CN103611910B - 一种防止小口径双相不锈钢轴套离心铸造裂纹缺陷的方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于离心铸造技术领域，涉及一种防止小口径双相不锈钢轴套铸造产生裂纹缺陷的方法，在金属液浇注小口径双相不锈钢轴套时降低铸型转速，使铸型转速满足康斯坦丁诺夫公式中的调整系数β=0.85～0.90；在金属液浇注完毕25秒后，再次降低铸型转速，使铸型转速满足康斯坦丁诺夫公式中的调整系数β=0.70～0.80；同时，在金属液浇注小口径双相不锈钢轴套时，使铸件铸型质量比0.3≤M_件/M_型≤0.6。本发明的有益效果是将铸件参数、工艺参数等看成一个有机的整体，强调诸多参数之间的匹配关系，使双相不锈钢轴套在离心铸造中产生热裂的状况得到显著的改善，极大地降低了产品的制造成本和提高了生产效率。

Description

一种防止小口径双相不锈钢轴套离心铸造裂纹缺陷的方法

技术领域

本发明属于离心铸造技术领域，具体涉及一种防止小口径双相不锈钢轴套离心铸造裂纹缺陷的方法。

背景技术

不锈钢是铬含量大于10.5％（质量分数），且具有不锈性和耐酸性能的一系列铁基合金的统称，不锈钢是钢铁材料中最复杂的钢类，其钢种繁多（上百种），性能各异，目前一般将不锈钢分为奥氏体、马氏体、铁素体、奥氏体＋铁素体双相和沉淀硬化不锈钢5种类型。奥氏体不锈钢具有面心立方晶体结构，无磁性，不能通过热处理强化，奥氏体不锈钢塑性好、强度低；马氏体不锈钢金相组织中主要是低碳板条状马氏体，屈服强度约为奥氏体不锈钢的2倍，但伸长率也只有奥氏体不锈钢的一半左右。根据大量的生产实践表明——奥氏体不锈钢在离心铸造中产生热裂的倾向较小，马氏体不锈钢在离心铸造中产生热裂的倾向比奥氏体不锈钢要大；双相不锈钢在离心铸造中产生热裂的倾向比马氏体不锈钢还要大得多。目前已有的铸钢离心铸造方面论文资料多是对碳素铸钢（如ZG200-400、ZG310-570等），低合金钢（如ZG35Mn钢、ZG35CrMnSi钢等），奥氏体不锈钢（如ZG1Cr18Ni9Ti钢、ZG1Cr18Ni9Nb钢等）的研究，而对于离心铸造中热裂倾向很高的双相不锈钢套类件的研究，较为罕见。

根据手册（干勇等主编.钢铁材料手册[M].北京：化学工业出版社，2009.7.第一版）可知，双相不锈钢一般指奥氏体、铁素体共同存在所构成的钢种，目前广泛应用的是钢中α相（铁素体）和γ相（奥氏体）各占约50％的钢种。按双相钢中主体元素类型，双相不锈钢可分为Cr-Ni和Cr-Mn-N两个系列，但得到广泛应用的是Cr-Ni系双相不锈钢，为了得到恰当α与γ两相比例的组织，Cr-Ni系双相不锈钢中的铬量较高而镍量低，为了得到更加理想的耐蚀性，在Cr-Ni尚需加入钼、氮、铜、钨、铌、钛等。在此系列中主要钢类有18-5（Cr-Ni），22-5，25-5等三类。双相不锈钢在凝固状态下基本上是100％铁素体，在正常凝固和随后冷却过程中，在高温（1300℃附近）奥氏体首先在铁素体晶界上生核然后优先沿结晶学方向在晶内长大。由于在铁素体向奥氏体的转变过程中必然伴随合金元素的扩散，奥氏体形成元素（碳、氧、镍和铜）向奥氏体中积聚，而铁素体形成元素（铬、钼、钨和硅）向铁素体中积聚。

双相不锈钢兼有铁素体不锈钢和奥氏体不锈钢的特性，与铁素体不锈钢相比，它的韧性高、脆性转变温度低、耐晶间腐蚀和焊接性能显著提高，但仍保留了475℃脆性，σ相脆性等。与奥氏体不锈钢相比，其强度水平高，其屈服强度是奥氏体不锈钢的2倍，此外耐晶间腐蚀、耐应力腐蚀、耐腐蚀疲劳性能显著提高。有资料表明（吴玖.双相不锈钢[M].北京：冶金工业出版社，2000；朗宵等.我国船用铸造双相不锈钢的研究和应用进展[J].铸造.2011，（5）期；粱田等.核电叶轮用双相不锈钢热处理工艺研究[J].金属学报.2011，（7）期），双相不锈钢含有较高的Cr，离心铸造时铸件凝固从900℃～650℃温度区间内，在高温δ铁素体内会析出富Cr的σ相，σ相是一种Fe-Cr金属间化合物，晶体结构为正方晶系，有磁性，硬而脆，σ相是双相不锈钢中危害性最大的一种析出相，使钢的韧性、塑性和耐腐蚀性能显著降低，双相不锈钢的冷却速率越小，铁素体相分解就越完全，促使σ相析出就越多，相对硬度也越高，钢越易变脆；在400℃～500℃温度区间，双相不锈钢易产生475℃脆性。生产实践还表明——离心铸造时，当其他条件相同，铬含量较高的双相不锈钢，在高温δ铁素体内析出富Cr的σ相更多一些，故伸长率也更低一些，比起铬含量相对较低的双相不锈钢来说，热裂倾向更高一些。

根据手册（机械工程学会铸造学会.铸造手册第6卷，特种铸造[M].北京：机械工业出版社，1994.），康斯坦丁诺夫根据试验和经验数据得出,铸件如果在自由表面上的有效重度为3.4×106N/m³时,就可以保证得到形状完整、组织致密的铸件。据此可推导出在独联体和我国得到广泛使用的康斯坦丁诺夫离心转速公式，实际生产中需要将公式乘以一个系数β,即： $n=\frac{55200}{\sqrt{\mathrm{\γ}\·r_0}}\mathrm{\β}$

式中：n为铸型转速，r/min；γ为合金的重度，N/m³；r₀为铸件的内半径，m；β为调整系数，对于铸钢件套类件卧式离心铸造时，取β=1.0～1.3，β＜1.0时，一般被认为难以得到形状完整、组织致密的铸件。另外，由于某些轴套在圆筒外圆呈台阶状，钢液浇注到铸型后，轴套在轴向只能单向收缩，热裂风险很高。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种防止小口径双相不锈钢轴套铸造产生裂纹缺陷的方法。

为解决上述技术问题，本发明的技术方案为：

一种防止小口径双相不锈钢轴套铸造产生裂纹缺陷的方法，在金属液浇注小口径双相不锈钢轴套时降低铸型转速，使铸型转速满足康斯坦丁诺夫公式中的调整系数β=0.85～0.90,康斯坦丁诺夫公式为：

式中：n为铸型转速，r/min；γ为合金的重度，N/m³；r₀为铸件的内半径，m；β为调整系数；

在金属液浇注完毕25秒后，再次降低铸型转速，使铸型转速满足康斯坦丁诺夫公式中的调整系数β=0.70～0.80；

同时，在金属液浇注小口径双相不锈钢轴套时，使铸件铸型质量比0.3≤M_件/M_型≤0.6。。

进一步的，当所述小口径双相不锈钢轴套温度冷却至720℃～770℃时离心铸造机停止运行，待离心铸型停止转动时将所述小口径双相不锈钢轴套脱模，所述小口径双相不锈钢轴套脱模后在空气中冷却。

进一步的，喷涂铸型时将涂料薄而均匀的喷涂在铸型上，所述涂料采用超细复合耐火骨料配制成的水基喷涂涂料，所述涂料厚度为0.8mm～1.3mm。

进一步的，当所述小口径双相不锈钢轴套在圆筒外圆呈台阶状时，铸造时将所述台阶处铸造为圆台形。。

本发明的有益效果是将铸件铸型质量比、铸型转速等看成一个有机的整体，强调诸参数之间的匹配关系，通过诸参数之间的优化匹配、相互支撑补强、形成组合力量，使双相不锈钢轴套在离心铸造中产生热裂的状况得到显著的改善，极大地降低了产品的制造成本和提高了生产效率。

附图说明

图1为本发明实施例防止小口径双相不锈钢轴套铸造产生裂纹缺陷的方法中带台阶的不锈钢轴套结构剖视图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明的技术方案作进一步具体说明。

一种1.4460双相不锈钢轴套的离心铸造，铸造时采用中型卧式滚轮离心机铸造，该离心机能生产铸件的最大直径为400mm、最大长度为850mm，调速系统为行车上的调速系统，分为5档转速。铸型采用通用外套＋内套的结构，即在通用外套中装置专用内套的形式，这一方面是为了避免频繁地调整卧式离心机的轮间距，又便于不同尺寸的铸件能快速换模，提高生产效率，另一方面是为了降低离心铸型的成本。与单模相比，这种铸型结构也有不足之处，在离心机运转时，由于内套与通用外套之间有一定的间隙（直径方向上3mm），铸件在凝固过程中受到一定的震动，更容易产生热裂。因此，减轻铸件在凝固过程中受到震动是防止铸件产生热裂缺陷重要因素。

如图1所示，该小口径双相不锈钢轴套在圆筒外圆呈台阶状，铸造时将台阶处铸造为圆台形，能有效减小轴套所受的拉应力，可明显改善轴套台阶部位的热裂状况。

在离心铸造条件下,当钢液注入铸型后便形成了一个液态筒体,且由于钢液顺序凝固的特性及筒体外层温度梯度大的条件,使外表面凝固成一个薄的固态壳层。在离心力场作用下,此壳层受到的离心压力如下式:

式中：p_R为轴套外半径处的离心压力,Pa；ρ_液为金属液的重度，kg∕m³；n为铸型转速,r/min；R₀为轴套外半径，m；r₀为轴套内半径,m；δ为轴套壁厚,m。从式中可以看出:转速n越大、铸件外径越大、铸件壁厚越大，液态筒体受力也就越大，铸件外表面产生裂纹的可能越大，其中转速n以平方幅度递增，故转速n的影响最为显著。

根据康斯坦丁诺夫公式：式中：n为铸型转速，r/min；γ为合金的重度，N/m³；r₀为铸件的内半径，m；β为调整系数，取β=0.85～0.90，铸型转速降低，处于铸件组织不够致密、甚至金属液处于发生淋落的临界状态，为了对铸件所处的临界状态进行修复和补强，通过使铸件铸型质量比为0.3≤M_件/M_型≤0.6，提高铸型蓄热能力。当金属液浇入铸型后，在铸型的工作表面能较快地形成凝固层，且未凝固的金属液也较快地变得稠厚起来，有助于铸件组织致密及避免金属液的淋落。

具体的，当调整系数β从1.15降低为0.9时，可计算得出轴套外半径处的离心压力p_R也相应地减少到β=1.15时的（0.9/1.15）²=61.2％，通过降低离心转速，减轻铸件在离心机上的受震强度，这就大大降低了铸件外表面产生裂纹的可能。

在金属液浇注完毕的25秒后，金属液已冷凝进入到固相区，再进一步降低转速调整系数β=0.70～0.80，再次降低离心机转速，使运行中离心铸型的震动进一步减小，从而更加降低凝固过程中铸件中的应力，从而进一步降低双相不锈钢轴套的热裂倾向。

具体的，当调整系数β从1.15进一步降低为0.75时，轴套外半径处的离心压力p_R也相应地进一步减少到β=1.15时的（0.75/1.15）²=42.5％，从而进一步降低了铸件外表面产生裂纹的可能。

当金属液浇注完毕的后，观察到双相不锈钢轴套通红时则停止离心铸造机运行，此时双相不锈钢轴套温度已经冷却到750℃左右，待离心铸型转动停止时将铸件脱模，此时双相不锈钢轴套温度已经冷却到700℃左右。这可达到两个目的，一是在离心铸型的激冷作用下，使双相不锈钢很快通过900℃～650℃的温度范围，尽量减少σ相的析出；二是尽可能缩短离心铸型在离心机上的运行时间，使铸件脱离在离心机上受到震动的环境。

将脱模后的铸件放在空气中冷却，比起放在温度已较高的离心铸型中冷却，能够使脱模后的铸件能够更快地通过400℃～500℃温度区间，即降低双相不锈钢475℃脆性的影响。

喷涂铸型时将涂料薄而均匀的喷涂在铸型上，所采用的涂料采用超细复合耐火骨料配制成的水基喷涂涂料，其悬浮性（24h）≥98%，发气量≤16ml/g，高温抗裂性为一级。一方面可避免以下两种情况使钢水收缩受阻造成裂纹——①喷涂料时端盖处有涂料浆漏出而造成轴套两端产生飞刺，②因涂层在铸型内表面分布凸凹不平；另一方面是为了使铸件受到较好的激冷作用，快速通过σ相析出的900℃～650℃温度区间。

本发明实施例综合上述技术手段，将铸件铸型质量比、铸型转速等看成一个有机的整体，强调诸参数之间的匹配关系，通过诸参数之间的优化匹配、相互支撑补强、形成组合力量，使双相不锈钢轴套在离心铸造中产生热裂的状况得到显著的改善，极大地降低了产品的制造成本和提高了生产效率。

最后所应说明的是，以上具体实施方式仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (2)

1.一种防止小口径双相不锈钢轴套铸造产生裂纹缺陷的方法，其特征在于，在金属液浇注小口径双相不锈钢轴套时降低铸型转速，使铸型转速满足康斯坦丁诺夫公式中的调整系数β＝0.85～0.90,康斯坦丁诺夫公式为：

式中：n为铸型转速，r/min；γ为合金的重度，N/m³；r₀为铸件的内半径，m；β为调整系数；

在金属液浇注完毕25秒后，再次降低铸型转速，使铸型转速满足康斯坦丁诺夫公式中的调整系数β＝0.70～0.80；

同时，在金属液浇注小口径双相不锈钢轴套时，使铸件铸型质量比0.3≤M_件/M_型≤0.6；

当所述小口径双相不锈钢轴套温度冷却至720℃～770℃时离心铸造机停止运行，待离心铸型停止转动时将所述小口径双相不锈钢轴套脱模，所述小口径双相不锈钢轴套脱模后在空气中冷却；

当所述小口径双相不锈钢轴套在圆筒外圆呈台阶状时，铸造时将所述台阶处铸造为圆台形。

2.根据权利要求1所述一种防止小口径双相不锈钢轴套铸造产生裂纹缺陷的方法，其特征在于，喷涂铸型时将涂料薄而均匀的喷涂在铸型上，所述涂料采用超细复合耐火骨料配制成的水基喷涂涂料，所述涂料厚度为0.8mm～1.3mm。