不锈钢铸件质量控制实践

（太原重工耐磨件分公司，山西 太原 030024）

关键字：不锈钢；质量控制；工艺设计

奥氏体不锈钢是不锈钢中应用最为广泛，牌号最多的钢种，其生产量和使用量约占不锈钢总量的70%，因其良好的特性越来越受到重视和应用，特别是在核电，化工等行业设备的制造生产中，更是被应用于重要的、关键的零部件。

目前，我单位生产的不锈钢机壳是化工行业制硝酸设备的主要备件。每套机组都分上下两半结构，均为铸钢件，使用时把合而成。由于特殊的工作环境，此类铸件外观质量和内在质量要求都很苛刻。其性能的优劣直接关系着生产线的安全运行，故整个铸件不允许有裂纹、夹砂、缩松、气孔等铸造缺陷；该产品需做水压试验，空气气密性试验，晶间腐蚀检验等，其服役时必须达到100%的可靠性。因此，要保证成功交货，质量的控制十分重要。

本文以不锈钢机壳上半部分为研究对象，其结构如图1 所示，阐述此类铸件的质量控制措施，严格控制化学成分，优化铸造工艺及熔炼热处理工艺等。

1 铸件的质量控制措施

1.1 严格控制化学成分

图1 铸件三维结构图

根据铸件的使用要求，化学成分必须考虑有助于消除缩孔、缩松类缺陷，同时要满足强度，还要对铸件的耐蚀性做综合考虑。

磷（P）和硫（S）是不锈钢中的有害元素，对不锈钢的耐腐蚀性和冲压性都极为不利，因而含量越低越好。

碳（C）在不锈钢中的作用具有两重性，其含量和分布形式，在很大程度上左右着不锈钢的组织和性能。其在不锈钢中对组织的影响主要表现在两个方面，一方面碳是稳定奥氏体的元素，且作用的程度极大，能显著提高钢的强度，另一方面由于碳和铬的亲和力极大，与铬形成—系列复杂的碳化物，从而显著降低钢的耐蚀性。所以，从强度与耐腐烛性能两方面来看，碳在不锈钢中的作用是互相矛盾的。要想得到满足性能的不锈钢，必须找到合适的平衡点，确定最佳化学成分内控标准以满足性能指标。

铬（Cr）是决定不锈钢耐蚀性能的最基本元素。铬能使钢的表面很快形成一层为腐蚀介质不能透过和不溶解的富铬氧化膜，该氧化膜极为致密，并与金属基体结合得十分牢固，保护钢免受外界介质的进一步氧化侵蚀。

镍（Ni）是形成奥氏体的元素，对不锈钢耐腐蚀的影响，只有其与铬配合时才能充分显示出来，在含铬18%的钢中加入9%的镍使钢在常温下获得单一奥氏体组织，并可以提高钢对非氧化性介质的耐蚀性。

为了满足铸件使用要求，最终确定化学成分，如表1 所示。

表1 机壳的化学成分（质量分数，%）

图2 铸件外表面简图

1.2 铸造工艺设计

铸件结构相对复杂，极易产生冷隔，变形，裂纹，粘砂等现象，外表面脐子多（见图2），易产生热节，导致铸件缩孔缩松。

首先运用Solidworks 三维软件做出较为直观的三维立体图，然后用凝固模拟软件Magma 进行充型过程模拟和凝固过程模拟，通过计算机数值模拟可以在实际生产之前得到铸件充型凝固的整个过程，可观察充型是否平稳，还可以预测缺陷产生的部位，针对不同缺陷可以采取相应措施来消除或降低缺陷产生。

1）冲砂和夹渣缺陷。因该材质含碳量很低，含铬量较高，钢水在冶炼和浇注时及易氧化，若浇口设计不当，在浇注过程会有大量气孔卷入型腔造成铸件大面积气孔而报废。浇注系统必须保证钢液平稳、快速、连续进入型腔，并且能顺利排气，一般采用开放式浇注系统，侧注的浇注方式。内浇口必须多而分散，保证在短时间内铸件浇注完毕。浇注系统由陶瓷管连接而成，减少钢水与砂型的接触，防止冲砂和产生夹渣，与铸件接触处全部采用鸭嘴式浇道。

2）缩孔缩松缺陷。机壳进气，排气室呈变截面圆弧状，壁薄且长，若不采取措施，必会产生缩孔缩松，如图3 所示。用曲线法设计加工余量代替补贴，形成补缩梯度，保证自下而上顺序凝固，能防止缩孔缩松，不仅能节约钢水，而且不用去除补贴，能避免采用气割法去除补贴而引起的铸造缺陷。

3）气孔和砂眼缺陷。砂型铸造难以满足局部快速冷却的要求，必须采取措施缩短局部凝固时间，冷铁热导率大，蓄热能力强，生产中在热节处或末端区放置随形外冷铁，来提高冷却速度，增强冒口补缩效果。冷铁使用面使用前需打磨光洁，露出金属光泽，以消除气孔、砂眼等缺陷。

4）变形缺陷。中分面设置多道拉筋，以防止开口处尺寸变大。拉筋在最终热处理后割除。

5）裂纹缺陷。在厚大法兰与薄壁型腔过渡面设置三角加强筋，提早建立强度，防止收缩过程中产生应力不均而导致的裂纹。

图3 铸件凝固过程模拟结果

1.3 热处理

奥氏体不锈钢虽克服了马氏体不锈钢的耐蚀性不足和铁素体不锈钢的脆性过大，但在局部抗腐蚀方面仍存在晶间腐蚀倾向，且含碳量越高，该倾向越大。为防止晶间腐蚀，需使其组织为单相奥氏体，通过固溶处理，将铸件加热至1 050 ℃～1 150 ℃水淬，主要目的是使碳化物溶于奥氏体中，并将此状态保留一定时间快速冷却，使碳化物来不及析出，因而得到单一的奥氏体组织，这会使钢的耐蚀性极大的改善。

2 最终结果

经过大量的工艺准备和严格控制生产过程，所生产铸件落砂后外观光洁，尺寸合理，见图4.对铸件附铸试块进行拉伸，冲击等试验，表2 数据显示，铸件的各项性能指标完全满足客户要求。此外水压试验，气密性试验，晶间腐蚀等均达到使用要求。实践证明，产品达到了预期效果。

图4 落砂后的铸件

3 结论

上述工艺措施的实施，有力保证其生产进度的同时，也积累了许多关于不锈钢冶炼、铸造工艺设计和热处理方面的宝贵经验；这些经验为我公司进军核电、水电行业，打开不锈钢订货市场奠定了基础。

表2 力学性能