高鎳奧氏體球墨鑄鐵支撐的材質及鑄造工藝研究

陳 庚，孫 瑩，李崇斌，劉勤鵬

（中車大連機車車輛有限公司，遼寧大連 116021）

鎳含量為13%～36%的高鎳奧氏體鑄鐵，國外商業名稱是Ni-Resist，在常溫下具有穩定的奧氏體組織，有優秀的耐蝕性、耐熱性、無磁性，應用前景十分廣闊[1]。由于鎳資源稀少，價格高，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]，國內文獻中很難查閱到相關技術資料。公司為打開技術市場，特別為國外某著名輪機公司研發牌號為GGG-NiMn13-7的奧氏體球墨鑄鐵件做支撐。

1 鑄件結構及技術要求

1.1 鑄件結構

鑄件結構如圖1所示，此鑄件應用于汽輪機，鑄件壁厚約為40～50mm。由于使用條件惡劣，因而對鑄件質量要求較高。

圖1 鑄件結構

1.2技術條件

鑄件材料牌號為DIN1694-1981-9的GGG-NiMn13-7，具體要求見表1、2。鑄件需要熱處理，要求取本體試棒進行檢測，取試棒位置如圖2所示，鑄件磁導率小于1.05，對表面進行磁粉探傷檢測。

表1 化學成分

表2 室溫下力學性能

2 鑄件工藝性分析

圖2 取棒部位

GGG-NiMn13-7支撐鑄件結構形狀雖然很簡單，但因技術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。因此，需要設計合適的鑄造工藝。

3 鑄造工藝過程

3.1 熔煉工藝

3.1.1 化學成分的確定

雖然GGG-NiMn13-7奧氏體球墨鑄鐵的化學成分在技術標準中已有規定，但具體控制范圍則應考慮以下幾點：成分的選擇必須保證獲得技術標準規定的金相組織；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A的經驗公式為ω（C）+0.2×ω（Si）+0.06×ω（Ni）=A（常數），若鐵水的C、Si、Ni含量使飽和數大于某一極限值，則石墨形態就成碎塊狀分布；而 CE=ω（C）+0.3×ω（Si）+0.047×ω（Ni）-[0.0055×ω（Si）×ω（Ni）]；考慮到鐵水流動性、收縮性、白口傾向、石墨形態和成本等因素，根據標準確定出表3中的化學成分。

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%，當殘余鎂量過高時會出現黑渣，應控制在0.05%以下[3]。根據上述成分，計算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原因。

表3 化學成分 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爐料的潔凈度有較高的要求，加入前應拋丸處理，尤其是廢鋼的潔凈度，否則會加劇鐵水吸氫，進而造成出現皮下氣孔；爐料使用本溪的高純生鐵和A3風電鋼板。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用覆蓋劑覆蓋保溫，防止鐵水氧化，高鎳球鐵的熔點較高，鐵水流動性較差，為保證足夠的澆注溫度，鐵水出爐前的過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，可見鐵水發白，球化反映不劇烈，球化時沸騰溫度較低，產生的煙霧小，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。爐內孕育采用75硅鐵，爐前一次隨流孕育為長效的硅鋇孕育劑，促進石墨化，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，更類似于典型的結晶范圍很寬的合金。奧氏體鑄鐵組織中的奧氏體枝晶發達，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下[1]。頂冒口在奧氏體鑄鐵的補縮效果上要優于邊冒口。采用呋喃樹脂自硬砂生產，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，在最后凝固的熱節部位，設置頂冒口補縮，形成梯度溫度場。因熱節部位需取本體試棒進行檢測，要求該位置組織致密，不得有鑄造缺陷，所以對冒口的尺寸的設計需要特別注意。鑄件表面需進行磁粉探傷處理，這樣就對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，澆注系統截面積比為ΣA直：ΣA橫：ΣA內=2.00：4.00：1.00；頂冒口設在熱節的正上方，在鑄件的側面避開熱節處開設兩道扁薄內澆道，直澆道下方放置陶瓷過濾片以保證鐵水純凈度，一箱兩件生產，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，鐵水包應燙包兩次以上，鐵水出爐球化后，應快速扒渣并進行覆蓋保溫處理。澆注溫度不低于1460℃，澆注完成后，對冒口撒草木灰保溫，澆注應在5分鐘內全部完成。

3.4熱處理工藝

含鎳奧氏體鑄鐵件鑄態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，對其進行熱處理，熱處理后條狀碳化物轉變為粒狀碳化物。需特別注意的是，在高溫保溫后出爐時要快冷，因為奧氏體鑄鐵高溫保溫后，碳化物分解，碳固溶到高溫奧氏體內，在緩冷過程碳會在晶界中以細小碳化物形式析出，嚴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圖4所示。

圖4 熱處理工藝曲線

4 鑄件性能檢測結果

試棒檢驗結果見表4，檢驗后的數據結果滿足技術要求。

表4 試樣的力學性能

圖5 金相組織檢驗結果

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

檢測后最大磁導率小于1.05。鑄件研發成功。

5 結論

（1）嚴格精確地控制化學成分是生產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、性能符合標準的高鎳奧氏體球鐵的必需手段；

（4）鐵水出爐前，鐵水包預熱，能有效的解決球化處理后溫度降低過快的問題，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小碳化物的形式析出，嚴重降低奧氏體鑄鐵韌性；

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