高鎳奧氏體球墨鑄鐵支撐的材質(zhì)及鑄造工藝研究

陳 庚，孫 瑩，李崇斌，劉勤鵬

（中車大連機(jī)車車輛有限公司，遼寧大連 116021）

鎳含量為13%～36%的高鎳奧氏體鑄鐵，國(guó)外商業(yè)名稱是Ni-Resist，在常溫下具有穩(wěn)定的奧氏體組織，有優(yōu)秀的耐蝕性、耐熱性、無(wú)磁性，應(yīng)用前景十分廣闊[1]。由于鎳資源稀少，價(jià)格高，部分采用錳代替鎳，并加入銅，已形成Ni-Mn系、Mn-Cu系、Ni-Mn-Cu系奧氏體鑄鐵[2]，國(guó)內(nèi)文獻(xiàn)中很難查閱到相關(guān)技術(shù)資料。公司為打開技術(shù)市場(chǎng)，特別為國(guó)外某著名輪機(jī)公司研發(fā)牌號(hào)為GGG-NiMn13-7的奧氏體球墨鑄鐵件做支撐。

1 鑄件結(jié)構(gòu)及技術(shù)要求

1.1 鑄件結(jié)構(gòu)

鑄件結(jié)構(gòu)如圖1所示，此鑄件應(yīng)用于汽輪機(jī)，鑄件壁厚約為40～50mm。由于使用條件惡劣，因而對(duì)鑄件質(zhì)量要求較高。

圖1 鑄件結(jié)構(gòu)

1.2技術(shù)條件

鑄件材料牌號(hào)為DIN1694-1981-9的GGG-NiMn13-7，具體要求見(jiàn)表1、2。鑄件需要熱處理，要求取本體試棒進(jìn)行檢測(cè)，取試棒位置如圖2所示，鑄件磁導(dǎo)率小于1.05，對(duì)表面進(jìn)行磁粉探傷檢測(cè)。

表1 化學(xué)成分

表2 室溫下力學(xué)性能

2 鑄件工藝性分析

圖2 取棒部位

GGG-NiMn13-7支撐鑄件結(jié)構(gòu)形狀雖然很簡(jiǎn)單，但因技術(shù)要求使其鑄造工藝難度提高很多，具體工藝分析如下。

2.1 鑄件材料分析

鑄件材料為Ni含量高的奧氏體球墨鑄鐵，合金含量高，C、Si含量低，熔煉和澆注溫度高，收縮率接近碳鋼，鑄造工藝性能差；奧氏體基體上分布球狀石墨并含有少量碳化物，不允許有片狀、蠕蟲狀和大的碎塊狀石墨存在，這需要在孕育處理和球化處理時(shí)控制Si含量，并能控制石墨的圓整度。

2.2鑄造工藝分析

試棒取自鑄件本體熱節(jié)部位，試棒部位不允許有任何能影響試棒性能的鑄造缺陷，磁粉探傷要求鑄件表面不允許有熔渣等，澆注位置要避開熱節(jié)。因此，需要設(shè)計(jì)合適的鑄造工藝。

3 鑄造工藝過(guò)程

3.1 熔煉工藝

3.1.1 化學(xué)成分的確定

雖然GGG-NiMn13-7奧氏體球墨鑄鐵的化學(xué)成分在技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)中已有規(guī)定，但具體控制范圍則應(yīng)考慮以下幾點(diǎn)：成分的選擇必須保證獲得技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的金相組織；盡可能有利于鑄造工藝性能的改善；盡可能降低原材料成本。

高鎳奧氏體球鐵飽和數(shù)A的經(jīng)驗(yàn)公式為ω（C）+0.2×ω（Si）+0.06×ω（Ni）=A（常數(shù)），若鐵水的C、Si、Ni含量使飽和數(shù)大于某一極限值，則石墨形態(tài)就成碎塊狀分布；而 CE=ω（C）+0.3×ω（Si）+0.047×ω（Ni）-[0.0055×ω（Si）×ω（Ni）]；考慮到鐵水流動(dòng)性、收縮性、白口傾向、石墨形態(tài)和成本等因素，根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)確定出表3中的化學(xué)成分。

奧氏體球墨鑄鐵中的適宜殘余鎂量稍高于普通球鐵，一般ω（Mg殘）＞0.035%，當(dāng)殘余鎂量過(guò)高時(shí)會(huì)出現(xiàn)黑渣，應(yīng)控制在0.05%以下[3]。根據(jù)上述成分，計(jì)算CE約為3.86%，處于亞共晶成分，這也是低Si奧氏體球墨鑄鐵收縮率高的一個(gè)原因。

表3 化學(xué)成分 ωB/%

3.1.2 爐料配比及熔煉控制

基本爐料配比：含鎳奧氏體球墨鑄鐵對(duì)爐料的潔凈度有較高的要求，加入前應(yīng)拋丸處理，尤其是廢鋼的潔凈度，否則會(huì)加劇鐵水吸氫，進(jìn)而造成出現(xiàn)皮下氣孔；爐料使用本溪的高純生鐵和A3風(fēng)電鋼板。高鎳球鐵中的Ni以電解Ni板形式加入,Si以75%硅鐵加入，加入微量元素0.005%ω（Sb）。

熔煉控制：鎳在熔煉中燒損很小，但鎳有很強(qiáng)的吸氣性，氧、氫、氮都能溶解于含鎳的鐵水中。為避免氣孔，電解Ni要在熔煉后期加入；大功率快速熔煉并注意及時(shí)用覆蓋劑覆蓋保溫，防止鐵水氧化，高鎳球鐵的熔點(diǎn)較高，鐵水流動(dòng)性較差，為保證足夠的澆注溫度，鐵水出爐前的過(guò)熱溫度需比一般球鐵高得多，出爐溫度1530～1540℃。

3.1.3 球化孕育處理工藝

（1）球化劑及球化處理

球化劑采用常用的D-2F（含稀土1%的鎂硅鐵球化劑），加入量1.2%～1.3%。

球化處理采用夾層覆蓋沖入法。出鐵時(shí)，可見(jiàn)鐵水發(fā)白，球化反映不劇烈，球化時(shí)沸騰溫度較低，產(chǎn)生的煙霧小，球化蒸汽顏色蒼白，Mg的吸收率較高。未加入微量元素Sb之前，金相組織有碎塊狀石墨并且石墨球圓整度不高，加入0.005%Sb元素后，上述問(wèn)題基本解決。金相照片如圖3所示。

（2）孕育處理及孕育劑

圖3 金相照片

孕育處理的主要目的是獲得圓整的石墨，消除白口，增加石墨球數(shù)。爐內(nèi)孕育采用75硅鐵，爐前一次隨流孕育為長(zhǎng)效的硅鋇孕育劑，促進(jìn)石墨化，抑制孕育衰退。

3.2 鑄造工藝

3.2.1 方案分析

奧氏體鑄鐵的線收縮和體收縮都大于普通的鑄鐵，接近于碳鋼；凝固特性與普通灰鑄鐵和球墨鑄鐵有很大不同，也不同于碳鋼，更類似于典型的結(jié)晶范圍很寬的合金。奧氏體鑄鐵組織中的奧氏體枝晶發(fā)達(dá)，石墨和碳化物充填枝晶間的空隙。奧氏體鑄件鑄造缺陷主要是縮松，要獲得組織致密的鑄件，都必須靠冒口建立起的鐵液靜壓力和溫度梯度，使液體的凝固始終處于正壓力狀態(tài)下[1]。頂冒口在奧氏體鑄鐵的補(bǔ)縮效果上要優(yōu)于邊冒口。采用呋喃樹脂自硬砂生產(chǎn)，鑄件的收縮率參考碳鋼的收縮率2%，鑄件選擇順序凝固的方式，在最后凝固的熱節(jié)部位，設(shè)置頂冒口補(bǔ)縮，形成梯度溫度場(chǎng)。因熱節(jié)部位需取本體試棒進(jìn)行檢測(cè)，要求該位置組織致密，不得有鑄造缺陷，所以對(duì)冒口的尺寸的設(shè)計(jì)需要特別注意。鑄件表面需進(jìn)行磁粉探傷處理，這樣就對(duì)鐵水純凈度要求較高。

3.2.2 方案確定

將鑄件全部置于下箱，選取半封閉式澆注系統(tǒng)，澆注系統(tǒng)截面積比為ΣA直：ΣA橫：ΣA內(nèi)=2.00：4.00：1.00；頂冒口設(shè)在熱節(jié)的正上方，在鑄件的側(cè)面避開熱節(jié)處開設(shè)兩道扁薄內(nèi)澆道，直澆道下方放置陶瓷過(guò)濾片以保證鐵水純凈度，一箱兩件生產(chǎn)，工藝出品率為57%左右。

3.3澆注工藝

采用快速澆注充型，控制鐵水出爐溫度不低于1530℃，鐵水出爐前，鐵水包應(yīng)燙包兩次以上，鐵水出爐球化后，應(yīng)快速扒渣并進(jìn)行覆蓋保溫處理。澆注溫度不低于1460℃，澆注完成后，對(duì)冒口撒草木灰保溫，澆注應(yīng)在5分鐘內(nèi)全部完成。

3.4熱處理工藝

含鎳奧氏體鑄鐵件鑄態(tài)組織中的碳化物為條狀，為了改善加工性能和鑄件綜合性能，對(duì)其進(jìn)行熱處理，熱處理后條狀碳化物轉(zhuǎn)變?yōu)榱钐蓟?。需特別注意的是，在高溫保溫后出爐時(shí)要快冷，因?yàn)閵W氏體鑄鐵高溫保溫后，碳化物分解，碳固溶到高溫奧氏體內(nèi)，在緩冷過(guò)程碳會(huì)在晶界中以細(xì)小碳化物形式析出，嚴(yán)重降低奧氏體鑄件的韌性。為奧氏體鑄鐵支撐鑄件的熱處理工藝見(jiàn)圖4所示。

圖4 熱處理工藝曲線

4 鑄件性能檢測(cè)結(jié)果

試棒檢驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表4，檢驗(yàn)后的數(shù)據(jù)結(jié)果滿足技術(shù)要求。

表4 試樣的力學(xué)性能

圖5 金相組織檢驗(yàn)結(jié)果

金相組織為球狀石墨，球化率為2級(jí)，球徑為3～6mm，石墨形態(tài)和基體組織如圖5所示。

檢測(cè)后最大磁導(dǎo)率小于1.05。鑄件研發(fā)成功。

5 結(jié)論

（1）嚴(yán)格精確地控制化學(xué)成分是生產(chǎn)高鎳奧氏體鑄鐵的重要前提；

（2）提高爐料的潔凈度能有效避免含鎳奧氏體球墨鑄鐵的皮下產(chǎn)生氣孔；

（3）合適的球化劑和孕育劑及合理的球化孕育處理方式是獲得金相組織、性能符合標(biāo)準(zhǔn)的高鎳奧氏體球鐵的必需手段；

（4）鐵水出爐前，鐵水包預(yù)熱，能有效的解決球化處理后溫度降低過(guò)快的問(wèn)題，滿足高溫澆注的要求；

（5）熱處理后期的快速空冷，能有效的防止碳在晶界間以細(xì)小碳化物的形式析出，嚴(yán)重降低奧氏體鑄鐵韌性；

（6）生產(chǎn)奧氏體球鐵支撐時(shí)選擇頂冒口補(bǔ)縮最優(yōu)，冒口覆蓋保溫劑能有效增大補(bǔ)縮效果。