大型鑄鋼件鈦微合金化的研究及應(yīng)用

衛(wèi)心宏，姚國平

（太原重工股份有限公司，山西太原 030024）

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大型鑄鋼件鈦微合金化的研究及應(yīng)用

衛(wèi)心宏，姚國平

（太原重工股份有限公司，山西太原 030024）

針對大型鑄鋼件鑄造生產(chǎn)存在晶粒粗大的難題，進(jìn)行了材質(zhì)鈦微合金化試驗研究，并對其力學(xué)性能、金相組織、晶粒度及可探性等性能進(jìn)行對比分析。試驗證明材質(zhì)鈦微合金化細(xì)化晶粒作用比較顯著，經(jīng)過一次正火和回火處理基本能滿足大型鑄鋼件的探傷要求，提高了鑄件的內(nèi)部質(zhì)量，并可改善性能。

大型鑄鋼件；鈦微合金化；晶粒細(xì)化

大型鑄鋼件是大型機(jī)械設(shè)備重要的基礎(chǔ)部件。但大型鑄鋼件在生產(chǎn)過程中，因厚大部位熱節(jié)集中，冷卻條件較差，易出現(xiàn)晶粒粗大的問題，往往通過多次正火，才能達(dá)到晶粒細(xì)化和探傷要求，影響大型鑄件生產(chǎn)進(jìn)度及質(zhì)量，是厚大鑄鋼件生產(chǎn)的一個難題。針對大型鑄鋼件鑄造生產(chǎn)存在的難題，在材質(zhì)試驗的基礎(chǔ)上，選擇碳鋼及碳錳鋼材質(zhì)典型厚大鑄件，進(jìn)行材質(zhì)鈦微合金化的應(yīng)用的試驗研究。通過在材質(zhì)中加入微量鈦合金預(yù)先細(xì)化鑄件鑄件鑄態(tài)組織的晶粒，加上適當(dāng)?shù)臒崽幚?，一次正火和回火熱處理基本達(dá)到晶粒細(xì)化效果，提高了鑄件的內(nèi)部質(zhì)量，滿足厚大件的探傷要求，也改善鑄件材質(zhì)性能，并在厚大鑄鋼件生產(chǎn)中推廣應(yīng)用。

l 試驗方案

1.1 試驗鑄件選擇

大型鑄鋼件主要以碳鋼及碳錳鋼為主，選擇材質(zhì)ZG270-500厚大鑄鋼件牌坊等鑄件，進(jìn)行鈦微合金化對比試驗。鑄件的一般壁厚500 mm，端頭最大壁厚600 mm，對比試驗鑄件基本條件如表1.鑄件附鑄大試樣的尺寸為l50 mm×l50 mm×250 mm，鈦微合金化試驗件和對比件各附鑄l6個試樣進(jìn)行對比試驗。

表l 鈦微合金化試驗件明細(xì)

1.2 微合金化材質(zhì)試驗方案

試驗材質(zhì)為ZG270-500，選擇FeTi30鈦鐵合金材料進(jìn)行鈦微合金化實驗。確定鈦微合金化的試驗工藝為，在精煉鋼水終脫氧后加FeTi30鈦鐵進(jìn)行微合金化處理，試驗確定的大型鑄鋼件鈦微合金化鈦的質(zhì)量分?jǐn)?shù)的范圍為0.005%～0.0l2%.

冶煉澆注鈦微合金化實驗件與未加合金的對比件后，按照鑄態(tài)、退火、正火+回火不同熱處理狀態(tài)，對試驗件和對比件附鑄試塊，進(jìn)行化學(xué)成分、力學(xué)性能、顯微組織組織、晶粒度、氣體含量等試驗，分析材質(zhì)鈦微合金化后的性能及顯微組織變化，對實驗結(jié)果進(jìn)行總結(jié)。

2 試驗結(jié)果分析

2.1 化學(xué)成分對比分析

根據(jù)試驗件的鋼水重量，采用相同冶煉澆注工藝澆注試驗件和對比件，其中試驗件進(jìn)行了鈦微合金化，化學(xué)成分分析如表2.從分析看，試驗件含Ti質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.0l0%，達(dá)到試驗方案要求。

表2 化學(xué)成分試驗分析 （質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%）

2.2 鑄件氣體含量對比試驗

對試驗件和對比鑄件的氣體含量〔O〕、〔H〕、〔N〕對比分析。鈦與氧和氮的化學(xué)親合力非常強(qiáng)，材質(zhì)鈦微合金化不但細(xì)化了晶粒，而且還有脫氧、固氮劑及儲氫的作用，降低了鋼水的氣體含量，起到凈化鋼水作用，提高鑄件材質(zhì)質(zhì)量。從表3分析可看出，鈦微合金化的實驗件與對比件相比，氧質(zhì)量分?jǐn)?shù)降低l6×l0-4%,氮含量和氫含量也適當(dāng)降低。

表3 鑄件氣體含量試驗分析

2.3 力學(xué)性能對比分析

選擇材質(zhì)ZG270-500加鈦微合金化的試驗件和對比件l50mm×l50mm附鑄大試樣，進(jìn)行不同熱處理狀態(tài)（鑄態(tài)、退火、正回火）力學(xué)性能試驗分析，試驗結(jié)果見表4.從試驗分析看，鈦微合金化后，沖擊值平均提高l5J～30J，拉力性能也有一定的提高。

2.4 晶粒度和顯微組織分析

對試驗件和對比件進(jìn)行不同熱處理狀態(tài)的顯微組織組織、晶粒度等試驗分析。從對比分析看，試驗件和對比件材質(zhì)鑄態(tài)及熱處理后的的顯微組織都為鐵素體+珠光體；鈦微合金化后，晶粒度能提高0.5～l級，特別是鑄態(tài)晶粒度能達(dá)到3級，鈦微合金化細(xì)化鑄態(tài)組織的作用非常明顯。試驗分析見表5及圖1.

表4 力學(xué)性能對比分析

表5 晶粒度和基體組織對比分析

圖l 不同熱處理狀態(tài)顯微組織對比

2.5 鑄件本體厚大部位可探性對比試驗

為了對比鑄件本體厚大部位的組織情況，對試驗件和對比件退火后，厚大部位進(jìn)行了超探可探性對比探傷檢驗。從探傷檢驗情況看，加鈦微合金化合金的試驗件立柱（500 mm）和端頭冒口部位（600 mm）退火后晶粒細(xì)化，可探性基本能滿足要求； 未加鈦的對比件，退火后組織較粗，達(dá)不到可探性要求。試驗件厚大部位超聲可探性檢查對比情況見圖2.

2.6 大型鑄鋼材質(zhì)鈦微合金化熱處理工藝試驗

為了確定厚大鑄件材質(zhì)鈦微合金化后適合的熱處理工藝，對材質(zhì)為ZG270-500Ti實驗件的l50mm×l50 mm×250 mm附鑄試塊，選擇不同正火溫度+580℃回火進(jìn)行熱處理試驗及分析，試驗數(shù)據(jù)見表6，數(shù)據(jù)分析見圖3.

從試驗結(jié)果看，860℃～940℃范圍內(nèi)，隨著正火溫度的提高，力學(xué)性能（Rm、Rp0.2、A、Kv2）呈先提高后降低的趨勢，正火溫度900℃時，各項性能最高，相比較不加Ti的材質(zhì)，正火溫度提高l0℃～20℃.

圖2 試驗件厚大部位超聲可探性檢查對比情況

圖3 不同正火溫度對拉力性能影響

分析其原因為：大型鑄鋼件材質(zhì)鈦微合金化后，由于高熔點的TiC等碳化物的形成，細(xì)化了鑄態(tài)基體的組織，起到鑄件晶粒細(xì)化作用，可提高材質(zhì)的鑄態(tài)基體性能。正火處理時，采用適當(dāng)高的溫度正火時，高熔點的TiC等碳化物，分散細(xì)化，在冷卻過程中進(jìn)一步起到彌散強(qiáng)化的作用，表現(xiàn)為力學(xué)性能提高。但進(jìn)一步提高正火溫度，部分高熔點TiC等碳化物會出現(xiàn)部分溶解，同時由于正火溫度高，材質(zhì)會出現(xiàn)奧氏體晶粒長大的傾向，表現(xiàn)在力學(xué)性能出現(xiàn)降低的趨勢。試驗確定ZG270-500Ti材質(zhì)鈦微合金化后，正火溫度選擇900℃較為適合。

3 分析與討論

對厚大鑄鋼件材質(zhì)鈦微合金化的力學(xué)性能、顯微組織、晶粒度進(jìn)行對比試驗分析。試驗證明鈦微合金化的預(yù)細(xì)化鑄件鑄態(tài)組織的晶粒作用比較顯著。Ti與C、N、O的化學(xué)親合力非常強(qiáng)，在鋼中加入微量Ti，極易形成TiC、TiN、TiO2等化合物，TiC及TiN有較高的熔點和穩(wěn)定性，在鑄件凝固過程中，形成結(jié)晶質(zhì)點，起到細(xì)化鑄造組織晶粒作用。在鈦微含量適合范圍，第一通過細(xì)化晶粒作用，可提高基體組織的均勻性，并適當(dāng)提高材質(zhì)的力學(xué)性能；第二通過脫氧固氮，降低鋼水氣體含量，起到凈化鋼水的作用，改善大型鑄鋼件的質(zhì)量。

表6 不同性能熱處理正火工藝試驗數(shù)據(jù)

圖4 不同正火溫度對伸長率和沖擊能影響

大型鑄鋼件材質(zhì)鈦微合金化后，由于化學(xué)活性元素Ti的加入，可提高ACl及AC3的溫度，降低材質(zhì)的過熱敏感性，材質(zhì)鈦微合金化后正火溫度要適當(dāng)提高。同時采用適當(dāng)高的溫度正火時，還能起到彌散強(qiáng)化的作用，提高材質(zhì)的力學(xué)性能。

通過生產(chǎn)試驗證明，碳鋼及碳錳鋼材質(zhì)大型鑄鋼件，鈦微合金化的Ti的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.005%～0.0l2%.Ti的質(zhì)量分?jǐn)?shù)高于0.0l2%以上時由于鈦強(qiáng)烈的碳化物作用，易形成碳化物，在鑄件的薄壁部位易形成組織不均勻問題；Ti質(zhì)量分?jǐn)?shù)低于0.005%時，細(xì)化晶粒的效果較差。部分鈦微合金化生產(chǎn)試驗數(shù)據(jù)見表7.

4 生產(chǎn)應(yīng)用

通過碳鋼及碳錳鋼材質(zhì)鈦微合金化試驗，證明材質(zhì)鈦微合金化細(xì)化晶粒作用比較顯著，經(jīng)過一次正火和回火處理基本能滿足大型鑄鋼件的可探傷要求，提高鑄件的內(nèi)部質(zhì)量，并提高鑄件的性能。

表7 鈦微合金化生產(chǎn)試驗數(shù)據(jù)

為此制定鈦微合金材質(zhì)在大型鑄鋼件中的應(yīng)用規(guī)程，進(jìn)行生產(chǎn)應(yīng)用。目前已在88 t機(jī)架、l25 t牌坊、l75 t機(jī)架、大型軸承座、大型工作臺、大型橋梁鞍體鑄件、464 t大型壓機(jī)前梁、405 t大型壓機(jī)后梁鑄件等數(shù)千噸大型鑄鋼件上進(jìn)行了生產(chǎn)應(yīng)用，提高了厚大鑄鋼件的性能及內(nèi)部質(zhì)量，基本達(dá)到一次正回火滿足鑄件探傷和性能要求。減少了重復(fù)熱處理次數(shù)，釋放了熱處理設(shè)備的生產(chǎn)能力，生產(chǎn)應(yīng)用具有較大的經(jīng)濟(jì)和社會效益。

5 結(jié)論

l）試驗證明，大型鑄鋼件材質(zhì)鈦微合金化，可細(xì)化鑄件厚大熱節(jié)處鑄態(tài)晶粒組織，提高其熱處理效果，達(dá)到改善厚大鑄鋼件內(nèi)部質(zhì)量，減少正回火熱處理次數(shù)及費用的效果；

2）試驗確定大型鑄鋼件碳鋼及碳錳鋼材質(zhì)鈦微合金化鈦質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.005%～0.0l2%；

3）通過不同正火工藝的力學(xué)性能試驗結(jié)果，考慮鑄件的綜合機(jī)械性能，對鈦微合金化材質(zhì)熱處理正火溫度進(jìn)行了適當(dāng)提高，試驗確定了ZG270-500材質(zhì)鈦微合金化后優(yōu)化正火溫度為900℃.

［l］中國機(jī)械工程學(xué)會鑄造分會編.鑄造手冊:第2卷:鑄鋼［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2002.

［2］耿浩然，章希勝，陳俊華.鑄鋼［M］.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2007.

［3］李建華，吳開明，邱金鰲.Ti微合金化對3.5Ni鋼低溫韌性的影響［J］.武漢科技大學(xué)學(xué)報，20l2（3）：l69-l73.

［4］劉昌明，吳立新，鄭華.Ti-Nb復(fù)合高強(qiáng)鋼強(qiáng)化機(jī)理的研究［J］.鋼鐵研究，20l0（6）：22-24.

［5］吳海平.釩鈦微合金化對鑄態(tài)中錳鋼組織和性能的影響［J］.鑄造設(shè)備與工藝，20ll（06）：l2-l3.

Study and Application of Titanium Micro-alloying Process for Large Steel Casting

WEI Xin-hong，YAO Guo-ping
（Taiyuan Heavy Industry CO.，LTD.，Taiyuan Shangxi 030024，China）

Aiming at the coarse grain problem occured in the poduction of large steel casting，this paper researched the titanium micro-alloying process of steel casting，contrasted and analyzed the mechanical properties，metallographic structures，grain size，detectability，etc.The results proved that the titanium micro-alloying process had the remarkable effect of grain refinement，and the process of one-time normalizing and tempering can basically met the inspection requirements for large steel castings.The internal quaulity of casting was enchanced，and the properties of castingwere improved.

large steel castings，titanium micro-alloying，grain refinement.

TGl42，TGl56

A

l674-6694（20l7）05-004l-03

20l7-07-l5

衛(wèi)心宏（l963-），男，高級工程師，主要從事鑄鋼件材質(zhì)及工藝研究。

l0.l6666/j.cnki.issnl004-6l78.20l7.05.0l0