一种马氏体不锈钢精密铸造工艺

一种马氏体不锈钢精密铸造工艺

许小阳

上海凯腾金属制品有限公司   上海 201812

摘要：马氏体不锈钢是一种兼具有高强度、高硬度良好塑性、韧性、耐腐蚀性的钢种，广泛运用于航空航天，船舶制造，汽车制造，农业机械等领域，在马氏体不锈钢铸造生产过程中容易出现冷裂、表面粘砂、疏松等缺陷，针对这些问题，从铸造工艺中从注蜡、制壳、熔炼、后处理等方面提出保证马氏体不锈钢铸件质量的措施。

关键词：马氏体不锈钢；铸造；注蜡；制壳；熔炼；后处理；缺陷分析

前言：我公司研究马氏体不锈钢主要是因为客户有一款犁刀既需要比较高强度耐磨，又需要具备防腐蚀性能,用于农业机械施肥机器中（图1），该机器是由约翰迪尔研发的大型农业集成机械，材料牌号3Cr13，材料的化学成分（图3）和机械性能（图4）。在该产品（图2）的生产中存在以下难点：马氏体不锈钢有强烈的冷裂倾向；含碳量越高，冷裂倾向越大；浇注温度约高，容易产生表面粘砂；不锈钢收缩性能大，极易产生疏松、裂纹等缺陷；热处理要求高。

                     图1 施肥机                       图2 犁刀

图3   3Cr13化学成分[1]

图4  3Cr13力学性能[2]

1. 铸造工艺方案制定

1.1蜡模制作

根据马氏体不锈钢的特点，我们选用硅溶胶工艺，并且根据零件的结构特点选用中温蜡，中温蜡热稳定性较好、收缩比较小、铸件产品尺寸稳定性好，表面光整；设置了3个冒口（图1.1），可以满足三个热节点都得到补缩。浇注的时候冒口顶部添加发热保温剂并覆盖保温板保温加强了冒口的补缩。

图1.1产品蜡模冒口示意图

1.2蜡模检验和修整

蜡模在焊接组合之前必须经过检验和修整，将蜡模上的毛刺和飞边用刮刀修，用毛刷刷去表面的脏物，清理后应仔细检查外观，蜡模上不允许有外露的缺陷如“流纹、“气泡”等，同时也不应该有蜡滴，几何尺寸应用量具或者检具检验，不合格要求的要修补、校正或报废处理。

1.3蜡模的焊接组合

模组（图1.3）是将挂有模料的直浇口棒放在卡具上，用电热刀把熔模、内浇道、直浇道焊成一体。组装模组是设计浇冒口系统的一个非常重要的环节，因此除了考虑浇冒口系统以外，还应考虑以下几点：

1.3.1模组上熔模沿着直浇道的轴线一定要有一定的斜度（一般为60°~80°），以使熔失熔模时模料便于流出。

1.3.2模组上熔模相互间位置排列整齐，熔模之间要有一定的距离（一般不小于6mm），使制壳和切割工作便于进行。

1.3.3模组的焊接部分不得有间隙或是虚焊，焊接处应平滑且具有足够的强度，避免熔模脱落或者造成“冲砂”的缺陷。

图1.3 模组示意图

2.制壳

2.1型壳材料选定

熔模型壳的强度、透气性、导热性、热震稳定性、热化学稳定性和脱壳性都会对铸件产生重要的影响【4】。型壳是由面层和加固层两部分组成，面层涂料的作用是形成平整、致密、坚实、光滑型壳工作面，这对于保证铸件表面质量和轮廓清晰十分重要【3】，为了获得高质量的型壳面层，面层材料选择锆英粉，规格是80-100目。加固层是型壳的主体，主要是保证型壳具有一定的强度，使型壳在运输、焙烧、浇注过程中不至于开裂，采用莫来粉，规格是30-60目，5层，每层严格按照制壳工艺表，

2.2脱蜡

脱蜡是熔失熔模的过程。，使用蒸汽脱蜡的，压力0.6~0.8Mpa  时间8~10min以免脱蜡时落入型腔。

2.3焙烧

   脱蜡后的型壳存放一定的时间后要进行焙烧，目的是去除型壳中的挥发物如：水份、残留的蜡料、砂和粘土中的有机挥发物，从而减少型壳的发气性和提高它的透气性。焙烧有利于提高液体金属的填充能力，并防止开裂和跑火。

3.熔炼

熔炼是获得铸件最终也是最重要的一个工艺过程，当合格的型壳准备好了，还必须配有良好质量的合金液和正确的浇注工艺，才能获得高质量的铸件。

   按照熔炼工艺表（表3）依次按照化钢水,光谱成份检测，调整成份,脱氧，出钢浇注出钢温度1630-1650℃，浇铸温度应控制在1620℃。

   开箱清理,根据这个马氏体不锈钢的特点,保证保温时间,并且开箱的时候温度要控制在100℃以下。

     冒口切割,工件高温退火后随炉冷却至525±25℃，出炉切割冒口，切割冒口时其他部位用保温板覆盖，防止铸件过快冷却产生裂纹，冒口切割后立即随炉冷却到100℃以下。

4.后处理工艺

马氏体不锈钢含铬量比较高，过冷奥氏体比较稳定，所以这个钢种淬透性比较高，在空冷的情况下可以获得马氏体，为了保证获得比较好的力学性能，采用正火加回火的热处理工艺，为了防止在热处理过程中因应力产生裂纹，要求严格控制升温速度，为了能确保得到完整的马氏体组织，在正火处理是出炉采用风冷让工件尽快冷却到300℃然后再缓冷，正火，回火如下图4：

图4  热处理工艺

5.常见缺陷分析

5.1黏砂

铸件表面牢固的黏结着一层型壳材料，称为黏砂。铸件表面黏砂不仅使铸件表面清理发生困难，表面粗糙度也会随之变差。黏砂形成是一个复杂的物理化学过程。通常按照黏砂层主要成因及其特征分为机械黏砂和化学黏砂两种。

机械黏砂主要是由于液体金属表面张力小，流动性好，在液体金属静压力的作用下，渗入型壳材料颗粒之间的空隙形成的。

化学黏砂主要是由于型壳材料对铸造合金具有化学活性，浇铸后在高温下发生的相互化学作用生产的化学物，黏覆在铸件表面形成的（图5.1）。

图5.1  化学黏砂形成过程示意图

  防止措施：正确选择型壳的耐火材料，面层耐火材料纯度要控制，有害杂质要控制比例，合金熔炼浇铸时，避免氧化和脱氧；可能的条件下，适当降低金属液浇铸温度及型壳温度；改善型壳散热条件，防止局部过热。

5.2夹砂、鼠尾和凹陷

铸件表面局部呈翘舌状金属疤块，金属疤块与铸件之间夹有片状型壳层称为夹砂缺陷；铸件表面呈条纹沟痕，其边缘是圆滑的称为鼠尾缺陷；铸件表面呈现不规则凹陷称为凹陷缺陷如图5.2

图5.2  夹砂、鼠尾和凹陷

防止措施：防止型壳分层，加强层之间的结合力；提高脱蜡介质的温度，缩短脱蜡时间，；型壳过湿的时候，不能高温焙烧；尽量避免铸件大平面结构，避免大平面朝上浇铸。              

5.3结疤（癞蛤蟆皮）

铸件表面有大小不一，圆形小凸起的疤痕块，有时候是单个分散的，有时候呈密集疤块如图5.3

图5.3 结疤

防止措施：减少表面的自由的氧化钠的含量；采用低密度，高粉液比的面层涂料；适当降低金属液和型壳温度。

5.3鼓胀

铸件局部出现鼓胀如图5.3；鼓胀产生的主要原因是型壳常温强度或者高温强度太低，型壳受蜡料膨胀而局部变形；或者浇铸的时候型壳受金属液作用变形。

图5.3 鼓胀

防止措施：严格控制型壳材料的质量；根据铸件大小、形状等特点选择型壳；适当可以增加型壳的层数提高型壳的强度；严格控制制壳工艺，保证型壳质量；改进铸件结构，必要的时候增加加强筋。

5.4金属刺（图5.4）

铸件表面出现分散或者聚集的微小的凸刺。形成原因是型壳面层不致密，浇铸的时候金属液进入

图5.4  金属刺及金属刺形成示意图

防止措施：面层涂料应有足够高的粉液比；改善涂料与熔模的润湿性；面层涂料要保证足够厚度；涂料要充分搅拌均匀；面层涂料硬化前要进行干燥。

5.5气孔

铸件上存在的光滑孔眼缺陷，这种缺陷一般出现在铸件的个别部位，单个或者是较大个出现，通常是加工后发现如图5.5，形成的主要原因是型壳焙烧不充分，浇铸的时候产生了大量的气体侵入了金属液内部；或者是型壳透气性差，型腔中气体难以排出；或者浇铸的时候卷入气体到金属液中。

图5.5 气孔

防止措施：脱蜡的时候要确定将模料排出干净，残余蜡料要尽量减少；焙烧的时候要焙烧充分，并且要有足够的温度；合理设置浇铸系统，避免卷入气体；适当提高浇铸温度浇包与浇口杯的距离。

5.6疏松

    铸件内部有许多细小、分散形状不规则孔壁粗糙的孔眼称为疏松（图5.6）.形成的原因是金属液在型壳内凝固的时候，当合金凝固范围较大就会形成较为宽松的凝固区域，在凝固区域内是按照体积凝固的方式进行凝固。在该区域形成晶核并长大。到了凝固的后期，枝晶生长成骨架，把未凝固的金属液分割成孤立的小熔池，这些金属液凝固时难以得到补缩，从而形成许多细小、分散的小孔。

图5.6 疏松

    防止措施：改善型壳的散热条件，合理设置浇冒口，适当降低浇铸温度，适当改善浇铸的顺序；改进金属液质量，排出有害气体。

5.7热裂

    铸件表面或者内部产生不连续、扭曲、走向不规则晶体裂纹称为热裂（图5.7）。热裂是从铸件表面往里逐渐延伸，有的时候贯穿，热裂是在一定的温度范围内形成的，一般是合金固相线温度以上产生的，但是在该温度范围的上限是随合金的种类、杂质的含量、零件结构以及冷却的条件而不同。

防止措施：正确的设计浇铸系统，综合考虑铸件壁厚均匀，正确控制铸件冷却的速度，正确选择合适的型壳做好这些都能有效的防止铸件热裂。

图5.7  铸件热裂

5.8变形

    铸件铸态几何形状与图纸不符称为变形（图5.8）。铸件变形主要是熔模变形、型壳变形或者凝固冷却变形引起。

图5.8 铸件铸态变形

防止措施：认真检查熔模，如果发现熔模几何尺寸不合格，坚决报废或者修正合格；型壳变形，应采取各种措施，提高型壳抗变形能力，防变形能力；焙烧时型壳不宜多层防止；改善铸件结构，力求壁厚均匀；改进浇铸系统；防止铸件过快冷却；采用合理的热处理工艺。

 6.总结

综上，材料3Cr13马氏体不锈钢在铸造过程中要十分注意细节操作，严格严重工艺流程，控制相关的参数，才能使铸件符合相关的技术要求条件，我们生产的犁刀项目通过市场验证，得到了客户的肯定，为公司取得了良好的经济效益，因此客户有更多的铸钢项目委托我们生产。

参考文献：

【1】.GB/T 1220-2007,P8

【2】.GB/T 1220-2007,P12

【3】.李俊涛，陈兴福，吴剑涛，等.K423A机匣部件精铸工艺研究【J】铸造，2006，55（3）：249-251

【4】孙敏，梁宝帧，熔模铸造【M】，北京理工大学出版，2015，66-67

【5】中国机械工程铸造分会，铸造手册编【M】北京，机械工业出版社，2006

【6】刘振军，不锈钢焊接及质量控制【M】北京，化学出版社，2008

【7】铸造工程师手册编写组，铸造工程师手册机【M】北京，机械工业出版社，2007

【8】郭建民，夏建忠，高强度马氏体不锈钢铸件的铸造【J】,铸造工艺，2010

【9】车顺强，景宗梁，熔模精密铸造实践【M】, 北京，化学出版社，2015