控制水轮机不锈钢铸件裂纹缺陷的措施

徐建渝 张建军

(1.东方电气集团东方电机有限公司，四川618000；2.西华大学材料科学与工程学院，四川610039)

控制水轮机不锈钢铸件裂纹缺陷的措施

徐建渝1张建军2

(1.东方电气集团东方电机有限公司，四川618000；2.西华大学材料科学与工程学院，四川610039)

分析了水轮机不锈钢铸件产生裂纹的原因，并提出了预防措施。

水轮机；不锈钢铸件；裂纹

我公司生产的水轮机关键部件大部分采用的是不锈钢ZG06Cr13Ni4Mo和ZG06Cr16Ni5Mo，这类材质铸造性能较差，流动性差，体收缩和线收缩较大，热应力大，容易产生裂纹。由于水轮机不锈钢铸件内外质量要求高，工况条件恶劣，因此均要求100%磁粉检测、超声检测、渗透检测。因其裂纹倾向大，故生产工艺流程复杂，过程控制困难，一旦铸件产生裂纹，不仅返修工作量大，严重的还可能报废，造成重大经济损失。

1 水轮机不锈钢铸件产生裂纹缺陷的原因分析

根据生产实际情况，分析铸件结构、成分、工艺及出现的缺陷，水轮机不锈钢铸件产生裂纹缺陷的原因主要有以下几个方面：

(1)铸件结构复杂，壁厚不均匀，在凝固和冷却过程中产生的内应力大，特别是在热节处。比如我公司制造的上冠类铸件，由于铸件结构复杂，壁厚过渡不均匀，同时为保证质量工艺上采取了内外两层冒口系统，这些都造成了铸件内应力加大。若不采取相应的措施，极易产生裂纹。

(2)钢水中有害元素(如S、P)、夹杂物、H、O、N等含量偏多。有资料表明钢水中有害元素和夹杂物及气体含量也是造成铸件裂纹的重要原因。

(3)铸造工艺设计不合理，冒口补贴及浇注系统设置不当，使铸件产生缩孔、缩松、气孔、砂眼等缺陷，都易造成铸件基体的割裂和应力集中，从而使铸件产生裂纹。

(4)生产过程中没有严格执行工艺，如保温时间不足，过早开箱等会影响铸件固态收缩，造成应力快速释放，产生裂纹。

(5)铸件在落砂、转运、切割、清理等过程中操作不当也会增加铸件内应力，造成铸件裂纹。

2 预防不锈钢铸件产生裂纹缺陷的措施

铸件内应力主要是由于液态收缩和固态收缩受阻而产生的，此外在铸件打箱、气割浇冒口以及吹、刨、焊、磨等铸件精整过程和后序机加工过程中都会增加内应力。我公司生产的ZG06Cr13Ni4Mo和ZG06Cr16Ni5Mo不锈钢铸件，本身材质就比较脆弱，裂纹倾向大，若内应力越大，铸件产生裂纹的可能性就越大。因此，实际生产过程中必须采取必要的措施来减少和消除其内应力。通过在实践中不断摸索、分析、研究、总结，主要采取以下措施和方法来预防不锈钢铸件裂纹缺陷的产生：

(1)铸造工艺设计要全面考虑铸件的结构、形状、大小、壁厚及其过渡等影响铸件液态和固态收缩的因素，选择适当的工艺参数，防止缩孔缩松等铸造缺陷。铸件的浇冒口系统设计要合理，若要采用冷铁等工艺措施，其安放的部位要合理，既要保证铸件内部组织的致密性，又要尽量避免应力集中的情况产生[1]。

(2)冶炼过程中，尽量降低P、S等有害元素的含量，降低N、H、O等气体和夹杂物含量。在实际生产中，通过采用低磷钢中间合金，起到了较好的效果。

(3)通过适当延长铸件在砂型中的保温时间，主要是控制开箱温度低于70℃，保证铸件在砂型中充分完成液态和固态收缩，避免外力因素造成应力集中的情况发生。

(4)在铸件落砂清理过程中，严禁打箱时向砂型和铸件浇水，严禁采用撞箱等较强外力冲击方式落砂，从而避免外力和铸件内应力相互作用产生裂纹[2]。

(5)根据铸件条件选择适当的热割浇冒口工艺方式，保证热割起始温度不低于300℃。操作时，气割枪和吹氧管不能在铸件表面局部停留时间过长，需振动切割。重要件割后及时用石棉布盖住割口或进炉热处理。对于上冠及轴流式叶片一类结构复杂、工艺上采取特殊措施的铸件，我们采用二次热割的方式，有效的避免了裂纹产生。

(6)开箱后要及时进行热处理。一方面，由于铸件在铸态下组织十分脆弱，若不及时进行热处理，铸件极有可能在生产现场受到其他工件或外力碰撞受损造成裂纹；另一方面，还要根据铸件的结构和最大壁厚确定铸件在热处理过程中的保温时间，保证铸件温度均匀，以使其应力得到充分释放，避免裂纹缺陷产生。生产实际中，根据不同铸件分别采用6 h、8 h、10 h、12 h保温。

(7)在对不锈钢铸件进行缺陷处理时，要坚持预热原则。在吹、焊工序处理时，工件要预热至108℃以上方可进行操作。若发现较大的裂纹缺陷，应先进行去应力退火，再进行处理。处理完以后还要进行一次去应力退火。

(8)对重大不锈钢铸件增加一次最终消除应力退火工序，严格控制保温时间和出炉温度。其目的是减少生产过程中产生新的应力集中，更加彻底地消除铸件内应力，防止裂纹产生。

3 结论

由于工艺设计充分考虑了铸件内应力的影响，生产中采用相关措施，抓好过程质量控制，近年来我公司在现有生产条件下生产的不锈钢铸件质量趋于稳定，特别是大型不锈钢铸件，如整铸导叶、轴流式叶片及上冠等，裂纹缺陷大为降低，不仅提高了内在质量，而且保证了生产周期，大大减少了质量损失。实践证明，这些工艺方案和措施的运用是合理的，有效的。降低和减少铸件内应力对预防不锈钢铸件裂纹缺陷起到了很大的作用。

[1] 黄天佑. 铸造手册[M]. 北京：机械工业出版社，2003.

[2] 铸件清理及热处理问答编写组. 铸件清理及热处理问答[M]. 北京：机械工业出版社，1991.

编辑 杜青泉

1Steel Hydraulic Turbine Castings

XuJianyu,ZhangJianjun

The reasons are analyzed for crack defect of stainless steel hydraulic turbine casting and the preventive measures are put forward.

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2013—10—11

TG245

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