高镍奥氏体球墨铸铁支撑的材质及铸造工艺研究

2019-06-18李崇斌刘勤鹏

中国铸造装备与技术 2019年3期

陈庚，孙莹，李崇斌，刘勤鹏

（中车大连机车车辆有限公司，辽宁大连 116021）

镍含量为13%～36%的高镍奥氏体铸铁，国外商业名称是Ni-Resist，在常温下具有稳定的奥氏体组织，有优秀的耐蚀性、耐热性、无磁性，应用前景十分广阔[1]。由于镍资源稀少，价格高，部分采用锰代替镍，并加入铜，已形成Ni-Mn系、Mn-Cu系、Ni-Mn-Cu系奥氏体铸铁[2]，国内文献中很难查阅到相关技术资料。公司为打开技术市场，特别为国外某著名轮机公司研发牌号为GGG-NiMn13-7的奥氏体球墨铸铁件做支撑。

1 铸件结构及技术要求

1.1 铸件结构

铸件结构如图1所示，此铸件应用于汽轮机，铸件壁厚约为40～50mm。由于使用条件恶劣，因而对铸件质量要求较高。

图1 铸件结构

1.2技术条件

铸件材料牌号为DIN1694-1981-9的GGG-NiMn13-7，具体要求见表1、2。铸件需要热处理，要求取本体试棒进行检测，取试棒位置如图2所示，铸件磁导率小于1.05，对表面进行磁粉探伤检测。

表1 化学成分

表2 室温下力学性能

2 铸件工艺性分析

图2 取棒部位

GGG-NiMn13-7支撑铸件结构形状虽然很简单，但因技术要求使其铸造工艺难度提高很多，具体工艺分析如下。

2.1 铸件材料分析

铸件材料为Ni含量高的奥氏体球墨铸铁，合金含量高，C、Si含量低，熔炼和浇注温度高，收缩率接近碳钢，铸造工艺性能差；奥氏体基体上分布球状石墨并含有少量碳化物，不允许有片状、蠕虫状和大的碎块状石墨存在，这需要在孕育处理和球化处理时控制Si含量，并能控制石墨的圆整度。

2.2铸造工艺分析

试棒取自铸件本体热节部位，试棒部位不允许有任何能影响试棒性能的铸造缺陷，磁粉探伤要求铸件表面不允许有熔渣等，浇注位置要避开热节。因此，需要设计合适的铸造工艺。

3 铸造工艺过程

3.1 熔炼工艺

3.1.1 化学成分的确定

虽然GGG-NiMn13-7奥氏体球墨铸铁的化学成分在技术标准中已有规定，但具体控制范围则应考虑以下几点：成分的选择必须保证获得技术标准规定的金相组织；尽可能有利于铸造工艺性能的改善；尽可能降低原材料成本。

高镍奥氏体球铁饱和数A的经验公式为ω（C）+0.2×ω（Si）+0.06×ω（Ni）=A（常数），若铁水的C、Si、Ni含量使饱和数大于某一极限值，则石墨形态就成碎块状分布；而 CE=ω（C）+0.3×ω（Si）+0.047×ω（Ni）-[0.0055×ω（Si）×ω（Ni）]；考虑到铁水流动性、收缩性、白口倾向、石墨形态和成本等因素，根据标准确定出表3中的化学成分。

奥氏体球墨铸铁中的适宜残余镁量稍高于普通球铁，一般ω（Mg残）＞0.035%，当残余镁量过高时会出现黑渣，应控制在0.05%以下[3]。根据上述成分，计算CE约为3.86%，处于亚共晶成分，这也是低Si奥氏体球墨铸铁收缩率高的一个原因。

表3 化学成分 ωB/%

3.1.2 炉料配比及熔炼控制

基本炉料配比：含镍奥氏体球墨铸铁对炉料的洁净度有较高的要求，加入前应抛丸处理，尤其是废钢的洁净度，否则会加剧铁水吸氢，进而造成出现皮下气孔；炉料使用本溪的高纯生铁和A3风电钢板。高镍球铁中的Ni以电解Ni板形式加入,Si以75%硅铁加入，加入微量元素0.005%ω（Sb）。

熔炼控制：镍在熔炼中烧损很小，但镍有很强的吸气性，氧、氢、氮都能溶解于含镍的铁水中。为避免气孔，电解Ni要在熔炼后期加入；大功率快速熔炼并注意及时用覆盖剂覆盖保温，防止铁水氧化，高镍球铁的熔点较高，铁水流动性较差，为保证足够的浇注温度，铁水出炉前的过热温度需比一般球铁高得多，出炉温度1530～1540℃。

3.1.3 球化孕育处理工艺

（1）球化剂及球化处理

球化剂采用常用的D-2F（含稀土1%的镁硅铁球化剂），加入量1.2%～1.3%。

球化处理采用夹层覆盖冲入法。出铁时，可见铁水发白，球化反映不剧烈，球化时沸腾温度较低，产生的烟雾小，球化蒸汽颜色苍白，Mg的吸收率较高。未加入微量元素Sb之前，金相组织有碎块状石墨并且石墨球圆整度不高，加入0.005%Sb元素后，上述问题基本解决。金相照片如图3所示。

（2）孕育处理及孕育剂

图3 金相照片

孕育处理的主要目的是获得圆整的石墨，消除白口，增加石墨球数。炉内孕育采用75硅铁，炉前一次随流孕育为长效的硅钡孕育剂，促进石墨化，抑制孕育衰退。

3.2 铸造工艺

3.2.1 方案分析

奥氏体铸铁的线收缩和体收缩都大于普通的铸铁，接近于碳钢；凝固特性与普通灰铸铁和球墨铸铁有很大不同，也不同于碳钢，更类似于典型的结晶范围很宽的合金。奥氏体铸铁组织中的奥氏体枝晶发达，石墨和碳化物充填枝晶间的空隙。奥氏体铸件铸造缺陷主要是缩松，要获得组织致密的铸件，都必须靠冒口建立起的铁液静压力和温度梯度，使液体的凝固始终处于正压力状态下[1]。顶冒口在奥氏体铸铁的补缩效果上要优于边冒口。采用呋喃树脂自硬砂生产，铸件的收缩率参考碳钢的收缩率2%，铸件选择顺序凝固的方式，在最后凝固的热节部位，设置顶冒口补缩，形成梯度温度场。因热节部位需取本体试棒进行检测，要求该位置组织致密，不得有铸造缺陷，所以对冒口的尺寸的设计需要特别注意。铸件表面需进行磁粉探伤处理，这样就对铁水纯净度要求较高。

3.2.2 方案确定

将铸件全部置于下箱，选取半封闭式浇注系统，浇注系统截面积比为ΣA直：ΣA横：ΣA内=2.00：4.00：1.00；顶冒口设在热节的正上方，在铸件的侧面避开热节处开设两道扁薄内浇道，直浇道下方放置陶瓷过滤片以保证铁水纯净度，一箱两件生产，工艺出品率为57%左右。

3.3浇注工艺

采用快速浇注充型，控制铁水出炉温度不低于1530℃，铁水出炉前，铁水包应烫包两次以上，铁水出炉球化后，应快速扒渣并进行覆盖保温处理。浇注温度不低于1460℃，浇注完成后，对冒口撒草木灰保温，浇注应在5分钟内全部完成。

3.4热处理工艺

含镍奥氏体铸铁件铸态组织中的碳化物为条状，为了改善加工性能和铸件综合性能，对其进行热处理，热处理后条状碳化物转变为粒状碳化物。需特别注意的是，在高温保温后出炉时要快冷，因为奥氏体铸铁高温保温后，碳化物分解，碳固溶到高温奥氏体内，在缓冷过程碳会在晶界中以细小碳化物形式析出，严重降低奥氏体铸件的韧性。为奥氏体铸铁支撑铸件的热处理工艺见图4所示。