CN102228975B - 一种制造管类或环类耐磨耐热耐蚀钴基铸造合金的方法 - Google Patents

一种制造管类或环类耐磨耐热耐蚀钴基铸造合金的方法 Download PDF

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Abstract

一种制造管类或环类耐磨耐热耐蚀钴基铸造合金零部件的方法，属于金属材料领域。本发明采用型筒离心铸造方法制造铸造钴基合金筒类或环类零部件，通过控制离心铸造的温度、转速以及设计涂料成分，能够获得细晶粒、高致密度和高性能的耐磨耐热耐蚀钴基合金。浇注前将型筒内壁喷涂0.5～1mm厚的涂料并进行预热，型筒的预热温度为350～450℃，型筒的转速控制在800～1000转/分，型筒转速稳定后进行浇注，熔融的钴基合金浇注温度为1600～1700℃，浇注速度应控制在5～8kg/s范围内。本发明不需后期的等静压处理，一次可以制造长达数米的钴基合金管，可以根据实际长度要求从管上进行截取，大大提高了生产效率，降低了生产成本。

Description

一种制造管类或环类耐磨耐热耐蚀钴基铸造合金的方法
技术领域
本发明属于钴基合金制造领域，发明了一种制造管类或环类耐磨耐热耐蚀钴基铸造合金的方法。
背景技术
钴基合金在650～1100℃具有较高的高温强度、高温抗疲劳性能、抗热震冲击性能和良好的抗氧化、耐腐蚀性能，高的耐磨粒磨损以及良好的抗金属间磨损等性能。广泛用于耐磨、耐腐蚀、耐高温、抗冲击等工矿条件下的各类零部件的制造，如超超临界汽轮机中的密封环、导向套筒以及活塞环等，航空喷气发动机、工业燃气轮机、舰船燃气轮机中的导向叶片和喷嘴导叶以及柴油机喷嘴等。钴基合金按制备工艺分为铸造钴基高温合金、变形钴基高温合金和粉末冶金高温合金。耐磨耐热耐蚀钴基高温合金是依靠在纯钴中加入大量的Cr、Mo或W和C等元素形成的碳化物进行强化，因此合金容易受加工硬化影响而不易采用变形成形，只能采用铸造的方法进行制备成形。耐磨耐热耐蚀钴基合金产品种类较多，其中很大一部分以管类或环类为主，如钴基合金密封环、导向套以及活塞环等。目前该部分产品还主要以静态砂型铸造的方法进行生产，该方法由于一个砂型仅能使用一次，因此存在批量化生产效率较低、成本高等问题，此外，由于砂型铸造本身存在的铸造合金密度不高、晶粒粗大等问题，如需提高性能需进行后期等静压处理，这进一步增加了制造成本。
发明内容
本发明目的是解决现有技术采用砂型铸造本身存在的批量化生产效率较低、成本高及铸造合金密度不高、晶粒粗大等问题。
一种制造管类或环类耐磨耐热耐蚀钴基铸造合金的方法，其特征是采用型筒离心铸造方法制造铸造钴基合金筒类或环类零部件，通过控制离心铸造的温度、转速以及设计涂料成分，能够获得细晶粒、高致密度和高性能的耐磨耐热耐蚀钴基合金。浇注前将型筒内壁喷涂0.5～1mm厚的涂料并进行预热，型筒的预热温度为350～450℃，型筒的转速控制在800～1000转/分，型筒转速稳定后进行浇注，熔融的钴基合金浇注温度为1600～1700℃，浇注速度应控制在5～8kg/s范围内。采用离心铸造的方法制备耐磨耐热耐蚀钴基高温合金管类或环类零部件，特别适合于采用中频非真空冶炼的钴基合金，合金的具体成分不限。具体工艺为：
首先将钴基合金采用中频非真空炉进行熔炼，调整合金的温度到1600～1700℃，然后将熔融的钴基合金进行离心铸造，铸造的工艺参数如下：型筒应选用ZG45Ni35Cr26耐热钢铸件，型筒厚度25mm～50mm，型筒长度不限，浇注前将型筒内壁喷涂0.5～1mm厚的涂料并进行预热，涂料的主要成分锆英粉+石英粉+聚合氯化铝+膨润土(钠基)+超细钴粉，表1列出了涂料中各种添加料的性质、作用和含量，型筒的预热温度为350～450℃，型筒的转速应控制在800～1000转/分，型筒转速稳定后进行浇注，熔融的钴基合金浇注速度应控制在5～8kg/s范围内。浇注完毕后应保持浇注转速3～5分钟，待合金凝固后将钴基合金管件从型筒中取出。待合金凝固后将钴基合金管件从型筒中取出。待型筒温度降至要求温度后将型筒内壁残余的涂料挂掉后继续喷涂新涂料，进行下一根管件的浇注。
表1 离心铸造钴基合金涂料配方
Figure BSA00000512601200021
本发明采用离心铸造的方法制造铸造钴基合金管类或环类零部件，通过控制离心铸造的温度、转速以及设计涂料成分和厚度，能够细化耐磨耐热耐蚀钴基合金的晶粒、提高合金密度和性能，不需后期的等静压处理，此外本方法一次可以制造长达数米的钴基合金管，可以根据实际长度要求从管上进行截取，因此大大提高了生产效率，降低了生产成本，适合进行批量化生产。
本发明的优点在于
管类或环类钴基合金采用离心铸造工艺时，由于在离心力下进行凝固，合金中基本无气孔缺陷，枝晶之间也无疏松等缺陷，因此合金的密度较高，接近全致密，不需后期的等静压处理，如表2所示。
表2以GH605合金为例，采用本发明的离心铸造工艺和普通砂型铸造时
合金的晶粒尺寸和致密度(实际密度与理论密度之比)的对比。
表2制备工艺对钴基合金性能影响
Figure BSA00000512601200031
本发明设计的涂料兼顾保温和导热双重特性。如果涂料保温效果好而导热不好，则容易造成合金凝固晶粒多大，达到1～2mm，尤其是碳化物的尺寸过大，容易导致合金高温强度变差，易产生裂纹缺陷。如果保温不好，导热效果好，则容易导致合金凝固过快，气体来不及排出而在合金中形成缺陷。本发明设计的涂料考虑了保温和导热等问题，因此所制备的钴基合金无气孔等缺陷。最为重要的是，涂料中加入了钴基合金凝固的形核催化剂-超细钴粉，可以进一步细化合金晶粒。钴基合金浇入到型筒中，在离心力的作用下与型筒内的涂料首先接触，涂料中的超细钴粉进入正在凝固的铸件表面层，可以作为合金的外来晶核，增加凝固形核的质点，使铸件表层得以细化，随着凝固由表及里逐步进行，使得晶粒逐步细化，如图1(以GH605合金为例)所示，涂料中加超细钴粉时合金的晶粒尺寸平均约为60μm，远低于未加时的135μm(图2)，因此合金的力学性能也得到进一步提高，屈服强度和延伸率可以分别提高20％以上，抗拉强度可以提高10％以上。图3中同时给出了砂型铸造时获得的GH605钴基合金显微组织，可以看出，合金的晶粒尺寸是离心铸造时的4倍。因此砂型铸造的合金性能比较低。加入超细钴粉后合金的晶粒细化了一倍。晶粒细化有助于提高钴基合金的高温力学性能，增加其可靠性。
附图说明：
图1涂料中加入超细钴粉时离心铸造钴基合金显微组织(GH605)
图2涂料中未加入超细钴粉时离心铸造钴基合金显微组织(GH605)
图3砂型铸造钴基合金(GH605)显微组织
具体实施方式：
实施例1：采用离心铸造工艺制备内径为Φ40mm，壁厚3mm，长度为4000mm的钴基合金管件用以制作钴基合金套筒
首先按照表3要求的合金成分在非真空感应炉中进行合金熔炼，采用熔渣保护，渣成分如表4所示。熔炼合金的同时，将型筒内喷涂涂料，型筒选用材质为ZG45Ni35Cr26耐热钢铸件，型筒厚度25mm，内径50mm，长度4500mm，涂料配方如表5所示，涂料厚度为0.7mm，涂料喷涂完毕后将型筒进行预热，预热采用燃气外壁加热的方式，预热温度370℃。将熔炼均匀的钴基合金转移到钢包中移至离心铸造机前进行离心铸造，离心浇注时型筒的转速为900转/分，钴基合金温度为1650℃，浇注速度为7kg/s，浇注完毕后保持既定转速4分钟，然后开始降速，型筒外壁喷水冷却，待温度降至300℃以下后取出，这样整个离心铸造过程就结束了，然后将型筒内壁的涂料刮掉，重新进行涂料喷涂，进行下一根管件的操作。
实施例2：制备内径为Φ800mm，壁厚20mm，长度为500mm的钴基合金管件用以制作钴基合金密封环
将表3中合金元素在非真空感应炉中进行熔炼，采用熔渣保护，渣成分如表4所示。熔炼合金的同时，将型筒内喷涂涂料，型筒选用材质为ZG45Ni35Cr26耐热钢铸件，型筒厚度30mm，内径845mm，涂料配方如表5所示，涂料喷涂厚度为1mm，涂料喷涂完毕后将型筒进行预热，预热采用燃气外壁加热的方式，预热温度420℃。将熔炼均匀的钴基合金转移到钢包中移至离心铸造机前进行离心铸造，离心浇注时型筒的转速为1000转/分，钴基合金温度为1700℃，浇注速度为8kg/s，浇注完毕后保持既定转速3分钟，然后开始降速，型筒外壁喷水冷却，待温度降至300℃以下后，从型筒中取出钴基合金管。
需要说明的是，本发明的实例仅是制作钴基合金管件或环件毛坯的方法，实际需要的钴基合金管类或环类零部件长度都比较小，这样可以根据实际需要从离心铸造较长的管子上进行截取，然后再根据需要统一进行热处理和机加工，这样即可大大提高生产效率。
表3 钴基合金成分
Figure BSA00000512601200051
表4 熔渣配方
Figure BSA00000512601200052
表5 涂料配方
Figure BSA00000512601200053

Claims (1)

1.一种制造管类或环类耐磨耐热耐蚀钴基铸造合金的方法，其特征在于采用型筒离心铸造方法制造铸造钴基合金管类或环类零部件，通过控制离心铸造的温度、转速以及设计涂料成分，能够获得细晶粒、高致密度和高性能的耐磨耐热耐蚀钴基合金；浇注前将型筒内壁喷涂0.5～1mm厚的涂料并进行预热，型筒的预热温度为350～450℃，型筒的转速控制在800～1000转/分，型筒转速稳定后进行浇注，熔融的钴基合金浇注温度为1600～1700℃，浇注速度应控制在5～8kg/s范围内，浇注完毕后应保持浇注转速3～5分钟，待合金凝固后将钴基合金管类或环类零部件从型筒中取出；离心铸造时，型筒内壁喷涂的涂料配方如下：每1000g水加入石英粉80～120g、锆英粉70～80g、聚合氯化铝6～10g、钠基膨润土20～30g、超细钴粉10～15g，超细钴粉的平均粒度应控制在小于0.5μm范围内。 
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