程元浩，趙林南，周 凱

（賽普工業(yè)研究院（安陽）有限公司，河南安陽 456400）

雙相不銹鋼指在鋼中既含有奧氏體又含有鐵素體組織的鋼種。目前，在工程上獲得廣泛應(yīng)用的雙相不銹鋼中兩相的體積百分比大致相等，故其兼有奧氏體不銹鋼與鐵素體不銹鋼的特性。與鐵素體不銹鋼和馬氏體不銹鋼相比，其韌性高、脆性轉(zhuǎn)變溫度低，耐晶間腐蝕性能和焊接性能顯著提高。同時，保留了鐵素體不銹鋼導(dǎo)熱系數(shù)高、膨脹系數(shù)小、具有超塑性等特性，在我國石油化工領(lǐng)域大量應(yīng)用。

雙相不銹鋼2205合金具有高強度、良好的沖擊韌性以及良好的整體和局部的抗應(yīng)力腐蝕能力。雙相不銹鋼2205合金與奧氏體不銹鋼相比，2205合金在抗斑蝕及裂隙腐蝕方面的性能更優(yōu)越，具有很高的抗腐蝕能力；熱膨脹系數(shù)更低，導(dǎo)熱性更高；耐壓強度是奧氏體不銹鋼的兩倍。其經(jīng)固溶處理，規(guī)定非比例延伸強度Rp0.2b≧450 N/mm2，抗拉強度Rm≧655 N/mm2，斷后伸長率A≧25%，硬度H B W：≦290.

誘導(dǎo)輪是石油化工領(lǐng)域易損件，采用雙相不銹鋼2205熔模鑄造而成，其化學(xué)成分見表1.圖1為誘導(dǎo)輪的零件簡圖，誘導(dǎo)輪結(jié)構(gòu)復(fù)雜，壁厚不均。其外觀尺寸為φ72 mm/φ152 mm×175 mm，葉片壁厚由根部2.5 mm漸變至0.5 mm，產(chǎn)品質(zhì)量0.6 kg.產(chǎn)品要求：①表面質(zhì)量粗糙度不大于6.3μm，無裂紋、夾渣、氣孔等缺陷；②內(nèi)部質(zhì)量無縮松、縮孔等缺陷；③鑄件：抗拉強度不小于655 M P a，規(guī)定非比例延伸強度不小于450 M P a，斷面延伸率不小于25%，硬度H B W不大于290.

表1 雙相不銹鋼2205化學(xué)成分（質(zhì)量分數(shù)，%）

圖1 誘導(dǎo)輪的零件簡圖

為保證產(chǎn)品質(zhì)量，縮短產(chǎn)品生產(chǎn)周期，使用P r o C a s t軟件數(shù)值模擬誘導(dǎo)輪的充型及凝固過程，保證產(chǎn)品表面質(zhì)量以及內(nèi)部質(zhì)量要求；熔煉澆注過程，通過免固劑的使用，保證了產(chǎn)品力學(xué)性能要求，減少了熱處理工序，以及大大降低了生產(chǎn)成本。

1 誘導(dǎo)輪的熔模精密鑄造

1.1 蠟?zāi)Ｖ谱?/h3>

誘導(dǎo)輪蠟?zāi)２捎?D打印技術(shù)進行激光燒結(jié)而成，這樣完全省去模具設(shè)計及加工的制作過程，縮短產(chǎn)品的生產(chǎn)周期。快速成型件尺寸穩(wěn)定性優(yōu)于中溫蠟。根據(jù)誘導(dǎo)輪結(jié)構(gòu)特點以及雙相不銹鋼2205的材料特點，進行快速成型件收縮率設(shè)計，保證鑄件尺寸在公差范圍內(nèi)。

1.2 澆注系統(tǒng)設(shè)計

根據(jù)誘導(dǎo)輪結(jié)構(gòu)特點以及材質(zhì)鑄造性能等特點，采用頂注式澆注系統(tǒng)，如圖2所示。金屬液從澆口杯注入，有利于形成順序凝固而獲得致密鑄件；具有良好的充型型腔能力，有利于鑄件葉片薄壁處充型。

橫澆道是連接內(nèi)澆道和冒口的中間通道，其作用是分配金屬流、補縮和擋渣，通常在專用壓型中制得，橫澆道形狀為方塊形。

內(nèi)澆道是橫澆道與型腔連接的最短通道。其形狀、大小、數(shù)量、開設(shè)位置不僅影響型殼的充型，鑄件的凝固、補縮、鑄造應(yīng)力和由這些原因所引起的縮孔、縮松、熱裂和變形等缺陷，而且還影響鑄件的清理、加工和表面質(zhì)量。因而內(nèi)澆口設(shè)計是熔模精鑄澆、冒口設(shè)計中最重要環(huán)節(jié)。

根據(jù)鑄件熱節(jié)圓直徑大小采用比例系數(shù)法確定內(nèi)澆道的尺寸。計算公式如下：

式中：Dg—內(nèi)澆道直徑，mm；Dc—鑄件熱節(jié)處熱節(jié)圓直徑，mm；Hg—內(nèi)澆道高度，mm.

內(nèi)澆道設(shè)在鑄件熱節(jié)部位，內(nèi)澆道、冒口凝固遲于設(shè)置部位熱節(jié)，保證鑄件補縮及凝固順序。橫澆道、冒口采用熱節(jié)圓比例法計算。根據(jù)鑄件被補縮部位熱節(jié)圓的直徑確定橫澆道、冒口的尺寸。計算公式如下：

Da1=（1-1.2）Lb，Da1- 冒口根部圓直徑，mm；Lb-橫澆道寬度，mm；

Da2=（1.8-2.5）Da1，Da2- 冒口頂部圓直徑，mm；

Lb=（1-1.2）Dg，Lb- 橫澆道寬度，mm；

Ha=（1-1.2）Hg，Ha- 橫澆道高度，mm；

Hb=（1.8-2.5）Ha，Hb- 冒口高度，mm；

由以上公式及鑄件尺寸選取計算出澆冒口尺寸為：

內(nèi)澆道：Dg=36 mm，Hg=40 mm；

橫澆道：Lb=40 mm，Ha=40 mm；

冒口：Da=48 mm，Da2=120 mm，Hb=100 mm；

圖2 頂注式澆注系統(tǒng)

鑄件中的縮松、縮孔和澆不足等鑄造缺陷與澆注過程中的充型、凝固過程密切相關(guān)，采用鑄造模擬軟件ProCast 對誘導(dǎo)輪澆注系統(tǒng)在熔模鑄造過程中的充型和凝固過程進行模擬計算，在計算過程中充分考慮充型過程中的凝固現(xiàn)象，以及凝固過程中鋼液的流動，以便獲得充型過程中金屬液的流動行為以及凝固過程中更準(zhǔn)確的溫度場分布，從而推斷出各種缺陷的產(chǎn)生原因，進而改善工藝條件，獲得高質(zhì)量的鑄件。

數(shù)值模擬過程中邊界條件的設(shè)置以及材料的熱物理性能參數(shù)的選擇決定模擬計算的準(zhǔn)確與否。澆注系統(tǒng)型殼整體對外界的換熱系數(shù)設(shè)置為100W/m2·K，環(huán)境溫度設(shè)置為30℃；材料2205雙相不銹鋼熱物理參數(shù)見表2.

表2 雙相不銹鋼2205熱物理參數(shù)

模型基本尺寸為310 mm×220 mm×76 mm，采用U G進行幾何建模，用m a s h模塊進行網(wǎng)格劃分，節(jié)點數(shù)為191 202，單元數(shù)為851 057，網(wǎng)格劃分完成后如圖3.圖4為充型完成后，不同時間段的固相率云圖，可以看出，隨著溫度的降低，鑄件整體的凝固方向符合由外向內(nèi)的順序凝固，從圖中可以看出孤立的液相區(qū)處于澆口與橫澆道之間，產(chǎn)品達到順序凝固的目的。

圖3 熔模鑄造誘導(dǎo)輪的幾何和有限元模型

圖4 誘導(dǎo)輪鑄件的凝固和縮松縮孔缺陷圖

通過對充型過程的分析，選擇誘導(dǎo)輪鑄造工藝澆注溫度為1 600℃，模殼溫度1 000℃，澆注速度0.35 m/s.

1.3 硅溶膠型殼制殼

制殼材料為鋯英粉、鋯英砂、莫來砂、莫來粉。

依據(jù)誘導(dǎo)輪鑄件質(zhì)量、體積以及結(jié)構(gòu)等特點，制殼面層為2層，過渡層為2層，加固層為2層。制殼材料目數(shù)：鋯英粉200目、鋯英砂50目、莫來砂100目、莫來粉200目。為保證型殼透氣性，型殼不能太厚，每層厚度1 mm，共6 mm厚。每層干燥程度使用萬用表測量。干燥后使用蒸汽脫蠟釜進行快速脫蠟。

1.4 熔煉與澆注

在澆注之前，將型殼在預(yù)熱爐中進行預(yù)熱，預(yù)熱溫度1 100℃，保溫時間40 m i n～50 m i n.

為保證質(zhì)量合格的金屬液，首先進行檢查熔煉爐等是否正常，并烘干金屬料，通電熔煉，待電流平穩(wěn)時逐漸加大功率，開始熔化爐料。熔化后加入造渣料覆蓋整個液面，對其進行造渣扒渣；升溫至1 580℃～1 600℃進行預(yù)脫氧，加入質(zhì)量分數(shù)為0.2%的硅鈣合金脫氧，脫氧1 m i n～2 m i n；熔煉過程由于鉻有部分燒損，故依據(jù)爐前檢測化學(xué)成分含量以及材料標(biāo)準(zhǔn)含量要求補加質(zhì)量分數(shù)0.4%電解鉻，然后再加入質(zhì)量分數(shù)0.2%不銹鋼免固劑。免固劑可以改變碳原子在不銹鋼中的溶解度，并促進碳原子彌散狀分布；抑制M23C6（含鉻的碳化物）型碳化物從晶間及晶內(nèi)析出；免固劑中大多數(shù)金屬元素都有很強的脫氧、脫硫和除氣凈化功能，可有效地減少鑄件中非金屬夾雜物；增加結(jié)晶核心，可細化晶粒，鑄件組織致密性得到提高。加入量的多少主要依據(jù)供應(yīng)商提供的參數(shù)。

例如：中頻電爐熔煉100kg鋼液則加入0.4kg電解鉻和0.2kg免固劑；熔煉扒渣后再加入覆蓋除渣劑；升溫至1600℃～1620℃進行終脫氧，加入0.1%的硅鈣合金脫氧，脫氧1m i n～2m i n，再加入免固劑0.2kg；清理爐渣，取樣，進行直讀光譜儀快速化學(xué)分析，分析結(jié)果見表3；成分合格后，停電澆注。

澆注完成后，由于采用了保溫冒口以確保補縮效果，并隨爐澆注力學(xué)性能試樣，檢測結(jié)果見表4.對試樣進行腐蝕試驗，試樣一：鑄態(tài)加免固劑雙相不銹鋼2205；試樣二：鑄態(tài)雙相不銹鋼2205；試樣三：熱處理狀態(tài)雙相不銹鋼2205，數(shù)據(jù)見表5.

表3 化學(xué)成分檢測結(jié)果（質(zhì)量分數(shù)，%）

表4 力學(xué)性能檢測結(jié)果

表5 不銹鋼2205腐蝕試驗結(jié)果

2 結(jié)果與分析

通過鑄造模擬軟件ProCast 對誘導(dǎo)輪熔模鑄造過程中的充型和凝固過程進行模擬計算，理論結(jié)果鑄件無縮松縮孔等缺陷問題

鑄件澆注后，化學(xué)成分經(jīng)光譜分析，成分合格；力學(xué)性能經(jīng)拉力試驗機以及硬度儀檢測，符合客戶性能指標(biāo)，見表4；經(jīng)表5驗證，鑄態(tài)加免固劑雙相不銹鋼2205誘導(dǎo)輪耐腐蝕性與熱處理狀態(tài)2205不銹鋼相當(dāng)，滿足要求；內(nèi)部質(zhì)量經(jīng)X光檢測，符合客戶要求，無缺陷；鑄件表面精修及拋丸處理后，經(jīng)熒光檢測，表面無缺陷。

目前鑄件已經(jīng)批量生產(chǎn)。鑄件實際效果圖如圖5、圖6所示。

圖5 鑄件表面質(zhì)量合格

圖6 剖切件內(nèi)部無縮孔縮松

3 結(jié)論

1）通過使用鑄造模擬軟件P r o C a s t對雙相不銹鋼2205誘導(dǎo)輪的充型和凝固過程進行模擬計算。結(jié)果表明：在熔模鑄造過程中選擇合適澆注溫度和澆注速度，保證鑄件無澆不足及內(nèi)部縮孔等缺陷問題；此理論計算與實際生產(chǎn)結(jié)果吻合。

2）熔煉過程中，不銹鋼免固劑的使用，使生產(chǎn)過程無需進行固溶化處理，同樣具有與固溶處理相當(dāng)?shù)牧W(xué)性能及耐腐蝕性能。在保證了產(chǎn)品力學(xué)性能要求下，避免了熱處理過程中產(chǎn)品變形問題，以及大大降低了生產(chǎn)成本。