防爆电机壳体铸件浇铸工艺优化

2013-12-10王岳元钱佳征

上海大中型电机 2013年4期

关键词：铸铁铁水静压

王岳元，钱佳征

(上海电气集团上海电机厂有限公司，上海 200240)

0 引言

隔爆型电机通过隔爆外壳来实现防爆目的。隔爆外壳应能够承受通过外壳任何接合面或结构间隙渗透到外壳内部的可燃性混合物在内部爆炸而不损坏，并且不会引起外部由一种、多种气体或蒸气形成的爆炸性环境的点燃。

根据隔爆型电机的防爆原理，组成隔爆外壳的各个零部件的强度、刚度及隔爆接合面的宽度、表面粗糙度、间隙成为保证隔爆型电机的防爆性能的至关重要的因素。

我国在2012年6月开始执行防爆电机的防爆等级新标准，电机壳体铸件的水压试验静压值由原来的1 MPa提高到1.5 MPa。

为此，我们继续采用原来HT250牌号铸件材料的基础上，通过孕育处理方式改变使铸件本体试样的抗拉强度由190 N/mm2提高到250 N/mm2以上，在电机壳体铸件的1.5 MPa静压试验时一次通过。顺利地换取了2012年防爆电机制造新许可证。

1 工艺方案确定和工艺试验

在旧标准中，承受爆炸压力的壳体铸件加工后要进行静压试验，试验压力和试验时间按图纸要求，一般试验压力为1 MPa，试验时间为100 s，以不滴水为合格。

2012年6月国家实行新防爆标准，防爆铸件的试验耐压值由1 MPa提高到1.5 MPa。为了适应新标准，不仅在设计上铸件需作结构优化，更主要铸造工艺上也要作改进提高强度。

仅提高铸造材料牌号虽可以满足设计强度和耐压值要求，但是负面影响也不小。这会降低铁水流动性而影响铸件表观质量，材料会出现硬脆现象，而且提高材料牌号还增加铸造成本，会导致防爆电机产品市场竞争力下降。根据新防爆标准要求，防爆铸件材料牌号必须在HT250以上(含 HT250)。

在综合考虑各种影响因素后，我们决定在工艺上进行改进。HT250是高强度孕育铸铁，一般在铁水浇注前用硅铁(FeSi75)孕育处理。为了提高灰铸铁的强度性能，较有效的措施便是降低铸铁的碳、硅含量。但到了一定程度后，铸铁将按介稳定系统凝固结晶，表现在组织上出现很大的白口倾向，在性能上则反而下降。此时就有必要对铁水进行处理，目的是防止上述情况的发生。实践上采用了这样的工艺措施，即向这种白口倾向较大的铁水中加入一定数量的促进石墨化元素，使凝固过程发生改变——即将原来按介稳定系统凝固的那一部分全部转变成稳定系统凝固。此时，在短时间内人为地增加大量结晶核心，降低了过冷度，使共晶团细化，石墨尺寸及分布得到改善，因而达到了提高铸铁强度地目的，这就是孕育处理［2］。

孕育铸铁的碳、硅含量较低，加上含锰量较高，因此它的基体组织中很少会有大块的铁素体出现，而全是弥散度较高的珠光体或索氏体组织。经过孕育处理后，铸铁共晶团显著细化，单位体积内共晶团数显著增多，因而石墨也就明显细化。一般由于原铁水石墨化能力较低，加上过热后过冷倾向较大，因而石墨常呈过冷型分布。孕育以后，即转变成A型分布(由于过冷度减小之故)。从铸造合金金相图谱中的孕育铸铁的金相组织照片中可以看到，石墨非但变细，分布均匀，而且亦变得较厚，头部变得较圆。因而对基体的缩减作用或是切割作用都比普通灰铸铁中的石墨的作用有所降低。孕育处理前后金相组织见图1及图2。

图1 孕育处理前

图2 孕育处理后

通过试验，测得防爆电机铸铁机座附铸试样抗拉强度仅为190 N/mm2，而单铸试样的强度在250 N/mm2以上。为何两种试验方法会有如此差异?经过分析，除了铸件实际厚度和试样有差异外，主要是孕育衰退有关。

一般的孕育处理的有效时间约12 min左右。由于筋外冷机座等铸件结构的特殊性，1 420℃出炉的铁水孕育处理后直接浇铸会造成散热筋部位严重粘砂而影响表观质量。一般情况要等铁水温度降到1 280℃左右才浇铸。这中间等待时间约20 min。而硅铁(FeSi75)孕育剂的有效孕育时间为10～12 min，超过了孕育有效时间，孕育效果很差导致强度不高。

为了改变现状，在工艺上延长孕育时间应该是最有效方法。因此我们设想采用二次孕育处理来延长孕育时间。具体方法是在铁水出炉时先在浇包内孕育一次，孕育剂使用量约为总量的50%。然后在浇铸时再用50%随铁水冲入型腔，后面进入型腔的孕育剂在铸件凝固时形成结晶质点使晶粒细化，从而明显提高铸件的强度［1］。

经过工艺改进后，浇铸的铸件附铸试样的抗拉强度达到250 N/mm2，已高于国家标准同厚度210 N/mm2的强度标准。经过采用二次孕育工艺浇铸的9台送防爆所测试的防爆电机铸造零件均一次通过1.5 MPa新标准静压试验。进一步的试验也通过了2 MPa静压试验，工艺改进取得明显效果。