侧冒口底端存在封闭的高温区间，该位置也可能出现缩孔。由此可见，该工艺设计方案在保证铸件补缩方面还存在设计不足。因此，原设计方案必须改善冒口设计，或者采取必要的工艺补救方案。

2.2工艺优化

针对初始设计工艺所出现的缺陷问题，对叶轮铸造工艺进行优化。考虑在叶轮底端圆环和叶轮中心位置出现的缩孔，我们分别在叶轮底端加入圆环形冷铁，在叶轮中间部位六个侧冒口之间加设楔形冷铁。改进后叶轮铸造工艺图如图7所示。对改进后的工艺方案进行模拟，工艺改进后的叶轮充型模拟结果。当充型开始14s时，充填部位型腔内金属液完全充满浇道，充型平稳，没有明显飞溅，见图8a，说明浇注系统设计仍能保证充型的平稳性；图8b是充型至27s时（充型完毕）的状态图，可以看出，金属液已完全充满型腔，型腔内不存在浇不足等缺陷。

3结论

（1）不锈钢叶轮铸件选取阶梯式浇注方式和开放式浇注系统，可以保证铸件充型过程中金属液的平稳性及充型后的铸件形状完整性。

（2）不锈钢叶轮铸件直接采用明冒口和暗冒口不能完全防止铸件内产生缩孔与缩松，当冒口与冷铁配合使用时可以消除缩孔与缩松。

（3）浇注实验表明，采取本文优化设计的铸造工艺方案可以获得形状完整、没有内部缺陷的叶轮铸件。

作者:黄宏军曹阳王好强郑文涛袁晓光单位:沈阳工业大学材料科学与工程学院沈阳铸造研究所