高强度马氏体不锈钢铸件的铸造

2010-01-23郭建明夏建忠

铸造设备与工艺 2010年2期

郭建明，夏建忠

（杭州汽轮铸锻有限公司，浙江杭州 310000）

我公司为马钢重机提供钳口夹头（如图1）、延伸臂、左钳臂和右钳臂等6种马氏体不锈钢铸件，用于8000t油压机配套的100t全液压轨道操作机上，该操作机是集高科技、高技术于一体的尖端设备，由德国DDS公司设计，铸件材质为GX4CrNi13-4+QTⅡ，属低碳高强度马氏体不锈钢，化学成分与力学性能见表1。该钢种具有良好的淬透性、优良的力学性能、腐蚀疲劳强度和动静态断裂韧性，但在生产中存在以下难点：马氏体不锈钢有强烈的冷裂倾向，焊缝及热影响区焊后均为硬而脆的马氏体组织，钢中含碳量越高，冷裂倾向越大；浇注温度高，易产生表面粘砂；不锈钢收缩性大，极易产生缩松、裂纹和晶粒粗大等缺陷，热处理要求高，质量要求高。探伤等级为：超声波探伤符合EN12680-T1，质量等级V2级，磁粉探伤符合EN1369，质量等级S2，着色探伤符合EN1371，质量等级S2。热处理状态（QT2）：1000℃～1050℃正火，500℃～530℃回火。铸件相关参数见表2。

表1 G-X4CrNi13-4+QTⅡ的化学成分和力学性能（质量分数，%）

表2 铸件相关参数

1 铸造工艺方案的确定

1）造型：根据马氏体不锈钢铸造的特点，采用了脂硬化水玻璃砂造型工艺、上锆英粉醇涂料，可以有效地防止铸件表面的增碳和表面显微裂纹的产生。

2）浇冒口系统：设计开放式浇注系统，冒口采用发热保温冒口，浇注时在冒口顶部添加发热保温剂，并覆盖保温板保温，加强冒口的补缩。

3）配料：采用中频炉，炉料必须选用低碳、低硫、低磷的炉料，铬铁采用微碳铬铁，从原料上保证生产出优质的钢水；采用电弧炉熔炼时，也应尽可能降低含硫量，要求将钢水成品的含硫量控制在0.015%以下，含磷量控制在 0.020%以下。

4）浇注：出钢温度控制在1650℃以上，浇注温度控制在1620℃左右；

5）开箱清理：根据该种材质的特点，选用保温时间为14 d，开箱时铸件温度控制在100℃以下；

6）冒口切割：工件高温退火后随炉冷却至325±25（℃）出炉割冒口，割冒口时其它部位应用保温板覆盖，防止铸件过快冷却导致裂纹产生，冒口割除后立即进炉随炉冷却至100℃以下。

2 热处理工艺方案

由于这类钢含铬量较高，过冷奥氏体较稳定。所以这类钢的淬透性比较高，在空冷情况下可获得马氏体组织，为了保证获得较好的力学性能，采用正火加回火的热处理工艺，为了防止在加热过程中因应力产生裂纹，要求严格控制升温速度，为了能确保完全得到马氏体组织，在正火处理时出炉后采用风冷的方法让工件尽快冷却到300℃，然后再缓冷，正火、回火如图2。

3 缺陷焊补工艺

马氏体不锈钢能在退火、硬化和硬化与回火的状态下焊接，无论钢材的原先状态如何，经过焊接后都会在邻近焊道处产生硬化的马氏体区，热影响区的硬度主要是取决于母材金属的碳含量，当硬度增加时，则韧性减少，且此区域较易产生龟裂，因此需对工件进行焊前预热和焊后热处理。

1）缺陷清除

缺陷必须采用碳刨、机械加工或打磨的方法去除，若采用碳刨，则必须将工件整体预热至300℃以上方能进行，否则极易产生裂纹，碳刨后必须采用打磨的方法去除碳刨层。

2）缺陷确认

缺陷清除后必须对缺陷位置进行MT或PT确认，缺陷完全清除后方可进入焊补工序；

3）焊前预热

焊前预热是防止产生冷裂纹的主要工艺措施。因此须工件整体预热至300℃以上；

4）焊补

焊补时须保持工件温度在150℃以上，层间温度控制在250℃～300℃，非焊补区域用石棉包裹保持工件温度，及时清理焊渣并锤击，减少焊接应力；

5）焊接材料

采用低氢型药皮马氏体不锈钢焊条（0Cr13Ni4MoRe）（ER410NiMo-15），焊前须对焊条进行干燥预热，焊条成分见表3。

6）焊接方法

表3 焊条成分（质量分数，%）

手工电弧焊，焊接电流为180A～220A，直流反接。

7）焊后冷却

工件焊后不应从焊接温度直接升温进行回火处理，因为焊接过程中奥氏体可能未完全转变，如焊后立即升温回火，会出现碳化物沿奥氏体晶界沉淀和奥氏体向珠光体转变，产生晶粒粗大的组织，严重降低韧性。因此回火前应使工件先缓慢冷却，让焊缝和热影响区的奥氏体基本分解完。对于刚性小的焊件，可以冷至室温再回火；对于大厚度的焊件，需采用较复杂的工艺；焊后冷至100℃～150℃，保温0.5 h～1 h，然后加热至回火温度（大缺陷采用回火处理，小缺陷采用除应力处理，除应力温度为比回火温度低20℃）。

8）焊后热处理

焊后热处理目的是降低焊缝和热影响区的硬度，改善塑性和韧性，同时减少焊接残余应力，保证组织均匀，减少裂纹倾向。焊后热处理宜采用低温回火，回火温度为500℃～530℃，保温若干小时后出炉空冷。

9）焊后探伤检验

缺陷采用上述工艺焊补后经UT和MT探伤，焊补处未发现任何超标缺陷。