CN102965535A - 一种利用铸造高温合金k414返回料制备k414合金的方法 - Google Patents

Abstract

本发明的目的在于提供一种利用铸造高温合金K414返回料制备K414合金的方法，其特征在于，采用全部返回料进行K414合金的生产，对返回料表面进行特别的预处理，去除表面残留的所有杂物；之后对合金采用两次高温精炼处理，在精炼过程中采用低频搅拌，进一步去除材料中的低熔点杂质及氧化物。对浇注采用两级不同孔径的过滤网挡渣，进一步提高合金的纯净度。该方法充分利用返回料资源，采用100％返回料的利用方案，用真空感应熔炼方法进行返回料合金的生产，在保证合金质量的前提下，提高材料利用率，可有效降低生产成本。

Description

一种利用铸造高温合金K414返回料制备K414合金的方法

技术领域

本发明属于铸造高温合金领域，特别提供一种利用铸造高温合金K414返回料制备K414合金的方法。

背景技术

耐磨铸造高温合金为燃汽轮机结构件用高温合金，该合金具有较好的高温性能，突出特点为具有较好的耐磨性。目前生产用耐磨铸造高温合金全部为采用纯元素生产（即采用多种纯元素进行高温合金的熔炼）的新料合金，生产成本较高，并且在铸件的生产中，有效利用率为30％左右，约70％的材料将作为浇注系统不能使用，因此在批量生产中产生大量的返回料，如不加以利用，将造成材料的浪费。

发明内容

本发明的目的在于提供一种利用铸造高温合金K414返回料制备K414合金的方法，用于制造使用温度在400℃以下，受力较大，对耐磨性及高温持久强度要求较高的高温合金结构件。该方法充分利用返回料资源，采用100％返回料的利用方案，用真空感应熔炼方法进行返回料合金的生产，在保证合金质量的前提下，提高材料利用率，可有效降低生产成本。

本发明具体提供了一种利用铸造高温合金K414返回料制备K414合金的方法，其特征在于，制备工艺如下：

（1）、原材料的预处理：

首先对K414合金铸件生产过程中产生的返回料即冒口、浇道及废铸件进行滚磨处理，去除材料表面的富氮层，然后对材料进行吹砂处理；之后对材料进行酸洗、水洗，最后用压缩空气去除材料表面的残留水分；

（2）、合金一次熔炼：

合金的熔炼：将预处理完毕的K414返回料放入熔炼坩锅中，采用真空感应熔炼炉进行合金的熔炼，当真空度小于6Pa时，分段送电熔化，控制升温速率为10～15℃/min，待温度达到700℃时，控制升温速率为15～20℃/min，当坩埚内返回料全熔后，在真空下加入剩余未装入坩埚的返回料，返回料的加入过程可以分多次进行；当全部返回料加入完毕后，以10～15℃/min的升温速率将钢水升温至精炼温度；

合金的精炼处理：精炼温度为1550～1600℃，保持熔炼室真空度在1Pa以内，精炼时间20～50min；

搅拌处理：精炼后停止加热，对合金进行低频搅拌处理，所述低频为200~500Hz，处理时间为10~20min；然后将钢水降温到1400～1500℃时进行浇注，浇注过程采用两级过滤网过滤；

（3）、化学成分调整：

分析返回料一次熔炼后料锭的化学成分，如其化学成分在成分限以内，直接进行合金的二次熔炼；当其化学成分在成分限以外时，对元素按成分限的中间值进行配料；其中，所述成分限为重量百分比：C 0.05-0.08、Cr18-20、Mo 4.5-5.5、Al 1.2-1.5、Ti 2.5-3.1、Fe 8-10、Ni余量；

（4）、合金二次熔炼：

合金的熔炼：将补加的原材料与一次熔炼后的料锭一同放到熔炼坩锅中，采用真空感应熔炼炉进行合金的熔炼，当真空度小于1Pa时，分段送电熔化，控制升温速率为10～15℃/min，待温度达到700℃时，控制升温速率为15～20℃/min，升温至精炼温度；

合金的精炼处理：精炼温度为1550～1600℃，保持熔炼室真空度在0.5Pa以内，精炼时间20～50min；

搅拌处理：精炼后停止加热，采用低频进行合金的搅拌处理，所述低频为200~500Hz，处理时间为10~20min；然后将钢水降温到1400～1500℃时进行浇注，浇注过程采用两级过滤网过滤。

本发明充分利用了K414合金的返回料，提高了材料的利用率，从而有效地降低生产成本。且采用该方法熔炼的合金经过多次返回重新利用，其力学性能仍能满足技术条件要求，合金气体含量没有出现明显增加。目前已经采用返回料合金进行了高温合金结构件的生产，产品合格率与新料合金生产铸件的合格率水平相当。对一个铸造厂按年产耐磨返回料高温合金10吨进行计算，每吨合金节省费用12万元，年创造效益可达120万元。

附图说明

图1为返回料合金室温瞬时力学性能；

图2为合金的冲击性能；

图3为合金中温力学性能；

图4为返回料合金磨损失重与时间的关系。

具体实施方式

实施例1

采用100％返回料的利用方案，制备K414合金的工艺如下：

（1）、原材料的预处理：

首先对K414合金铸件生产过程中产生的返回料即冒口、浇道及废铸件进行滚磨处理，去除材料表面的富氮层，然后对材料进行吹砂处理，去除材料尖角内的黑色粉尘及表面残余的型壳等，达到表面光洁，之后对材料进行酸洗、水洗，最后用压缩空气去除材料表面的残留水分。材料经过分拣后，用于返回料合金熔炼用原材料；

（2）、合金一次熔炼：

合金的熔炼：将预处理完毕的K414返回料放入熔炼坩锅中，采用真空感应熔炼炉进行合金的熔炼，当真空度小于6Pa时，分段送电熔化，控制升温速率为10℃/min，待温度达到700℃时，控制升温速率为16℃/min直到合金全熔，之后分批在真空下加入剩余的返回料，当合金全熔后控制升温速率为15℃/min升温至精炼温度；

合金的精炼处理：精炼温度为1550℃，保持熔炼室真空度在1Pa以内，精炼时间50min，利用高温及高真空条件，进行合金的精炼处理；

搅拌处理：精炼后停止加热，采用低频进行合金的搅拌处理，所述低频为500Hz，处理时间为10min，使返回料合金中低熔点的杂质元素及低密度的夹杂物能够充分上浮，利用电磁搅拌及坩埚的翻转使夹杂物粘到坩埚壁，使钢水得到净化；然后将钢水降温到1500℃时进行浇注，得到返回料合金锭，浇注过程采用两级过滤网过滤，第一级过滤网孔径为6mm，第二级过滤网孔径为4mm；

（3）、化学成分调整：

分析返回料一次熔炼后料锭的化学成分，所得化学成分为重量百分比：C 0.06、Cr 20、Mo 4.5、Al 1.3、Ti 3.0、Fe 9、Ni余量；其成分配比在成分限之内，直接进行合金的二次熔炼；

（4）、合金二次熔炼：

合金的熔炼：将返回料一次合料锭装入熔炼坩埚中，采用真空感应熔炼炉进行合金的熔炼，当真空度小于1Pa时，分段送电熔炼合金，控制升温速率为15℃/min，待温度达到700℃时，控制升温速率为20℃/min直到合金全熔，升温至精炼温度；

合金的精炼处理：精炼温度为1600℃，保持熔炼室真空度在0.5Pa以内，精炼时间25min；

搅拌处理：精炼后停止加热，采用低频进行合金的搅拌处理，所述低频为300Hz，处理时间为18min，使返回料合金中低熔点的杂质元素及低密度的夹杂物能够充分上浮，利用电磁搅拌及坩埚的翻转使夹杂物粘到坩埚壁，使钢水得到净化；然后将钢水降温到1400℃时进行浇注，得到一次返回料合金锭，浇注过程采用两级过滤网过滤，第一级过滤网孔径为6mm，第二级过滤网孔径为4mm。

采用以上工艺步骤所熔炼成的合金锭定义为100％一次返回料合金锭。

采用100％一次返回料合金锭进行铸件的浇注，浇注铸件后剩余的合金再次经过两次真空感应熔炼，即重新进行步骤（2）~（4），由此得到的合金锭定义为l00％二次返回料合金锭（即合金返回次数为2）。以此类推，以该种方式生产的合金锭定义为100％三次返回料合金锭，100％四次返回料合金锭。

采用以上工艺生产的返回料K414合金，室温条件下合金的瞬时力学性能如图1所示。随返回次数增加，合金的塑性有所提高。三、四返回料合金强度极限略有降低。

新料（即新的K414合金材料，返回次数为0次）及返回料合金的600℃/590MPa的持久寿命如表1所示，不同返回次数合金的持久性能均大于100h。表中的试验结果为试样寿命>100h后每24h加力20MPa，从结果看合金的断裂时间均达到135h以上。

表1 合金的持久性能

合金的冲击性能如图2所示。不同返回次数的合金冲击平均值控制在60～80J/cm²之间，随返回次数的增加性能略有起伏，但变化不大，均超出技术条件要求的大于等于39J/cm²。1～4次返回料合金的冲击值略高于新料的冲击值，二次返回料合金的冲击值（ak值或冲击韧性)略高。

图3列出了不同返回次数合金600℃条件下的瞬时力学性能，600℃条件下随返回次数增加，合金的屈服强度、强度极限有所增加，断面延伸率下降。

图4列出了不同返回次数合金的耐磨性测试结果，采用粒度为150#摩擦副，加载力矩20N·m。返回料合金经过多次返回熔炼后，合金的耐磨性与新料合金相当，总体耐磨性变化不大。

实施例2

采用100％返回料的利用方案，制备K414合金的工艺如下：

（1）、原材料的预处理：同实施例1；

（2）、合金一次熔炼：

合金的熔炼：当真空度小于6Pa时，分段送电熔化，控制升温速率为15℃/min，待温度达到700℃时，控制升温速率为20℃/min直到合金全熔，之后在真空下分批加入全部的返回料，最后以10℃/min升温至精炼温度；

合金的精炼处理：精炼温度为1550℃，保持熔炼室真空度在1Pa以内，精炼时间30min；

搅拌处理：精炼后停止加热，采用低频进行合金的搅拌处理，所述低频为200Hz，处理时间为20min；然后将钢水降温到1500℃时进行浇注，得到返回料合金锭，浇注过程采用两级过滤网过滤，第一级过滤网孔径为6mm，第二级过滤网孔径为4mm；

（3）、化学成分调整：

分析返回料一次熔炼后料锭的化学成分，所得化学成分为重量百分比：C 0.03、Cr 16、Mo 5.0、Al 1.0、Ti 3.0、Fe 9、Ni余量；其成分配比在成分限之外，对元素按成分限的中间值进行配料，按装炉料重量配入重量百分比为C 0.035、Cr 3.0、Al 0.35的三种元素；

（4）、合金二次熔炼：

合金的熔炼：将补加的原材料与一次熔炼后的料锭一同放到熔炼坩锅中，采用真空感应熔炼炉进行合金的熔炼，当真空度小于1Pa时，分段送电熔炼合金，控制升温速率为10℃/min，待温度达到700℃时，控制升温速率为15℃/min直到合金全熔，升温至精炼温度；

合金的精炼处理：精炼温度为1550℃，保持熔炼室真空度在0.5Pa以内，精炼时间50min；

搅拌处理：精炼后停止加热，采用低频进行合金的搅拌处理，所述低频为500Hz，处理时间为10min，使返回料合金中低熔点的杂质元素及低密度的夹杂物能够充分上浮，利用电磁搅拌及坩埚的翻转使夹杂物粘到坩埚壁，使钢水得到净化；然后将钢水降温到1500℃时进行浇注，得到一次返回料合金锭，浇注过程采用两级过滤网过滤，第一级过滤网孔径为6mm，第二级过滤网孔径为4mm。

所得合金其力学性能仍能满足技术条件要求，合金气体含量没有出现明显增加。

上述实施例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (1)

1.一种利用铸造高温合金K414返回料制备K414合金的方法，其特征在于，制备工艺如下：

（1）、原材料的预处理：

首先对K414合金铸件生产过程中产生的返回料即冒口、浇道及废铸件进行滚磨处理，去除材料表面的富氮层，然后对材料进行吹砂处理；之后对材料进行酸洗、水洗，最后用压缩空气去除材料表面的残留水分；

（2）、合金一次熔炼：

合金的熔炼：将预处理完毕的K414返回料放入熔炼坩锅中，采用真空感应熔炼炉进行合金的熔炼，当真空度小于6Pa时，分段送电熔化，控制升温速率为10～15℃/min，待温度达到700℃时，控制升温速率为15～20℃/min，当坩埚内返回料全熔后，在真空下加入剩余未装入坩埚的返回料，返回料的加入过程可以分多次进行；当全部返回料加入完毕后，以10～15℃/min的升温速率将钢水升温至精炼温度；

合金的精炼处理：精炼温度为1550～1600℃，保持熔炼室真空度在1Pa以内，精炼时间20～50min；

搅拌处理：精炼后停止加热，对合金进行低频搅拌处理，所述低频为200~500Hz，处理时间为10~20min；然后将钢水降温到1400～1500℃时进行浇注，浇注过程采用两级过滤网过滤；

（3）、化学成分调整：

分析返回料一次熔炼后料锭的化学成分，如其化学成分在成分限以内，直接进行合金的二次熔炼；当其化学成分在成分限以外时，对元素按成分限的中间值进行配料；其中，所述成分限为重量百分比：C 0.05-0.08、Cr18-20、Mo 4.5-5.5、Al 1.2-1.5、Ti 2.5-3.1、Fe 8-10、Ni余量；

（4）、合金二次熔炼：

合金的熔炼：将补加的原材料与一次熔炼后的料锭一同放到熔炼坩锅中，采用真空感应熔炼炉进行合金的熔炼，当真空度小于1Pa时，分段送电熔化，控制升温速率为10～15℃/min，待温度达到700℃时，控制升温速率为15～20℃/min，升温至精炼温度；

合金的精炼处理：精炼温度为1550～1600℃，保持熔炼室真空度在0.5Pa以内，精炼时间20～50min；

搅拌处理：精炼后停止加热，采用低频进行合金的搅拌处理，所述低频为200~500Hz，处理时间为10~20min；然后将钢水降温到1400～1500℃时进行浇注，浇注过程采用两级过滤网过滤。

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