電渣熔鑄GH132合金爐底輥工藝及組織性能

王大威，田 雨，王安國，蔣國森，趙 嶺

(沈陽鑄造研究所，沈陽 110022)

電渣熔鑄GH132合金爐底輥工藝及組織性能

王大威，田 雨，王安國，蔣國森，趙 嶺

(沈陽鑄造研究所，沈陽 110022)

采用電渣熔鑄+熱處理工藝，代替鑄造+鍛造+熱處理工藝成功制造了連鑄生產(chǎn)線上GH132合金爐底輥，各項(xiàng)力學(xué)性能指標(biāo)均達(dá)到設(shè)計(jì)要求，降低了制造成本.

高溫合金;電渣熔鑄;渣系;力學(xué)性能

電渣熔鑄是集鋼水精煉與鑄造成形于一身的特種鑄造方法，具有精煉、順序凝固及自補(bǔ)縮特點(diǎn)，其鑄件質(zhì)量可達(dá)到同材質(zhì)鍛軋材水平.

如文獻(xiàn)［1］所說，電渣正向著大型化、精確化方向發(fā)展.從工程應(yīng)用角度，電渣重熔/熔鑄正向核電、火電等行業(yè)的核心鑄鍛件領(lǐng)域發(fā)展.目前，在中小型曲軸、軋鋼支撐輥、空壓機(jī)連桿等零件的制備方法上電渣熔鑄具有明顯的優(yōu)勢，并實(shí)現(xiàn)了以鑄代鍛.

1 試驗(yàn)方法及設(shè)備

試驗(yàn)電極為GH132高溫合金，其化學(xué)成分見表1.

表1GH132合金的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù))Table 1 Chemical composition of alloy GH132(mass fraction) %

試驗(yàn)所用電渣爐額定容量3 000 kVA，額定最大電流24 kA，電壓50～125 V，21檔有載調(diào)壓;爐臂有效行程為7 m，橫壁承載最大起重量為15 t;垂直升降，快速2.5～3.0 m/min，慢速5～10 mm/min.熱處理設(shè)備為30 kW電加熱熱處理爐，性能測試采用WE3－600D型屏幕顯示萬能試驗(yàn)機(jī)，采用XJL－02型立式金相顯微鏡觀察組織.

2 熔渣設(shè)計(jì)

GH132合金爐底輥渣系的設(shè)計(jì)涉及諸多因素，主要考慮電渣熔鑄過程的穩(wěn)定、抑制電渣熔鑄過程中鈦的燒損、保證鈦氧化反應(yīng)均勻進(jìn)行和熔渣必要的工藝性能等，針對上述影響因素，以CaF2－Al2O3－MgO－TiO2四元渣系為基礎(chǔ)進(jìn)行GH132高溫合金支撐輥渣系設(shè)計(jì)為Al2O3－TiO2－MgO－CaO－CaF2.配比質(zhì)量分?jǐn)?shù)為:CaF213.5%、Al2O345%、CaO 27%、MgO 7%、TiO27.5%.

采用五元渣系熔鑄GH132合金爐底輥試驗(yàn)件試驗(yàn)結(jié)果如圖1所示.由試驗(yàn)數(shù)據(jù)可知，采用五元渣系熔鑄GH132合金爐底輥試驗(yàn)件鈦燒損量在0.17%左右，鑄件整體鈦分布均勻.

圖1 五元渣系熔鑄支撐輥試件鈦分布圖Fig.1 Distribution of Ti for backup roll produced by five constituent slag

3 GH132合金爐底輥毛坯渣溝缺陷的抑制

文獻(xiàn)［2］給出了一些高溫合金熔鑄過程中出現(xiàn)缺陷的統(tǒng)計(jì)結(jié)論:

(1)含鈷質(zhì)量分?jǐn)?shù)14%～22%的高溫合金，不管含多少Al、Ti、W、Mo，其合金錠表面一般無缺陷.

(2)不含Al和Ti的高溫合金錠表面無缺陷.

(3)含Al且w［Ti］＜1%的高溫合金錠表面一般無缺陷，只有W、Mo的質(zhì)量分?jǐn)?shù)很高(均為7.5%～9.5%)才產(chǎn)生表面缺陷.

(4)含w［Ti］為2%左右的高溫合金，無論其含多少Al，在合金錠下部都易產(chǎn)生渣溝缺陷，當(dāng)高溫合金中w［Ti］達(dá)3%時(shí)，不僅在合金錠下部易產(chǎn)生渣溝，而且在交換電極處也易產(chǎn)生分流眼和渣溝.根據(jù)以上分析可知，高溫合金中的Ti是使重熔合金錠產(chǎn)生表面缺陷的根本原因.

GH132合金在重熔過程中，合金中的Ti不斷氧化成TiO2進(jìn)入渣中，可使渣中TiO2的質(zhì)量分?jǐn)?shù)高達(dá)10%～15%，高的TiO2含量使渣的電導(dǎo)率明顯增大，這已被Ogino的研究所證實(shí).在高TiO2含量、高電導(dǎo)率渣下進(jìn)行重熔，若充填比高，則在電極與結(jié)晶器壁之間的距離小于兩電極的極間距時(shí)，電極電壓就會(huì)擊穿熔池渣殼，使電極電流經(jīng)由上層渣和結(jié)晶器壁，從擊穿部位回到熔池，在擊穿部位形成分流眼.當(dāng)電流控制不穩(wěn)、起伏較大時(shí)，就會(huì)隨時(shí)在整個(gè)鑄錠上產(chǎn)生分流眼.而且還會(huì)伴隨渣溝缺陷.

為此，我們采取如下措施，消除了渣溝缺陷.

①化渣時(shí)采用較高功率;②化渣期間少化電極多化渣，盡量提高渣溫;③在充分化渣基礎(chǔ)上再轉(zhuǎn)入正常重熔電流熔煉;④隨正常熔鑄過程的進(jìn)行，降低電壓給定值，使?fàn)t口電壓穩(wěn)定在57 V.

4 GH132合金爐底輥組織分析

電渣重熔鑄錠經(jīng)720℃持續(xù)16 h空冷后金相組織如圖2、圖3所示，中心部位試樣如圖2，邊緣部位試樣如圖3.

圖2 電渣重熔鑄錠經(jīng)720℃持續(xù)16 h空冷后中心組織Fig.2 Center structure of ingot after air cooling at 720℃ for 16 h

對比圖2、圖3可以看出，中心組織晶粒較為粗大，黑色顆粒物質(zhì)較多，晶界不明顯，經(jīng)過時(shí)效處理后晶界周圍有γ'相析出.

由圖2及圖3可以看出，鑄件時(shí)效后晶粒周邊有黑色顆粒物質(zhì).通過分析及對照金相組織圖譜可知黑色物質(zhì)可能為MC型碳化物 (主要是TiC)，它是在合金凝固過程中形成的初生碳化物，呈多角形，沿合金變形方向分布，其中固溶較多的是W和Mo.晶界周圍析出少量灰色點(diǎn)狀和條狀物質(zhì)，此為在時(shí)效過程中重新析出的γ'相.

圖3 電渣重熔鑄錠經(jīng)720℃持續(xù)16 h空冷后邊緣組織Fig.3 Edge structure of ingot after air cooling at 720℃ for 16 h

5 熱處理對GH132合金性能的影響

常規(guī)熱處理后鑄件力學(xué)性能如表2所示，滿足同材質(zhì)鍛件性能要求.

6 結(jié)論

(1)保護(hù)渣配比質(zhì)量分?jǐn)?shù)為13.5%CaF2－45%Al2O3－27%CaO－7%MgO－7.5%TiO2時(shí)，GH132合金的Ti燒損最小.

(2)最佳熔鑄工藝參數(shù):電流為4.0 k A、電壓為57 V左右、渣層厚度為150 mm，鑄件無渣溝缺陷.

(3)GH132合金的金相組織基體為奧氏體，其晶粒比較粗大，平均晶粒尺寸約為100 μm.此外，還存在較為明顯的胞狀晶，枝晶以及晶界析出物.

(4)GH132合金軸向拉伸試樣抗拉強(qiáng)度平均值為745 MPa，沖擊韌性平均值為82.0 J/cm2，沿鑄錠的表面到心部，抗拉強(qiáng)度，抗彎強(qiáng)度，沖擊韌性，逐漸降低，但合金力學(xué)性能的方向性不明顯.

表2 時(shí)效處理后試樣力學(xué)性能Table 2 Mechanical property of specimen after aging treatment

［1］傅杰.第二代大型電渣錠電渣冶金技術(shù)的發(fā)展［J］.中國冶金，2010(5):1－4.

［2］陸錫才.高溫合金中鈦對ESR錠表面成形性的影響［J］.鑄造，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.

高檔數(shù)控機(jī)床與基礎(chǔ)制造裝備科技重大專項(xiàng)資助 (2009ZX04006－031).

王大威 (1975—)，男，高級工程師，電話:024－25852311－320.