（石家莊工業(yè)泵廠有限公司，河北石家莊 050100）

1000 WN 挖泥泵葉輪是挖泥船核心過(guò)流零件，其直徑2 500 mm，水路500 mm，葉片3 枚，葉片厚度80 mm，蓋板厚度72 mm，葉輪輪轂直徑700 mm，最大熱節(jié)圓直徑230 mm，零件重量10.5 t.葉輪用于圍海造田，輸送的介質(zhì)為海水泥漿，含有大量的砂礫、鵝卵石等堅(jiān)硬顆粒，要求耐磨抗沖擊。

1 葉輪化學(xué)成分設(shè)計(jì)

根據(jù)葉輪運(yùn)行工況，其材質(zhì)采用高鉻合金鑄鐵，高鉻鑄鐵體收縮大，熱導(dǎo)率低，塑性差，易產(chǎn)生組織粗大、縮松缺陷[1]，葉輪材料化學(xué)成分中適當(dāng)加入Ni 元素，以提高材料的韌性與淬透性，增加基體強(qiáng)度，防止裂紋[2]。葉輪的化學(xué)成分為：ω（C）2.4%～3.3%，ω（Si）0.5%～1.0%，ω（Mn）0.8%～1.3%，ω（Cr）24%～30%，ω（Mo）0.3%～0.5%，ω（Ni）0.4%～0.6%，ω（P）≤0.1%，ω（S）≤0.1%，葉輪材料以化學(xué)成分作為驗(yàn)收依據(jù)。

2 葉輪鑄造工藝設(shè)計(jì)

2.1 葉輪鑄造工藝

高鉻葉輪鑄造工藝方案以順序凝固為原則進(jìn)行設(shè)計(jì)，如圖1 所示。順序凝固可以使碳化物定向排列從而使得鑄件具有良好的耐磨蝕性能[3]。葉輪采用木質(zhì)模樣，水路中分型，按葉輪水力圖用數(shù)控加工EPS 模型鑲嵌于木質(zhì)芯盒內(nèi)，形成整體砂芯，加工量12 mm，線收縮率徑向2%，軸向1%，工藝出品率72%，葉輪后蓋板及輪轂處采用發(fā)熱冒口，輪轂內(nèi)孔鉻礦砂芯鑄出，階梯式澆注系統(tǒng)，雙包澆注，利用鉻礦砂削除熱節(jié)，減少縮松。

2.2 澆注系統(tǒng)

為減小鑄件澆注過(guò)程溫度梯度差級(jí)，避免鐵水沖砂，鑄件夾砂缺陷的產(chǎn)生，澆注系統(tǒng)采用封閉式階梯狀雙層四道陶瓷澆注系統(tǒng)，F(xiàn)直∶F橫∶F內(nèi)=1.4∶1.1∶1，內(nèi)澆口分散于前后蓋板3/4 外圓上，澆口杯采用閘板式陶瓷澆口盆，如圖2 所示。在澆注過(guò)程中，鐵水流入熔池從阻流閘板下翻出進(jìn)入直澆道，從而起到避渣效果，熔池的形成，可避免鐵水飛濺，加速澆注。

圖1 葉輪鑄造工藝圖

圖2 閘板式澆口杯

2.3 冒口設(shè)計(jì)

葉輪輪轂最大熱節(jié)φ230 mm，以模數(shù)法進(jìn)行冒口設(shè)計(jì)[4]，采用山東圣泉生產(chǎn)的橢圓形發(fā)熱冒口，冒口模數(shù)為熱節(jié)模數(shù)的1.05～1.25 倍，冒口間采用耐火磚進(jìn)行隔離（見圖1），減少澆注過(guò)程熱量的相互傳導(dǎo)而產(chǎn)生冒口下縮松，內(nèi)孔粘砂缺陷的形成。后蓋板設(shè)置3 個(gè)易割發(fā)熱冒口，分別對(duì)齊葉片，其位置在葉輪直徑2/3 處，避免冒口補(bǔ)縮與鑄件收縮過(guò)程中收縮應(yīng)力、相變應(yīng)力疊加值超出材質(zhì)強(qiáng)度而產(chǎn)生的裂紋缺陷。

2.4 鉻礦砂使用

鉻礦砂導(dǎo)熱性強(qiáng)，隨型優(yōu)良，可在熱節(jié)處進(jìn)行鋪覆，能夠有效防止粘砂、縮松、裂紋缺陷，主要在葉輪以下幾處進(jìn)行鉻礦砂鋪設(shè)：前蓋板背葉片處、進(jìn)口處；冒口根部；輪轂根部圓角處；輪轂內(nèi)孔砂芯；葉片與前后蓋板交接圓角處。

2.5 鑄造工藝模擬

對(duì)鑄造工藝設(shè)計(jì)完成后，利用CASTSoft 鑄造工藝模擬軟件對(duì)葉輪溫度場(chǎng)、凝固場(chǎng)進(jìn)行數(shù)值模擬分析，對(duì)縮松、裂紋進(jìn)行預(yù)前判斷[5]，不斷優(yōu)化調(diào)整工藝參數(shù)，最終選取最優(yōu)方案，如圖3 所示，降低了因鑄造缺陷產(chǎn)生廢品的風(fēng)險(xiǎn)，加速了生產(chǎn)周期，節(jié)約了生產(chǎn)成本。

圖3 鑄造工藝模擬分析

3 造型過(guò)程控制

3.1 造型過(guò)程

型砂混制填充注意人工緊實(shí)，型砂中新砂質(zhì)量分?jǐn)?shù)配比不低于80%，24 h“8”字試塊強(qiáng)度不低于0.8 MPa，鉻礦砂與樹脂砂之間吻合連接，不得產(chǎn)生隔層與剝離。

3.2 填砂制芯

芯砂為全部新砂，砂芯終強(qiáng)度不得低于1 MPa，砂芯內(nèi)布置φ20 圓鋼制成隨形芯骨，并且預(yù)埋稻草繩進(jìn)行澆注排氣，打芯完畢，將EPS 實(shí)體葉片從砂芯中人工去除，形成整體砂芯，從而使得葉片厚度、弦距得以保證。

4 涂料涂刷

涂料采用定興涂料廠生產(chǎn)的高強(qiáng)度醇基鋯英粉涂料，波美度數(shù)值控制在60～66，采用噴涂形式，型腔涂掛3 遍，厚度不低于1.5 mm，砂芯涂掛5 遍，厚度不低于2 mm，涂料涂掛均勻，無(wú)堆積與起泡現(xiàn)象。

5 合箱緊固

葉輪下芯進(jìn)行驗(yàn)箱，檢測(cè)其壁厚，葉輪抬箱力56 t，為防止漂芯，將砂芯用M24 的螺絲桿與下砂箱固定，三道密封泥膏封好分型面，合箱完畢，用鎖緊裝置固定好砂箱，上砂箱放置載荷壓鐵，防止抬箱。

6 熔化澆注

鐵水熔煉采用兩個(gè)3 t 中頻爐進(jìn)行，而后倒入10 t 保溫爐內(nèi)進(jìn)行澆前儲(chǔ)備，三爐共用以滿足16 t鐵水用量需求，鐵水在中頻爐中過(guò)熱到液相線以上200 ℃～250 ℃進(jìn)行熔煉，鐵水出爐溫度控制在1 510 ℃～1 530 ℃，澆注前進(jìn)行釩鐵、鈦鐵孕育處理，硅鋁脫氧處理，遵循高溫出爐，低溫澆注原則，澆注溫度1 420 ℃±10 ℃，雙包澆注，兩包鐵水澆注溫差值在10 ℃之內(nèi)，澆注時(shí)間在200 s 左右，澆注過(guò)程注意及時(shí)引燃排氣，澆注后期點(diǎn)澆輪轂冒口，撒發(fā)熱覆蓋劑，澆注完成0.5 h、1 h、2 h 后，分別進(jìn)行三次補(bǔ)澆冒口，以滿足對(duì)φ230 mm 輪轂熱節(jié)高效能補(bǔ)縮，防止縮松。

7 落砂清鏟

澆注完成后3 h 松開砂箱鎖緊裝置，10 h 后適宜扒開輪轂冒口周邊型砂，加速冒口散熱，8 天后打開上砂箱，12 天后將鑄件從砂箱拉出，松動(dòng)下箱型砂，再將鑄件放回型砂內(nèi)，15 天后吊離鑄件待清鏟，落砂前用接觸式測(cè)溫儀進(jìn)行測(cè)溫，待鑄件表面溫度低于200 ℃方可抖箱落砂，而后清鏟打磨，冒口打磨間斷進(jìn)行，連續(xù)打磨時(shí)長(zhǎng)不得超過(guò)2 min，以防止打磨熱量集中而產(chǎn)生裂紋缺陷。

8 軟化退火

葉輪在加工前要進(jìn)行軟化退火處理，退火目的有兩個(gè)。其一，降低葉輪硬度，便于切削加工；其二，均勻成分，降低葉輪淬火升溫開裂風(fēng)險(xiǎn)，縮短奧氏體化保留時(shí)間，減少鑄件淬火后的殘余奧氏體，保證葉輪終硬度。由于葉輪輪轂壁厚達(dá)170 mm，鑄件退火升溫速度前期不超過(guò)50 ℃/h，溫度升至700 ℃以后，升溫加速，但升溫速度不超過(guò)100 ℃/h，退火軟化溫度一般為960 ℃～1 000 ℃.退火組織為奧氏體+馬氏體+碳化物，見圖4.

9 淬火處理

葉輪軟化退火后，進(jìn)行粗車加工，而后進(jìn)行淬火+回火處理，以轉(zhuǎn)化組織，提高硬度，滿足性能要求。淬火處理在升溫階段易產(chǎn)生裂紋缺陷，升溫速度以30 ℃/h 為宜，且采用階梯式升溫模式，在200 ℃、300 ℃、400 ℃、600 ℃停留3 h 使葉輪溫度均勻化，以減弱熱節(jié)帶來(lái)的壁厚不均的影響，且在900 ℃～1 100 ℃保溫16 h 后，拉開爐門進(jìn)行自然空冷，而后進(jìn)行去應(yīng)力回火，200 ℃～250 ℃保溫6 h，自然空冷，其組織轉(zhuǎn)化為回火馬氏體（60%～65%）+共晶及二次碳化物（30%～35%）+殘余奧氏體（＜5%），見圖5.孤立分布的桿狀碳化物對(duì)基體割裂作用較小，使得葉輪韌性較高，大量的碳化物，特別是硬度高達(dá)1 200 HV～1 800 HV，M7C3型碳化物的存在使得葉輪具有良好的抗磨性能。淬火熱處理后的葉輪硬度要≥55 HRC，硬度作為葉輪零件驗(yàn)收依據(jù)，通過(guò)淬火處理，實(shí)現(xiàn)葉輪優(yōu)良的綜合性能，以滿足砂礫、鵝卵石堅(jiān)硬顆粒的沖擊與磨損的使用要求。

圖4 退火態(tài)

圖5 正火態(tài)

10 結(jié)論

歷時(shí)半年，公司成功制造1000 WN 挖泥泵葉輪兩件，如圖6 所示。經(jīng)機(jī)械加工后，沒(méi)有發(fā)現(xiàn)縮松、裂紋缺陷，金相組織、硬度要求、探傷檢測(cè)均達(dá)到了圖紙要求。

圖6 1000 WN 挖泥泵葉輪

通過(guò)合理的化學(xué)成分設(shè)計(jì)，利用鑄造工藝模擬軟件，對(duì)葉輪工藝進(jìn)行前期分析，優(yōu)化改進(jìn)，發(fā)熱冒口的高效能補(bǔ)縮；使用鉻礦砂有效防止粘砂，指定合理的熔煉澆注工藝，過(guò)程控制的嚴(yán)管細(xì)作，退火、淬火處理的有力保障，使得1 000 挖泥泵葉輪高品質(zhì)制造順利進(jìn)行，為大型挖泥泵葉輪的國(guó)產(chǎn)化制造提供了可借鑒的成功經(jīng)驗(yàn)。