高镍奥氏体铸铁的生产工艺特征

Vol. 24No. 2铸造技术

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　

Mar. 2003FOUNDR Y TECHNOLO GY ・91・

高镍奥氏体铸铁的生产工艺特征

申泽骥, 唐　骥, 苏贵桥

(沈阳铸造研究所, 辽宁沈阳110022)

摘要:根据高镍奥氏体铸铁凝固特性, 总结铸件工艺设计特点, , 阐述熔炼、球化和孕育、补焊、热处理工艺要点。

关键词:奥氏体铸铁; 工艺设计; 熔炼; 球化; 热处理

中图分类号:TG 257　　文献标识码:A　　文章编号:1000222C ast Iron C astings

, G Ji , SU Guiqiao

Institute of Foundry ,Shenyang 110022,China )

Abstract :the of high Ni austenitic cast iron , the effect of chemical composition and technological on mechanical property and soundness of castings are summarized. Based on that , the brief heat treatments such as melting , spheroidizeing , inoculation and repaired welding are discussed.

K ey w ords :Austenitic cast iron ; G ating ; Risering ; Melting ; Magnesium treatment ; Heat treatment

　　镍w 为13%～36%的高镍奥氏体铸铁, 国外商业名称是Ni 2Resist , 在海水等自然水、污水、盐、高温碱及稀酸中有很好的耐蚀性, 无磁, 可控热膨胀, 低温和高温抗氧化性能良好, 在很多领域应用。许多发达国家及ISO 都有完善的奥氏体铸铁标准。中国企业及铸件市场正逐步同国际接轨, 高镍奥氏体铸铁件的生产不断增加。本文对奥氏体铸铁的生产工艺要点进行总结, 促进中国奥氏体铸铁件生产水平的提高。1　凝固特性

奥氏体铸铁的线收缩和体收缩都大于普通铸铁, 接近于碳钢; 凝固特性与普通灰铸铁和球墨铸铁有很大不同, 也不同于碳钢, 更类似于典型的结晶范围很宽的合金。奥氏体铸铁组织中的奥氏体枝晶发达, 石墨和铬的碳化物充填枝晶间的空隙。奥氏体铸铁件的主要铸造缺陷是缩孔和缩松。无论是片状石墨还是球状石墨奥氏体铸铁, 要获得健全铸件, 都必须靠冒口建立起的铁液静压力和有利的温度梯度, 使液体的凝固始终处于正压力状态。2　铸造工艺设计要点211　浇注系统

浇注系统的设计应当使铸件中的温度梯度有利于顺序凝固, 避免出现孤立热节。顶注有利于铸件补缩。在分型面上开设内浇口比较方便。经验证明:在铸件

收稿日期:2002208230; 　　修订日期:2002211218

) , 辽宁铁岭人1研究员级高级工程师1从事作者简介:申泽骥(19462　

近冒口处的厚断面上, 开设内浇口比在薄断面上开多个内浇口更有利。浇注系统各部分断面比例为F 直∶

F 横∶F 内=4∶

8∶3。

212　冒口和冷铁

无论是球状石墨还是片状石墨奥氏体铸铁件, 采用冒口和冷铁, 同浇注系统配合, 使铁液有足够的静压力, 保证铸件顺序凝固, 使铸件上最后凝固部分有充分补缩是十分必要的。奥氏体铸铁件宜采用顶冒口, 特

殊件(如排气管) 则适合用侧冒口。

奥氏体铸铁件的冒口设计与碳钢、不锈钢类似。奥氏体铸铁件的冒口高度与直径之比值应当比铸钢件冒口的高径比大一些。奥氏体铸铁件冒口补缩距离根据经验, 至少相当于冒口直径的2倍。奥氏体铸铁件的冒口, 特别是片状石墨铸铁, 较难从铸件上切除, 设计冒口时要考虑到这一点。顶冒口的冒口颈部采用易割片。铸铁的石墨化膨胀作用使得冒口颈部既能使铸件热节部位充分补缩, 又能在热节中心凝固之前凝固。对于暗冒口, 可采用半球顶面的大气压力冒口; 对于明冒口, 要在表面加保温或发热覆盖剂, 或人工捣冒口。

对冒口补缩不到的厚断面和孤立热节, 应当使用冷铁。冷铁的设计规则与铸钢件相同。联合使用几块冷铁时, 冷铁之间的距离不要过大, 否则冷铁间易产生热裂。一般不要使用内冷铁或芯撑, 如必须使用时, 应采用同成分或更高合金量的材料制作, 防止影响铸件的耐蚀性。

213　造型材料的选择

高镍奥氏体铸铁研究1

奥氏体铸铁浇注温度比普通铸铁高、收缩大, 要求

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造型材料具有较高的耐热性、透气性、紧实率及良好的溃散性。砂芯退让性要好。小件可采用湿砂型, 中、大件应当采用刚性较好的铸型, 树脂砂、水玻璃砂及干型砂都可使用。3　铸件化学成分选择原则标准牌号的奥氏体铸铁都有明确的成分范围要求,

成分要符合标准要求是铸件交货的验收条件。目前ISO 和各发达国家的奥氏体铸铁标准规定的成分范围保证了铸件在常温下具有稳定的奥氏体基体和符合要求的耐蚀、耐热等性能, 能和铸件的完善性。, 理选择其成分311　碳当量对奥氏体铸铁件的缩孔、缩松倾向影响显著。图1[1]是薄壁球铁件热节部位缩松体积与碳当量的关系。

件中出现碎块石墨的倾向要比普通球铁大得多。为有效防止大断面球铁铸件中出现碎块石墨总碳(TC ) 硅和镍量的选择应满足下列公式[2]:

%TC+0. 2%Si +0. 06%Ni ≤4. 4%

3. 2铬及其他元素

w 约为0. 5%, , 碳化,

, 对片墨和。经验表明:对于Ni20Cr 型, 把铬的w 控制在1. 5%～2. 0%有利于得到健全铸件。在标准规定范围内, 奥氏体铸铁中的镍、铜、锰、磷和硫对铸件的缩松倾向及材质力学性能没有显著影响。高锰的S -NiMn234牌号奥氏体铸铁件中易形成含锰碳化物, 增加缩松倾向, 并且易产生气孔缺陷, 应注意预防。4　熔炼和炉前处理注意事项

(1) 炉料准备　奥氏体铸铁对气体敏感

、收缩大、易缩松, 且按成分交货验收。使其熔炼时选择炉料要特别注意成分准确、洁净, 不得过份氧化和含有害杂质元素。在批量生产Ni20型奥氏体片墨铸铁件过程中, 曾因某炉使用的废钢多数为严重锈蚀的薄板而铁液氧化, 铸件冒口上涨, 试样拉伸强度从常规的200MPa 下降到145MPa 。图3是因炉料中使用的废旧镍制品带入的微量有害元素而被恶化的Ni15型奥氏体灰铸

图1　奥氏体球铁件内部缩松体积与碳当量的关系

Fig. 1　The relations between inner shrinkage volume of

austenitic casting and carbon content

铁石墨形态, 试样拉伸强度只有123. 5MPa 。配料中

保持回炉料用量相对稳定很重要, 回炉料用量增加, 铸件缩松、缩孔明显增大。

　　对于薄壁或小型奥氏体球铁件, 选择高碳当量, 对减小铸件热节处的缩松倾向是很有利的。对于小的或薄壁的片状石墨奥氏体铸铁件, 高碳当量也有利于减小缩松倾向, 但过高的碳量会粗化石墨, 降低力学性能, 甚至达不到标准要求的最低值。

对于中等壁厚的奥氏体球铁件, 湿砂型铸造的无补缩球的实际直径 76mm 与碳当量的关系, 见图2[2]。碳当量较低时, 随碳当量增加, 铸球直径显著增加, 说明石墨化引起的体积膨胀增加, 碳当量超过4. 0%时, 碳当量变化对铸球直径影响不大。奥氏体铸铁的补缩系统设计特点与碳钢和不锈钢类似, 但石墨化引起的体积膨胀作用又与普通球铁相似, 采用刚性较好的铸型, 利用石墨化膨胀的自补缩作用, 减小冒口, 提高铸件工艺出品率。对于中等壁厚的球铁件, 选择近共晶成分的碳当量对获得无缩孔、缩松铸件是有利的。

出现碎块石墨是厚大奥氏体球铁铸件的主要缺陷, 普通球铁的大断面铸件中也存在。但奥氏体球铁

图2潮砂型铸球直径与奥氏体球铁碳当量的关系

Fig. 2　The relations between diameter of ball with green sand

mold and carbon content of austenitic ductile iron

(2) 熔炼　熔化速度应尽量快, 要严防炉料搭桥,

防止熔炼温度过高和保温时间过长。铁液出炉前及出炉过程中必须很好脱氧。脱氧剂可用硅、锰、铝等常用脱氧剂。要注意脱氧剂对铁液最终成分的影响。

《铸造技术》2/2003　　　　　　　　　　　　　　申泽骥等:高镍奥氏体铸铁的生产工艺特征　　　　　　　　　　　　　　・93・

可用手工电弧焊、氩弧焊、气焊等, 焊条可用同材质, 更

高Ni 牌号奥氏体铸铁, 纯镍或镍铁焊条。注意不能用碳钢焊条, 因补焊后焊接区域含Ni 量降低, 出现马氏体, 难加工, 且不耐蚀。要特别注意的是奥氏体铸铁中含Si 量高会显著降低可焊性, 需补焊的铸件在配料时应尽量取Si 量的下限。镁处理的, 用镍焊条。Mg 、Si 和P 含量及加入铌GGG -NiCrNb202奥氏

。值得注意的是用无镁的稀土球化剂处理的奥氏体球铁的可焊性优于普通铸铁和奥氏体灰铁, 与碳钢相近, 在纯镍焊条手工电焊条件下很容易做到焊接区域周围无裂纹。

(2) 热处理　一般奥氏体铸铁件都在铸态下使用。在高温碱、次氯酸盐中应用的铸件和在海水中应用的大型件, 因为有发生应力腐蚀的可能, 应当进行时效处理。人工时效的适宜温度范围是620～670℃。奥氏体铸铁中通常都有一定量的碳化物, 不影响加工性。当碳化物过多, 加工困难时, 可以高温退火, 改善加工性能。含铬奥氏体铸铁的退火温度982～1038℃, S -NiMn234型含锰球铁退火温度是850℃。要特别注意退火的奥氏体铸铁件在高温保温后要出炉快冷, 不能象普通铸铁那样随炉缓冷。因为奥氏体铸铁高温保温后, 碳化物分解, 碳溶入高温奥氏体, 在缓冷过程中碳会在晶界以细小碳化物形式析出, 严重降低奥氏体铸铁的韧性。6　结论

全世界奥氏体铸铁件生产量超过不锈钢铸件, 市场很大。目前我国奥氏体铸铁件生产量还很少。从奥氏体铸铁件应用特点看, 其生产方式属于多品种、小批量, 对于此类铸件, 中国的生产条件与国外差别相对较小。中国铸造界同仁应加强研究, 努力提高生产水平, 增强中国奥氏体铸铁件在国际市场上的竞争力。

参考文献

[1]　Cox G J. Factors Influencing the Castability of Austenitic

Spheroidal Graphite Cast Irons[J].Foundry Trade Journal , 1970,26(3) :5041

[2]　Morrison J C. Practical Production of Ni -Resistant Cast 2

ings[J].Foundry M &T,1998,128(8) :551

[3]　申泽骥, 姜炳焕, 苏贵桥. 稀土镍铜奥氏体球铁的研究

[J].铸造,1995(7) :529.

图3　被恶化的Ni15型奥氏体灰铸铁石墨形态　×250

Fig. 3　The graphite shape of No. 15Ni austenitic cast badly destroyed

(3) 球化处理　镁、化不利。、小型奥氏体球铁件时, 达到满意的效果。使用高、中稀土的稀土镁合金球化剂, 易使铸件中产生过多的碳化物, 石墨球形态不圆整, 铸件韧性和加工性能有所下降。生产大型或厚件, 球化剂中不宜含轻稀土, 因为在铸件凝固慢的情况下, 铈会使石墨球化衰退, 易出现碎块石墨。奥氏体球铁中的适宜残余镁量稍高于普通球铁, 一般最低Mg 残w 为0. 035%。球铁中的镁对焊接性能极为不利, 从可补焊性角度考虑, 残镁越低越好。Ni15Cu6型奥氏体铸铁用镁处理时可导致游离铜相析出, 用无镁的稀土处理, 不出现游离铜的问题。在严格控制的前提下, 也可以用稀土做球化剂, 生产Ni15Cu6型奥氏体球铁

[3]

。

(4) 孕育处理　奥氏体铸铁用孕育剂和孕育方法

与普通铸铁相同, 孕育剂主要是FeSi75, 孕育方法以瞬时孕育和型内孕育效果最佳。国外奥氏体灰铸铁孕育加硅量通常w 为0. 15%, 球铁w 为0. 5%。中国企业常采用包内冲入法, 孕育量也比国外高。奥氏体铸铁含镍量高, 镍也是石墨化元素。铸铁凝固冷却曲线分析表明:奥氏体铸铁共晶凝固过冷度比普通铸铁小得多。通常情况下, 奥氏体灰铸铁的三角试片尖端无白口。因而奥氏体灰铁孕育的作用主要是使组织均匀、细化。不孕育的奥氏体灰铁组织粗, 石墨细长, 铬的碳化物易成堆分布, 力学性能较低。当碳当量较高时, 孕育量不宜多, 过多的孕育硅反而会粗化石墨, 使性能下降; 在此情况下采用钡孕育剂效果较好, 试验表明:硅钡孕育剂比FeSi75孕育剂提高拉伸强度2～4MPa 。5　补焊和热处理

(1) 补焊　奥氏体灰铸铁的补焊特性和方法与普

通铸铁相同, 且奥氏体灰铁的可焊性稍优。补焊方法