高強度馬氏體不銹鋼鑄件的鑄造

郭建明，夏建忠

（杭州汽輪鑄鍛有限公司，浙江 杭州 310000）

我公司為馬鋼重機提供鉗口夾頭（如圖1）、延伸臂、左鉗臂和右鉗臂等6種馬氏體不銹鋼鑄件，用于8000t油壓機配套的100t全液壓軌道操作機上，該操作機是集高科技、高技術(shù)于一體的尖端設(shè)備，由德國DDS公司設(shè)計，鑄件材質(zhì)為GX4CrNi13-4+QTⅡ，屬低碳高強度馬氏體不銹鋼，化學(xué)成分與力學(xué)性能見表1。該鋼種具有良好的淬透性、優(yōu)良的力學(xué)性能、腐蝕疲勞強度和動靜態(tài)斷裂韌性，但在生產(chǎn)中存在以下難點：馬氏體不銹鋼有強烈的冷裂傾向，焊縫及熱影響區(qū)焊后均為硬而脆的馬氏體組織，鋼中含碳量越高，冷裂傾向越大；澆注溫度高，易產(chǎn)生表面粘砂；不銹鋼收縮性大，極易產(chǎn)生縮松、裂紋和晶粒粗大等缺陷，熱處理要求高，質(zhì)量要求高。探傷等級為：超聲波探傷符合EN12680-T1，質(zhì)量等級V2級，磁粉探傷符合EN1369，質(zhì)量等級S2，著色探傷符合EN1371，質(zhì)量等級S2。 熱處理狀態(tài) （QT2）：1000℃～1050℃正火，500℃～530℃回火。鑄件相關(guān)參數(shù)見表2。

表1 G-X4CrNi13-4+QTⅡ的化學(xué)成分和力學(xué)性能（質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%）

表2 鑄件相關(guān)參數(shù)

1 鑄造工藝方案的確定

1）造型：根據(jù)馬氏體不銹鋼鑄造的特點，采用了脂硬化水玻璃砂造型工藝、上鋯英粉醇涂料，可以有效地防止鑄件表面的增碳和表面顯微裂紋的產(chǎn)生。

2）澆冒口系統(tǒng)：設(shè)計開放式澆注系統(tǒng)，冒口采用發(fā)熱保溫冒口，澆注時在冒口頂部添加發(fā)熱保溫劑，并覆蓋保溫板保溫，加強冒口的補縮。

3）配料：采用中頻爐，爐料必須選用低碳、低硫、低磷的爐料，鉻鐵采用微碳鉻鐵，從原料上保證生產(chǎn)出優(yōu)質(zhì)的鋼水；采用電弧爐熔煉時，也應(yīng)盡可能降低含硫量，要求將鋼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）澆注：出鋼溫度控制在1650℃以上，澆注溫度控制在1620℃左右；

5）開箱清理：根據(jù)該種材質(zhì)的特點，選用保溫時間為14 d，開箱時鑄件溫度控制在100℃以下；

6）冒口切割：工件高溫退火后隨爐冷卻至325±25（℃）出爐割冒口，割冒口時其它部位應(yīng)用保溫板覆蓋，防止鑄件過快冷卻導(dǎo)致裂紋產(chǎn)生，冒口割除后立即進爐隨爐冷卻至100℃以下。

2 熱處理工藝方案

由于這類鋼含鉻量較高，過冷奧氏體較穩(wěn)定。所以這類鋼的淬透性比較高，在空冷情況下可獲得馬氏體組織，為了保證獲得較好的力學(xué)性能，采用正火加回火的熱處理工藝，為了防止在加熱過程中因應(yīng)力產(chǎn)生裂紋，要求嚴(yán)格控制升溫速度，為了能確保完全得到馬氏體組織，在正火處理時出爐后采用風(fēng)冷的方法讓工件盡快冷卻到300℃，然后再緩冷，正火、回火如圖2。

3 缺陷焊補工藝

馬氏體不銹鋼能在退火、硬化和硬化與回火的狀態(tài)下焊接，無論鋼材的原先狀態(tài)如何，經(jīng)過焊接后都會在鄰近焊道處產(chǎn)生硬化的馬氏體區(qū)，熱影響區(qū)的硬度主要是取決于母材金屬的碳含量，當(dāng)硬度增加時，則韌性減少，且此區(qū)域較易產(chǎn)生龜裂，因此需對工件進行焊前預(yù)熱和焊后熱處理。

1）缺陷清除

缺陷必須采用碳刨、機械加工或打磨的方法去除，若采用碳刨，則必須將工件整體預(yù)熱至300℃以上方能進行，否則極易產(chǎn)生裂紋，碳刨后必須采用打磨的方法去除碳刨層。

2）缺陷確認(rèn)

缺陷清除后必須對缺陷位置進行MT或PT確認(rèn)，缺陷完全清除后方可進入焊補工序；

3）焊前預(yù)熱

焊前預(yù)熱是防止產(chǎn)生冷裂紋的主要工藝措施。因此須工件整體預(yù)熱至300℃以上；

4）焊補

焊補時須保持工件溫度在150℃以上，層間溫度控制在250℃～300℃，非焊補區(qū)域用石棉包裹保持工件溫度，及時清理焊渣并錘擊，減少焊接應(yīng)力；

5）焊接材料

采用低氫型藥皮馬氏體不銹鋼焊條（0Cr13Ni4MoRe）（ER410NiMo-15）， 焊前須對焊條進行干燥預(yù)熱，焊條成分見表3。

6）焊接方法

表3 焊條成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%）

手工電弧焊，焊接電流為180A～220A，直流反接。

7）焊后冷卻

工件焊后不應(yīng)從焊接溫度直接升溫進行回火處理，因為焊接過程中奧氏體可能未完全轉(zhuǎn)變，如焊后立即升溫回火，會出現(xiàn)碳化物沿奧氏體晶界沉淀和奧氏體向珠光體轉(zhuǎn)變，產(chǎn)生晶粒粗大的組織，嚴(yán)重降低韌性。因此回火前應(yīng)使工件先緩慢冷卻，讓焊縫和熱影響區(qū)的奧氏體基本分解完。對于剛性小的焊件，可以冷至室溫再回火；對于大厚度的焊件，需采用較復(fù)雜的工藝；焊后冷至100℃～150℃，保溫0.5 h～1 h，然后加熱至回火溫度（大缺陷采用回火處理，小缺陷采用除應(yīng)力處理，除應(yīng)力溫度為比回火溫度低20℃）。

8）焊后熱處理

焊后熱處理目的是降低焊縫和熱影響區(qū)的硬度，改善塑性和韌性，同時減少焊接殘余應(yīng)力，保證組織均勻，減少裂紋傾向。焊后熱處理宜采用低溫回火，回火溫度為500℃～530℃，保溫若干小時后出爐空冷。

9）焊后探傷檢驗

缺陷采用上述工藝焊補后經(jīng)UT和MT探傷，焊補處未發(fā)現(xiàn)任何超標(biāo)缺陷。

4 總 結(jié)

綜上所述：G-X4CrNi13-4+QTⅡ低碳高強度馬氏體不銹鋼鑄件在生產(chǎn)中必須十分注意操作的細節(jié)，控制好相應(yīng)的技術(shù)參數(shù)，才能使鑄件符合相關(guān)技術(shù)條件要求，我們生產(chǎn)的鑄件在馬鋼重機的8000t鍛壓機配套的100t全液壓軌道操作機中正常使用，取得了良好的經(jīng)濟效益和社會效益。

［1］中國機械工程學(xué)會鑄造分會.鑄造手冊編［M］.北京：機械工業(yè)出版社，2006.

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［3］鑄造工程師手冊編寫組.鑄造工程師手冊機［M］.北京：械工業(yè)出版社，2007.

［4］李傳.鑄鋼及其熔煉［M］.北京：中國水利水電出版社，2007.

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［6］樊東黎 徐躍明 佟曉輝.熱處理技術(shù)數(shù)據(jù)手冊［M］.北京：機械工業(yè)出版社，2006.