姜作砚 王建立 隋宝 张迪 徐祥瑞
中车大连机车车辆有限公司
摘 要 本文主要阐述汽轮机叶片的工艺设计方案制定、前期验证生产存在的问题和在批量生产中，工艺和操作进行改进。利用不同颜色的定位模块将冷铁定位，解决了铸件缩孔、表面质量差等质量问题。特别是通过倾角浇注和增加铁水静置时间等方法，解决铸件表面线性缺陷的关键技术问题，取得了良好的经济效益，并将本方法成功推广应用。
关键词 定位模块 铸造缺陷 倾角浇注 静置时间 线性缺陷
1 前言
近年来，由于铁路市场日益饱和，公司大力开展多经产品市场，特别是风电、火电市场，要有自己过硬的产品。汽轮机叶片是应用于火力发电燃气轮机的关键产品，其工作环境恶劣，对产品的质量要求极高，技术要求不同于传统铸件，特别是工艺研发阶段，将面临重大难题，所以立项攻关。
2 工艺分析
2.1 结构简介
叶片外形尺寸为1200*180*170，材质为：QT400-15。壁厚差异较大，最厚处180mm，最薄处仅10mm。由于叶片是燃气轮机的动力传输装置，长期处于高温环境，对内部的质量要求也十分严格。整体叶型超声波探伤要求为二级，铸件加工后表面磁粉探伤不允许有线性缺陷。并且根据客户的加工要求，铸件整体加工量必须控制在5mm~6mm的范围内，尺寸和形状精度要求很高。
针对以上条件，我对铸件进行计算分析，决定采用阶梯面分型，使铸件分为两个整体，直接从外型带出，避免使用砂芯，这样能够更好地保证铸件的尺寸精度。在工艺设计时，根据现有砂箱尺寸，采用一箱两件式的布板形式，避免了专用砂箱，大大的节省了工装费用，并且提高了生产效率。并且该布板形式可以应用于尺寸大小相近的其他型号叶片，通用性很高。
2.2 工艺参数制定
工艺方案确定后，根据铸件的重量、结构制定工艺参数。
浇注时间t：通常是根据生产经验确定的,是浇注铸件的质量控制标准之一,尤其对于中、小件及薄壁铸件更为重要。合理的浇注时间，能使铸型内的气体顺利的排出，不容易冲坏铸型，但也不至于浇不满。
综合铸件结构考虑，内浇口形式采用预埋陶瓷管的方法，φ30内径，每个铸件两道内水口。浇注系统各组员截面积的确定。叶片的浇注系统应尽量引导铁水平稳充型，避免产生紊流、卷气等现象，所以采用开放式浇注系统：∑内>∑横>∑直 ，所以浇注系统截面尺寸为：直浇道： φ50mm，横浇道：46/50*35mm,内浇道：2*φ30mm。采用水口箱挑堵浇注,有利于撇渣和提高充型压头等。
球墨铸铁在冷却过程经过共晶转变时，铁水析出的石墨会引起体积膨胀。经过实验表明，在共晶膨胀过程中，受球墨铸铁本身的铸件大小和化学成分、铸型性质的影响特别大。经试验测定凝固时，球墨铸铁的共晶膨胀力可达到5.7～10MPa。如果金属液周围树脂砂型强度足够大，膨胀的铁水向内部发展，直接压缩金属晶间空隙，完成自我补缩，减少缩松倾向。此产品材质为QT400-15，采用的树脂砂型硬化强度远远大于潮模砂，充分硬化后，强度可达到1.0～1.5Mp以上，满足了型腔强度大，壁厚均匀的基本条件。再有效的控制铁水成分与浇铸温度，即可达到设计要求。
在局部存在的厚大区，需要冷铁来平衡温度场。我们从模拟分析可以看出,尽管金属液成分组成、树脂砂型芯刚度等条件都是影响缩松的产生的因素。但还需从优化冷铁工艺来解决铸件局部厚大的缩松问题。工艺辅助的方法是提高整个铸件厚大局部的冷却速度,使铸件均衡凝固，减小产生缩松的倾向,加大缩松部位的冷却效果消除缩松。采用增加冷铁方案,减小该区域的热节效应,有利于减小缩松。
3 工艺改进
试制过程中,由于模型上没有清晰的冷铁定位装置，操作的随意性较大，容易导致冷铁位置偏移。而该产品对铸件内部质量较高，冷铁的稍微偏移即可导致铸件出现缩松缺陷，以及铸件表面不够平整，加工余量过大。所以我决定在模型上使用不同颜色的定位模块进行标记。原冷铁定位的方法，是在冷铁放置的位置，用记号笔画出表识，长时间使用，标识就会模糊不清，制芯过程中摏砂，也会将冷铁移位，造成冷铁定位不准，达不到预期效果。所以考虑直接在模型上钻孔，然后镶入色差较大的定位模块，以便操作人员识别。并通过对操作人员的培训，讲解冷铁的使用原理以及冷铁摆放的注意事项，规范操作，避免铸件出现内部缩松等铸造缺陷。改进后，铸件内部质量能够达到超声波探伤的一级标准，并且由于缩松缺陷导致铸件废品率为0%。每年节约废品损失50万余元。
4解决铸件加工后表面线性缺陷
后期批量生产的过程中发现，叶片加工后经磁粉探伤，表面出现图示线性缺陷，且出现该缺陷的概率为65%左右，优质品率仅为35%。经过和客户协商，此类浮渣缺陷需要打磨掉，并且打磨量要控制在壁厚的10%以内，增加了打磨工时，增加了被索赔成本，严重影响了客户对车间的质量评价。
经过分析，叶片加工后表面出现的浮渣为铁水的二次氧化渣，由于该产品对球化率要求较高，大量的孕育剂和球化剂的加入易造成二次氧化渣，且由于工艺的需要，大量使用石墨冷铁以保证铸件内部质量，但是铁水充型后迅速冷却，氧化渣没有充分时间上浮，所以在铸件表面形成夹渣缺陷。
针对上述原因制定如下改进方案：
①倾角浇注。为了保证铁水充型平稳，以及有利于在型腔内形成的二次氧化渣上浮，现将浇注位置的远端垫起一定高度，并在最高端放置冒口，使形成的二次氧化渣聚集在冒口处，避免了在铸件表面出现线性缺陷。
②增加铁水静置时间。叶片的铸造工艺使用的是水口箱挑堵浇注。即先将铁水翻进水口箱内，且同时进行随流孕育。待翻入整箱铁水后，撒聚渣剂聚渣，然后挑堵浇注。这样既能保证铁水的充型时间，又能有效的避免铁水渣进入型腔。在此浇注方式的基础上，现在铁水翻入浇口箱后，增加一个静置时间，这样能够在保证随流加入的孕育剂完全溶解的同时，又能让氧化渣有充分的时间上浮，然后撒聚渣剂聚渣后，再进行挑堵浇注。静置时间的确定既要考虑避免铁水球化处理后出现球化衰退，又要保证铁水内的二次氧化渣有充分的时间反应和上浮，现将静置时间定为15S。
③增加热风加热环节。经过以往的数据分析，冬季生产的铸件易出现夹渣缺陷，特别是叶片铸件，大量的使用石墨冷铁，且环境温度较低，合箱后型腔温度有时会在0℃以下，当铁水进入型腔后，由于较大的温度差以及石墨冷铁的激冷效果，使铁水快速凝固，所以铁水内形成的氧化渣不能够上浮，所以出现夹渣缺陷。现在合箱后，从直水口处使用热风机增200℃左右的热风加热一小时，使型腔温度达到30~40℃左右，再进行浇注。这样降低了铁水进入型腔的温度差，以达到降低氧化的目的，以减少氧化渣的形成，且能够有利于氧化渣的上浮，从而避免夹渣缺陷。
经多次工艺验证试验，最终确定工艺参数，将铁水静置时间规定为15S，热风温度为200℃，加热时间为1小时。经过一段时间的效果检查，二次氧化渣缺陷基本消除，铸件加工后磁粉探伤优质品率明显改善。下图是每批叶片订单MT检查的优质品率，上述工艺改进从Lanxi4订单开始实施，之后生产的叶片优质品率均达到90%以上，以此基本可以判断上述工艺改进基本能够达到目标，后续仍需进行持续质量追踪。
5 总结
5.1 根据现有砂箱尺寸进行模型布板，有利于节省工装费用
5.2 利用不同颜色的定位模块将冷铁定位，解决了铸件缩孔、表面质量差等质量问题；
5.3 通过倾角浇注和增加铁水静置时间等方法，解决铸件表面线性缺陷的关键技术问题；
参考文献:
[1]铸造手册 铸造工艺 第五卷.机械工业出版社；2003(1)
[2]铸造手册 造型材料 第四卷.机械工业出版社；2003(1)