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線上GH132合金爐底輥，各項力學性能指標均達到設計要求，降低了制造成本.

高溫合金;電渣熔鑄;渣系;力學性能

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、順序凝固及自補縮特點，其鑄件質量可達到同材質鍛軋材水平.

如文獻［1］所說，電渣正向著大型化、精確化方向發展.從工程應用角度，電渣重熔/熔鑄正向核電、火電等行業的核心鑄鍛件領域發展.目前，在中小型曲軸、軋鋼支撐輥、空壓機連桿等零件的制備方法上電渣熔鑄具有明顯的優勢，并實現了以鑄代鍛.

1 試驗方法及設備

試驗電極為GH132高溫合金，其化學成分見表1.

表1GH132合金的化學成分(質量分數)Table 1 Chemical composition of alloy GH132(mass fraction) %

試驗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機，采用XJL－02型立式金相顯微鏡觀察組織.

2 熔渣設計

GH132合金爐底輥渣系的設計涉及諸多因素，主要考慮電渣熔鑄過程的穩定、抑制電渣熔鑄過程中鈦的燒損、保證鈦氧化反應均勻進行和熔渣必要的工藝性能等，針對上述影響因素，以CaF2－Al2O3－MgO－TiO2四元渣系為基礎進行GH132高溫合金支撐輥渣系設計為Al2O3－TiO2－MgO－CaO－CaF2.配比質量分數為:CaF213.5%、Al2O345%、CaO 27%、MgO 7%、TiO27.5%.

采用五元渣系熔鑄GH132合金爐底輥試驗件試驗結果如圖1所示.由試驗數據可知，采用五元渣系熔鑄GH132合金爐底輥試驗件鈦燒損量在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［2］給出了一些高溫合金熔鑄過程中出現缺陷的統計結論:

(1)含鈷質量分數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的質量分數很高(均為7.5%～9.5%)才產生表面缺陷.

(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生渣溝缺陷，當高溫合金中w［Ti］達3%時，不僅在合金錠下部易產生渣溝，而且在交換電極處也易產生分流眼和渣溝.根據以上分析可知，高溫合金中的Ti是使重熔合金錠產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進入渣中，可使渣中TiO2的質量分數高達10%～15%，高的TiO2含量使渣的電導率明顯增大，這已被Ogino的研究所證實.在高TiO2含量、高電導率渣下進行重熔，若充填比高，則在電極與結晶器壁之間的距離小于兩電極的極間距時，電極電壓就會擊穿熔池渣殼，使電極電流經由上層渣和結晶器壁，從擊穿部位回到熔池，在擊穿部位形成分流眼.當電流控制不穩、起伏較大時，就會隨時在整個鑄錠上產生分流眼.而且還會伴隨渣溝缺陷.

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在充分化渣基礎上再轉入正常重熔電流熔煉;④隨正常熔鑄過程的進行，降低電壓給定值，使爐口電壓穩定在57 V.

4 GH132合金爐底輥組織分析

電渣重熔鑄錠經720℃持續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720℃持續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，黑色顆粒物質較多，晶界不明顯，經過時效處理后晶界周圍有γ'相析出.

由圖2及圖3可以看出，鑄件時效后晶粒周邊有黑色顆粒物質.通過分析及對照金相組織圖譜可知黑色物質可能為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狀和條狀物質，此為在時效過程中重新析出的γ'相.

圖3 電渣重熔鑄錠經720℃持續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

常規熱處理后鑄件力學性能如表2所示，滿足同材質鍛件性能要求.

6 結論

(1)保護渣配比質量分數為13.5%CaF2－45%Al2O3－27%CaO－7%MgO－7.5%TiO2時，GH132合金的Ti燒損最小.

(2)最佳熔鑄工藝參數: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，抗拉強度，抗彎強度，沖擊韌性，逐漸降低，但合金力學性能的方向性不明顯.

表2 時效處理后試樣力學性能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的發展［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.

高檔數控機床與基礎制造裝備科技重大專項資助 (2009ZX04006－031).

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