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1、厚大断面不锈钢铸件铸造工艺研究 徐恩献 岳宗格 贾冠飞 赵永让（中信重工机械股份有限公司重型铸锻厂，河南洛阳 471000）摘要：中信重工生产的750吨米操作机关键件，材质为G-X4CrNi13-4QTII的厚大断面不锈钢铸件，研究了厚大断面不锈钢铸件的冶炼、铸造、热处理工艺，积累了不锈钢冶炼、铸造工艺设计和热处理方面的宝贵经验。关键词：厚大断面不锈钢铸件；G-X4CrNi13-4QT；铸造工艺中图分类号：TG242 文献标识码：AStudy on Foundry Technology of Thick Section Stainless Steel CastingAbstract: This
2、 paper systematically introduces the melting, casting and heat treatment process of G-X4CrNi13-4QT stainless steel castings. These castings are all thick and large cross section, and used in 750TM operation machine of 18500T Hydraulic machine in CITIC Heavy Industries. Through these studies, we have
3、 accumulated a lot of valuable experience.Key words: thick section stainless steel casting, G-X4CrNi13-4QT, foundry technology综述马氏体不锈钢是Cr含量在1218范围内的低碳或高碳钢。发展至今，已有近100年的历史。凭借其较高的硬度、强度和耐磨性，广泛应用于航天、航空、医疗、原子能和机械制造等领域。G-X4CrNi13-4材质的不锈钢与我国的ZG06Cr13Ni4Mo相近，在铸造领域ZG06Cr13Ni4Mo是在传统的ZG10Cr13和ZG20Cr13不锈钢的基础上降低
4、含碳量（C0.06%），提高含镍量（Ni4%6%），并加入适当的Mo，使组织为单一的低碳板条马氏体铸态组织，消除了铁素体和残余奥氏体，由于这种钢有良好的综合性能，强度和塑韧性配合恰当时，具有优良的锻、铸、焊和冷热加工性能，以及服役性能：如抗腐蚀性能，耐气蚀性能等，因而在水电、火电、核电、泵、阀、化工、高压容器和军事航天等方面获得应用。本文以本公司生产的、用在本公司18500油压机的750吨米操作机上，材质为G-X4CrNi13-4QTII的不锈钢铸件（共9件）为研究对象，由于该批不锈钢铸件的壁厚尺寸大，国内没有任何厂家生产过，生产工艺技术极具挑战性。该批产品的成功试制在满足了我公司18500油
5、压机对不锈钢铸件的需求、有力保证其生产进度的同时，也积累了许多关于不锈钢冶炼、铸造工艺设计和热处理方面的宝贵经验；这些经验为我公司进军核电、水电行业，打开不锈钢订货市场奠定了基础。1厚大断面不锈钢铸件特性分析1.1铸件的特性参数表1 2500KN/7500KNM操作机（夹钳装置）不锈钢铸件名称单件净重（）轮廓尺寸（mm）钳口112698200012801110钳口215567200012801110夹钳臂（左）32532420425472430延长臂33534536920101255夹钳臂（右）32532420425472430夹钳体435514000300025001.2 技术难点1） 截面
6、大，最大截面尺寸为14981500mm，为国内之最。2） 此批不锈钢材质属低碳马氏体不锈钢，钢水冶炼、成分控制难度很大，对150tLF/VD/VOD炉冶炼来说具有很高的难度。3） 不锈钢钢水易氧化，易产生冷隔和皱皮等缺陷，冒口切割也十分困难。4） 不锈钢浇注温度高、收缩大，缩尺不易掌握，尺寸难以控制。5） 不锈钢的导热性差，极易粗晶；表面易粘砂，易产生缩孔、缩松、裂纹、气孔等缺陷。6）马氏体转变温度低，且转变温度参数难以掌握，性能热处理均需进行工艺研究及生产试验。7）铸件需进行超声波和渗透探伤检查，超声按EN12680-T1中V2级执行，渗透探伤按EN1371中S2级执行，工艺保证难度极大。2
7、冶炼对铸件化学成分的选择，应保证铸态得到单一的马氏体组织，尽量减少铁素体和残余奥氏体，根据不同截面尺寸，考虑偏析因素，控制Ni/Cr当量比在0.360.44之间，最终组织为低碳板条马氏体和逆变奥氏体。其成分见表2，表中数值除给出范围者外，其余均为最大值。表2 G-X4CrNi13-4QT化学成分（w%）CCrNiSiMnMo0.0612.013.53.55.01.001.000.70PS残余元素CuVW总量0.0350.0250.500.030.100.80冶炼工艺过程为：电弧炉初炼LF精炼炉调整合金成分倒包除渣VOD吹炼VCD脱气破空加渣料加脱氧剂加合金VD处理微调成分和温度出钢浇注。3 铸
8、造工艺设计3.1冒口该批不锈钢件内部组织要求相当严，在设计冒口尺寸时必须保证冒口直径足够大，冒口数量按冒口双面补缩距离来确定。3.2浇注系统因该材质含碳量很低，含铬量较高，钢水在冶炼和浇注时及易氧化，若浇口设计不当，在浇注过程会有大量气孔卷入型腔造成铸件大面积气孔而报废。在浇注前两小时将氩气吹入型腔使型腔内空气彻底排出。内浇口必须多而分散，尽量底返并保证在短时间内铸件浇注完毕。3.3计算机模拟针对上述难点进行了技术攻关，首先运用Solidworks三维软件做出较为直观的立体图，根据立体图形进行分析研究，找出不容易补缩到的部位，确定是采用冒口还是放置冷铁，确定工艺方案及各项工艺参数，包括冒口尺寸
9、与数量、冷铁大小与位置、浇口的设置等。然后用凝固模拟软件Magma进行充型过程模拟和凝固过程模拟，在充型过程模拟中，观察充型是否平稳，以便确定浇口的数量及位置是否合理，在后处理中运用Niyama和Feeding两种判据，通过调整两种判据的参数设置，观察凝固过程中最容易出现孤立液相区的部位，验证所选用的冒口及冷铁是否能够很好达到补缩的要求，最终确定完整的工艺方案。3.4造型、覆盖材料 根据不锈钢含碳量低的特点，在造型和覆盖材料方面进行了慎重的选择：1）与铸件接触部位均采用铬铁矿水玻璃砂包石英水玻璃砂。2）型腔刷环保型锆英粉醇基涂料2遍。3）使用低碳漂珠型保温冒口套。 4）使用特制的低碳（固定碳3
10、%）发热覆盖剂和保温覆盖剂相结合。 总之，所用的造型和覆盖材料均优选了低碳、低发气量、耐高温的产品，这对避免气体侵入钢水、防止增加碳含量从而生产优质铸件起到了积极的作用。4 热处理由于此批不锈钢铸件的截面大，而不锈钢的导热性能较差，极易产生粗晶。为此制定了专用热处理工艺，具体热处理工艺如下：铸件落砂后，先进行一次高9801050温退火热处理，细化铸态组织；高温退火后进行580630软化退火并热割冒口；热割冒口后立即进炉执行540580回火处理；回火处理完后进行9801050正火，进一步细化组织；正火后进行540580回火，消除正火应力；回火炉冷至250时出炉在热状态避风条件下进行动火精整操作，
11、此时铸件温度须保持在150250温度区间；动火精整操作后再进行一次580630去应力退火，去应力退火后不得再动火操作。最终，获得满足设计要求的毛坯。图1至图4是其主要热处理情况。 图1 软化退火 图2 热割冒口 图3 正火 图4 回火为观察其初步热处理后的组织，对ZG06Cr13Ni4Mo不锈钢夹钳臂的试棒做了金相观察，如图5、图6所示。 图5金相照片 200 图6 金相照片 500图中的金相组织明显为板条马氏体，说明：1） G-X4CrNi13-4QT有淬透性很好的特性；2） 生产之前的认真策划达到了预期的效果。目前，该批厚大断面不锈钢铸件已全部用于我公司18500吨油压机配套的2500KN/7500KNm操作机上，运行情况良好。5结论1）在冶炼时，通过初炼炉脱磷，然后经过精炼炉进行脱硫、合金成分调整，倒包卡渣，最后经过VOD脱碳操作，成功地将不锈钢的含碳量控制在低于标准的0.06%。2）冒口与冷铁的合理配合放置既减小了热节、增强了补缩，又能有效防止铸件圆角处裂纹的产生。3）此种不锈钢在300左右会发生马氏体变，而马氏体相变会引起体积膨胀导致裂纹产生，为此制定热割冒口温度要在马氏体转变温度以上。4）特殊的热处理工艺可以防止粗晶，并使最终组织得到马氏体和逆变奥氏体。
