电渣熔铸GH132合金炉底辊工艺及组织性能

王大威，田 雨，王安国，蒋国森，赵 岭

(沈阳铸造研究所，沈阳 110022)

电渣熔铸GH132合金炉底辊工艺及组织性能

王大威，田 雨，王安国，蒋国森，赵 岭

(沈阳铸造研究所，沈阳 110022)

采用电渣熔铸+热处理工艺，代替铸造+锻造+热处理工艺成功制造了连铸生产线上GH132合金炉底辊，各项力学性能指标均达到设计要求，降低了制造成本.

高温合金;电渣熔铸;渣系;力学性能

电渣熔铸是集钢水精炼与铸造成形于一身的特种铸造方法，具有精炼、顺序凝固及自补缩特点，其铸件质量可达到同材质锻轧材水平.

如文献［1］所说，电渣正向着大型化、精确化方向发展.从工程应用角度，电渣重熔/熔铸正向核电、火电等行业的核心铸锻件领域发展.目前，在中小型曲轴、轧钢支撑辊、空压机连杆等零件的制备方法上电渣熔铸具有明显的优势，并实现了以铸代锻.

1 试验方法及设备

试验电极为GH132高温合金，其化学成分见表1.

表1GH132合金的化学成分(质量分数)Table 1 Chemical composition of alloy GH132(mass fraction) %

试验所用电渣炉额定容量3 000 kVA，额定最大电流24 kA，电压50～125 V，21档有载调压;炉臂有效行程为7 m，横壁承载最大起重量为15 t;垂直升降，快速2.5～3.0 m/min，慢速5～10 mm/min.热处理设备为30 kW电加热热处理炉，性能测试采用WE3－600D型屏幕显示万能试验机，采用XJL－02型立式金相显微镜观察组织.

2 熔渣设计

GH132合金炉底辊渣系的设计涉及诸多因素，主要考虑电渣熔铸过程的稳定、抑制电渣熔铸过程中钛的烧损、保证钛氧化反应均匀进行和熔渣必要的工艺性能等，针对上述影响因素，以CaF2－Al2O3－MgO－TiO2四元渣系为基础进行GH132高温合金支撑辊渣系设计为Al2O3－TiO2－MgO－CaO－CaF2.配比质量分数为:CaF213.5%、Al2O345%、CaO 27%、MgO 7%、TiO27.5%.

采用五元渣系熔铸GH132合金炉底辊试验件试验结果如图1所示.由试验数据可知，采用五元渣系熔铸GH132合金炉底辊试验件钛烧损量在0.17%左右，铸件整体钛分布均匀.

图1 五元渣系熔铸支撑辊试件钛分布图Fig.1 Distribution of Ti for backup roll produced by five constituent slag

3 GH132合金炉底辊毛坯渣沟缺陷的抑制

文献［2］给出了一些高温合金熔铸过程中出现缺陷的统计结论:

(1)含钴质量分数14%～22%的高温合金，不管含多少Al、Ti、W、Mo，其合金锭表面一般无缺陷.

(2)不含Al和Ti的高温合金锭表面无缺陷.

(3)含Al且w［Ti］＜1%的高温合金锭表面一般无缺陷，只有W、Mo的质量分数很高(均为7.5%～9.5%)才产生表面缺陷.

(4)含w［Ti］为2%左右的高温合金，无论其含多少Al，在合金锭下部都易产生渣沟缺陷，当高温合金中w［Ti］达3%时，不仅在合金锭下部易产生渣沟，而且在交换电极处也易产生分流眼和渣沟.根据以上分析可知，高温合金中的Ti是使重熔合金锭产生表面缺陷的根本原因.

GH132合金在重熔过程中，合金中的Ti不断氧化成TiO2进入渣中，可使渣中TiO2的质量分数高达10%～15%，高的TiO2含量使渣的电导率明显增大，这已被Ogino的研究所证实.在高TiO2含量、高电导率渣下进行重熔，若充填比高，则在电极与结晶器壁之间的距离小于两电极的极间距时，电极电压就会击穿熔池渣壳，使电极电流经由上层渣和结晶器壁，从击穿部位回到熔池，在击穿部位形成分流眼.当电流控制不稳、起伏较大时，就会随时在整个铸锭上产生分流眼.而且还会伴随渣沟缺陷.

为此，我们采取如下措施，消除了渣沟缺陷.

①化渣时采用较高功率;②化渣期间少化电极多化渣，尽量提高渣温;③在充分化渣基础上再转入正常重熔电流熔炼;④随正常熔铸过程的进行，降低电压给定值，使炉口电压稳定在57 V.

4 GH132合金炉底辊组织分析

电渣重熔铸锭经720℃持续16 h空冷后金相组织如图2、图3所示，中心部位试样如图2，边缘部位试样如图3.

图2 电渣重熔铸锭经720℃持续16 h空冷后中心组织Fig.2 Center structure of ingot after air cooling at 720℃ for 16 h

对比图2、图3可以看出，中心组织晶粒较为粗大，黑色颗粒物质较多，晶界不明显，经过时效处理后晶界周围有γ'相析出.

由图2及图3可以看出，铸件时效后晶粒周边有黑色颗粒物质.通过分析及对照金相组织图谱可知黑色物质可能为MC型碳化物 (主要是TiC)，它是在合金凝固过程中形成的初生碳化物，呈多角形，沿合金变形方向分布，其中固溶较多的是W和Mo.晶界周围析出少量灰色点状和条状物质，此为在时效过程中重新析出的γ'相.

图3 电渣重熔铸锭经720℃持续16 h空冷后边缘组织Fig.3 Edge structure of ingot after air cooling at 720℃ for 16 h

5 热处理对GH132合金性能的影响

常规热处理后铸件力学性能如表2所示，满足同材质锻件性能要求.

6 结论

(1)保护渣配比质量分数为13.5%CaF2－45%Al2O3－27%CaO－7%MgO－7.5%TiO2时，GH132合金的Ti烧损最小.

(2)最佳熔铸工艺参数:电流为4.0 k A、电压为57 V左右、渣层厚度为150 mm，铸件无渣沟缺陷.

(3)GH132合金的金相组织基体为奥氏体，其晶粒比较粗大，平均晶粒尺寸约为100 μm.此外，还存在较为明显的胞状晶，枝晶以及晶界析出物.

(4)GH132合金轴向拉伸试样抗拉强度平均值为745 MPa，冲击韧性平均值为82.0 J/cm2，沿铸锭的表面到心部，抗拉强度，抗弯强度，冲击韧性，逐渐降低，但合金力学性能的方向性不明显.

表2 时效处理后试样力学性能Table 2 Mechanical property of specimen after aging treatment

［1］傅杰.第二代大型电渣锭电渣冶金技术的发展［J］.中国冶金，2010(5):1－4.

［2］陆锡才.高温合金中钛对ESR锭表面成形性的影响［J］.铸造，2002(5):378－380.

Microstructure and property of electroslag GH132 alloy roll

WANG Da-wei，TIAN Yu，WANG An-guo，JIANG Guo-sen，ZHAO Ling
(Shenyang Research Institute of Foundry，Shenyang 110022，China)

GH132 alloy hearth rolls have been successfully produced by the ESC(Electro－slag Casting)and heat treatment process.The mechanical properties meet the design requirements and the process is simple and economic as compared to the casting+forging+heat treatment process.

high－temperature alloy;electro－slag casting;slag system;mechanical properties

TG113.2

A

1671-6620(2011)S1-0052-03

2010-10-15.

高档数控机床与基础制造装备科技重大专项资助 (2009ZX04006－031).

王大威 (1975—)，男，高级工程师，电话:024－25852311－320.