大型不锈钢铸件粘砂及表面烧结机理研究与改进

大型不锈钢(叶片)铸件材质为ZG06Cr13Ni4Mo，属于高铬碱性高合金钢种，由于铸件轮廓尺寸大，几何形状复杂，其生产制造技术长期为少数几家大公司所垄断，国内才开始研制。其中铸件表面出现“釉化，烧结层、界面型砂烧结和粘砂缺陷一直是困扰制造企业的难题之一，由此造成毛坯清理工作量增大，导致铸件缺肉NDT缺陷，降低了铸件的生产制造效率，增加了成本。

铬铁矿砂主要组成物为Fe0·CrzOs，其耐火度大于1900℃，热导率比硅砂大好几倍，在熔融金属浇注的过程中本身发生固相烧结，有的抗钢液渗透能力，用它做面砂，可以获得较好的表面质量。同时，错英粉涂料由于其良好的耐火度、化学惰性、导热率及蓄热系数，在各类厚大铸钢件上应用很普遍。

目前铸造厂家针对高合金钢厚大铸件提高表面质量的方法，主要是面砂采用树脂自硬铬矿砂+错英粉涂料涂敷。但是，铬铁矿砂在防粘砂方面并不总是的，特别是在生产高铬、高锰等高合金碱性钢种铸件时，铬矿砂+错英粉涂料导致粘砂，国内各企业也有所发现(例如武汉汽轮机厂、二重、大连重工、宁夏共享铸钢)，特别是使用酸自硬呋喃树脂铬矿砂(南非)+错英粉涂料，铸件表面易出现“釉化’涂料层、界面型砂“釉化，烧结和粘砂等缺陷。

1缺陷的特征分析

叶片表面“釉化，粘砂有以下3种情况。

1.1表面出现的“釉化，涂料层或烧结层水轮机叶片打箱后将表面的砂子清理干净，在铸件表面出现一层灰白色的表面附着物，用肉眼观察是涂料层。该附着物和铸件表面粘结在一起，用风铲难以清理，抛丸亦难大部分附着物。局部剥离后测量厚度约1~2mm，表观象陶瓷釉，残片断面用砂轮机打磨后可见金属光泽。需要后续气刨处理，造成了缺肉需要焊补，增加了后续的工作量，降低了工作效率。

1.2界面型砂烧结及粘砂

水轮机叶片靠近进水边厚大区域，表面除了上述的“釉化，烧结层外，界面型砂还出现了2050mm厚的烧结层，几乎是使用铬矿砂厚度的2/3，将这种烧结层用气刨的方法从铸件上完整剥离下来后，发现涂料层完好无损，厚度达1一2mm，无金属渗漏的现象。

1.3粘砂

第三种情况和1.2的情况相似，但出现面积和频次较少。其特征是靠近内浇道区域面砂还出现了20一50mm厚的烧结层，把清理下来的粘砂残片打磨抛光后，整个断面出现金属光泽，这种金属光泽分布不均匀，有明显的浓度阶梯，仅在靠近界面处2mm外颜色有逐渐变灰的趋势。从宏观上看，这种“釉化，粘砂缺陷符合机械渗透性粘砂的特征，抛光后的“釉化粘砂烧结层。

不锈钢易氧化、流动性差，浇注温度1570℃以上，浇注后瞬间界面的温度上升到1500℃左右，在高温作用下，铬铁矿砂发生化学反应，析出Fe0，其熔点为1370℃左右，以液相的形式向钢淞砂型界面扩散，部分穿过涂料后和钢液接触(由于错英粉涂料在Fe0作用下烧结温度在1400~1600℃，烧结后涂料开裂，致密度、防渗透性下降)。

2针对缺陷的改进措施及效果

(1)针对渗透性粘砂及界面“釉化”涂料层粘砂，根据其粘砂机理可知，只要提高型砂、涂料在Fe0作用下的耐火度及在高温下的化学稳定性，提高高温高压下的强度和致密度，就可以地阻止钢液渗入砂粒空隙中；同时型砂、涂料化学稳定性的提高减缓了熔渣对涂层及砂粒的润湿，地阻断了钢液的渗透作用，从而达到防止渗透性机械粘砂的目的。

同时，在Fe0作用下的耐火度及在高温下的化学稳定性和致密度的提高，阻断了相关界面发生氧俗还原型的化学粘砂的通道，可以解决界面的“釉化，粘砂及涂料层“釉化，烧结。表3是高温下化学成分较稳定、在Fe0作用下的耐火度较高、适用于大型铸钢件的新型涂料骨料的主要性能对比分析。

(2)针对树脂碳化导致的化学“釉化’粘砂层，改用水玻璃刚玉砂作为面砂，根本上可以解决这种缺陷。但是由于改换粘结剂和型砂等原材料投资较大，需要考虑更换设备等原因，因此不太现实。由于树脂碳化粘砂通常发生在热容量较大的厚大部位及型芯被钢液包围的结构部位，因此采用一些的措施防止树脂在缺氧和高温的条件下碳化，如增加型芯的透气性措施(预埋出气绳、预埋出气循环管等)、设置型芯的强制冷却措施(循环冷却装置)，各个厂家可以根据自己的实际情况选择合理的措施，可以的减少或‘釉化，粘砂层。