范振勇，李鏡銀，郭緒鎮(zhèn)

（1.中國(guó)船舶重工集團(tuán)公司第七二五研究所，河南 洛陽(yáng) 471023；2.洛陽(yáng)雙瑞特種裝備有限公司，河南 洛陽(yáng) 471000）

CA15 馬氏體不銹鋼具有良好的綜合使用性能，當(dāng)強(qiáng)度和塑韌性匹配恰當(dāng)時(shí)，具有較好的抗腐蝕和耐氣蝕性能，價(jià)格便宜，被廣泛應(yīng)用于電廠(chǎng)、核電、化工、海水淡化等行業(yè)。

近年國(guó)外泵閥行業(yè)公司在國(guó)內(nèi)擴(kuò)大CA15 材質(zhì)工程泵鑄件采購(gòu)規(guī)模，在我公司訂購(gòu)了大量該材質(zhì)的雙吸泵體和多級(jí)泵體，重量從幾十千克到5 t 不等，該類(lèi)型泵體使用壓力大、產(chǎn)品質(zhì)量要求高。生產(chǎn)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，鑄態(tài)情況下泵殼支腳與泵殼交匯處、分流板以及法蘭加工面出現(xiàn)多處裂紋缺陷（如圖1），給公司帶來(lái)了較大的質(zhì)量損失及工期延誤，對(duì)公司信譽(yù)造成不良影響。本文針對(duì)CA15 馬氏體不銹鋼泵體鑄造裂紋缺陷，進(jìn)行裂紋產(chǎn)生機(jī)理分析，并提出針對(duì)性的改進(jìn)預(yù)防措施，提升產(chǎn)品質(zhì)量。

1 裂紋缺陷原因分析

1.1 材質(zhì)特性

圖1 泵體裂紋缺陷圖

CA15 鋼屬于位錯(cuò)型馬氏體不銹鋼，相變過(guò)程復(fù)雜，從鑄態(tài)到最后熱處理過(guò)程出現(xiàn)馬氏體相變和逆變奧氏體的轉(zhuǎn)變等。該鋼種導(dǎo)熱性能差，導(dǎo)熱系數(shù)僅是ZG310-570 的1/3，熱膨脹系數(shù)大，并且在200 ℃以下馬氏體相變（Ms=200 ℃～260 ℃，Mf=室溫～42 ℃）產(chǎn)生浮凸和體積膨脹（面心立方-體心立方），因此使用該鋼種鑄造大型和復(fù)雜鑄件時(shí)，由于鑄件冷卻過(guò)程中，受到組織轉(zhuǎn)變產(chǎn)生的相變應(yīng)力和各部位截面厚度不同而產(chǎn)生的熱應(yīng)力的雙重作用，極易產(chǎn)生冷裂紋缺陷[1]，因此，如果不能掌握其相變規(guī)律而采取相應(yīng)的合理工藝，不論在鑄造，焊接，熱處理過(guò)程中，都存在鑄件出現(xiàn)裂紋缺陷的危險(xiǎn)性。

1.2 泵體結(jié)構(gòu)

雙吸泵體結(jié)構(gòu)如圖2 所示，其截面厚薄不均，同時(shí)各處相交部位形成較大熱節(jié)。法蘭和支腳厚度較大（≥70 mm），冷卻速度較慢，而附近泵殼壁厚較?。s15 mm），冷卻速度較快，同時(shí)厚大截面本身凝固時(shí)還存在較大的溫度梯度差。由于溫度梯度的存在，泵體各部位冷卻速率不同，產(chǎn)生熱應(yīng)力，在厚薄壁交匯處容易產(chǎn)生裂紋隱患。

泵體支腳與泵殼交匯處，支腳厚度是泵殼壁厚的近5 倍，由于空間和位置限制，較難放置冒口補(bǔ)縮，易行成縮松缺陷，鑄造缺陷成為裂紋源，產(chǎn)生鑄造裂紋。

圖2 泵體結(jié)構(gòu)圖

1.3 其他因素

我司使用堿酚醛樹(shù)脂砂造型，砂型強(qiáng)度高，泵體砂型和砂芯退讓性不足，且在高溫鋼液沖入型腔后一段時(shí)間完成二次硬化保持較高的高溫強(qiáng)度，在收縮受阻位置，砂型和砂芯內(nèi)部沒(méi)有放置退讓性材料比如鋸末或泡沫等，凝固過(guò)程產(chǎn)生較大收縮阻力，形成裂紋缺陷。

受鑄件不同截面厚度位置冷卻速度的影響，鑄件澆注完成后過(guò)早開(kāi)箱，冷卻時(shí)厚截面的心部與表面及厚薄交接處的溫度差較大，壁薄部位冷卻速度較快，在熱應(yīng)力的作用下，極易形成裂紋缺陷。

2 改進(jìn)措施

2.1 熔煉成分選擇

碳元素是影響該鋼種性能較大的元素，隨著含碳量的增加，強(qiáng)度和硬度提高，塑性和韌性下降，特別是抗腐蝕和疲勞性能及各種工藝性能變差，鋼的氫脆危害加劇，偏析程度和鑄造應(yīng)力增大，集中表現(xiàn)為鑄件的裂紋傾向增大。組織中板條狀馬氏體傾向于平行排列，針狀馬氏體傾向于交錯(cuò)排列[2]。針狀馬氏體在相互碰撞交錯(cuò)過(guò)程中產(chǎn)生相當(dāng)大的應(yīng)力，形成撞擊裂紋。因此，設(shè)計(jì)成分時(shí)，含碳量盡可能控制在板條馬氏體區(qū)域，避免微裂紋的產(chǎn)生。所以在符合標(biāo)準(zhǔn)成分要求、實(shí)際生產(chǎn)許可的情況下，碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)盡量控制在0.1%以下。

硅元素的作用除了影響組織外，還有強(qiáng)化基體的作用，但高硅量又會(huì)降低塑韌性，增加裂紋敏感程度，根據(jù)有關(guān)資料，13%Cr 鋼中每增加0.1%質(zhì)量分?jǐn)?shù)的硅，脆性轉(zhuǎn)變溫度會(huì)提高10 ℃，因此，考慮到生產(chǎn)實(shí)際，硅質(zhì)量分?jǐn)?shù)控制在0.6%～1.0%之間較好。

硫磷含量對(duì)鑄件裂紋影響也比較大，對(duì)其質(zhì)量分?jǐn)?shù)控制在小于0.02%較好。

綜上所述，制定了主要元素的內(nèi)控成分范圍，如表1（表中單一數(shù)字表示最大值）所示。

表1 CA15 材質(zhì)內(nèi)控成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%）

2.2 鑄造工藝優(yōu)化

根據(jù)鑄造裂紋缺陷產(chǎn)生原因分析并結(jié)合泵體結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，對(duì)雙吸泵鑄造工藝進(jìn)行了優(yōu)化，如圖3所示。

1）提升鑄型退讓性。在砂芯內(nèi)部沿流道方向放置4～5 根φ10 通氣繩，厚大部位加入鋸末團(tuán)或增加稻草繩，出口法蘭砂芯中心部位掏空，砂型在支腳之間和冒口附近放置泡沫，提升砂型芯退讓性，防止鑄件凝固受阻收縮產(chǎn)生裂紋。

2）合理利用冷鐵。在保證補(bǔ)縮通道暢通的情況下，盡量多使用冷鐵激冷，促使容易產(chǎn)生裂紋部位快速冷卻，增加抗裂紋能力。根據(jù)各處位置的壁厚計(jì)算冷鐵厚度，外模支腳根部和各個(gè)交接處放隨型明冷鐵直接激冷，芯盒內(nèi)對(duì)應(yīng)位置隨型放置至少30 mm 厚鉻礦砂，保證冷鐵的激冷能力滿(mǎn)足要求。

3）優(yōu)化澆冒系統(tǒng)。冒口補(bǔ)縮位置偏離鑄件熱節(jié)30 mm 左右，避免人為造成熱節(jié)的增大，降低冒口的補(bǔ)縮作用。使用高效發(fā)熱保溫冒口，以減少冒口的熱影響區(qū)和保證較大的冒口補(bǔ)縮效率。

澆注系統(tǒng)采用底注方式，鋼液平穩(wěn)上升，澆口位置避開(kāi)支腳和泵殼交接等熱節(jié)位置，同時(shí)設(shè)計(jì)多道內(nèi)澆口，避免持續(xù)沖刷過(guò)熱，降低熱節(jié)處裂紋傾向。

4）后處理流程控制。由于鑄件在凝固期的高溫強(qiáng)度較低，而堿酚醛樹(shù)脂砂在高溫下存在二次硬化，對(duì)鑄件的凝固收縮存在一定的影響，因此，鑄件澆注0.5 h 后進(jìn)行松箱和去壓鐵，減少砂型強(qiáng)度原因造成的鑄件收縮裂紋，24 h 后方可開(kāi)箱落砂，避免鑄件各部分溫差大導(dǎo)致熱應(yīng)力過(guò)大而產(chǎn)生冷裂。

因該材質(zhì)的裂紋傾向嚴(yán)重，因此后期冒口切割時(shí)，需加熱250 ℃～400 ℃后快速切割且冒口保留至少10 mm 余高，割后冒口不得移開(kāi)鑄件，仍放置在冒口根部緩冷，并及時(shí)進(jìn)行熱處理。

圖3 鑄造工藝簡(jiǎn)圖

3 焊補(bǔ)過(guò)程控制

泵體熱處理采取空冷工藝，各部位冷卻速度不同造成較大的溫度梯度，產(chǎn)生熱應(yīng)力，局部位置產(chǎn)生微小裂紋，在后續(xù)過(guò)程中需要焊接修補(bǔ)。CA15 不銹鋼組織淬硬傾向大和過(guò)熱傾向大，焊接工藝性能較差，冷卻時(shí)易在焊縫和不完全熔化區(qū)、過(guò)熱區(qū)產(chǎn)生裂紋，并在熱影響區(qū)產(chǎn)生粗大的馬氏體組織。焊接需注意要點(diǎn)有：

①焊材選擇。在焊接的循環(huán)作用下，熱影響區(qū)晶粒急劇脹大，從而使焊縫變脆，即使選用的焊接材料與母材匹配的情況下，焊縫金屬也會(huì)產(chǎn)生脆化問(wèn)題，要選用的焊接材料以含Cr，Ni 要高些為宜；

②焊前預(yù)熱。焊前將工件預(yù)熱250 ℃～400 ℃，改善材料的可焊性，降低焊接接頭區(qū)域的溫差，減弱熱影響區(qū)的淬硬傾向；

③焊中消應(yīng)力。在焊接時(shí)每焊50%～60%要進(jìn)行錘擊（30～50 次為宜），目的是清除焊接應(yīng)力，把拉應(yīng)力變?yōu)閴簯?yīng)力，防止焊縫裂紋；

④焊后緩冷、及時(shí)回火。焊后緩慢地冷卻焊縫和熱影響區(qū)及過(guò)熱區(qū)，焊后及時(shí)高溫回火熱處理，消除或減少應(yīng)力，改善機(jī)械性能。

根據(jù)前期焊接評(píng)定，使用ER410NiMo 焊絲，焊接電流采用140 A～180 A，電壓14 V～20 V，焊接速度控制在12 cm/min～18 cm/min，層間溫度控制在250 ℃～350 ℃.

圖4 優(yōu)化工藝后合格鑄件

4 改進(jìn)效果

通過(guò)改進(jìn)措施，對(duì)實(shí)際生產(chǎn)對(duì)比和泵體缺陷焊補(bǔ)工藝進(jìn)行控制，使該材質(zhì)泵體裂紋基本消除。經(jīng)過(guò)表面磁粉探傷，泵體表面只存在極少深度在1 mm～2 mm 的淺表裂紋，完全杜絕了前期發(fā)生在泵體支腳和泵殼交接處貫穿性裂紋和焊后冷裂紋，產(chǎn)品質(zhì)量獲得客戶(hù)極大認(rèn)可，圖4 為合格鑄件。

5 結(jié)論

通過(guò)對(duì)CA15 馬氏體鋼雙吸泵體的材質(zhì)特性及結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，查找裂紋分析原因。經(jīng)過(guò)工藝改進(jìn)和缺陷焊補(bǔ)工藝控制，得到合格鑄造件。