CN104911461A - 汽轮机用耐高温硅钼铁素体球墨铸铁及其制备工艺 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种汽轮机用耐高温硅钼铁素体球墨铸铁及其制备工艺，该球墨铸铁成分为3.0～3.5％C，2.8～3.2％Si，Mn＜0.2％，P＜0.040％，S＜0.015％，0.5～0.8％Mo，Re＜0.010％，0.040～0.055％Mg，0.004～0.008％Sb，余为铁及残余元素。其制备工艺包括：炉料配比；中频感应炉熔化；进行球化处理，加入一次孕育硅铁；控制各元素含量；倒进拔塞浇口箱中进行二次孕育；浇注成型。本发明获得的球墨铸铁综合性能更好、成本更低廉，其球化率达到GB/T9441-2009《球墨铸铁金相检验》所规定的80％以上，铁素体量大于90％，常温及高温力学性能满足生产的要求。

Description

汽轮机用耐高温硅钼铁素体球墨铸铁及其制备工艺

技术领域

本发明涉及金属材料及其制备工艺，尤其涉及一种球墨铸铁及其制备工艺。

背景技术

球墨铸铁由于其具有良好的铸造性能及低生产成本的经济性在装备工程领域获得了大量的应用，如汽轮机汽缸、轴承座等。当今大功率、高参数、高可靠性、高热效率和清洁环保已经成为汽轮机技术的发展方向。汽轮机二次再热技术的应用使机组再热温度达到625℃，压力35MPa，其外缸的使用温度达到350～450℃，这对材料的强度、蠕变特性、抗氧化、抗疲劳等性能提出了更为苛刻的要求。普通球墨铸铁材料使用温度在350℃以下，为满足高温使用的要求，通常采用硅钼球墨铸铁进行生产制造。

以下专利“SIMO DUCTILE IRON CASTINGS IN GAS TURBINEAPPLICATIONS”(公开号US 20100322813 A1，公开日期2010.12.23)公开了一种燃气轮机用硅钼球墨铸铁件，其主要内容为:

1、材料组分为(质量百分比)2.8～3.7％C，3.0～3.5％Si，0.8～1.5％Mo，0.025～0.60％Mg，S＜0.01％，0～1.3％Ni，P＜0.05％，Ti＜0.05％，V＜0.05％，Sn＜0.05％，Al＜0.10％，Cr＜0.10％，Cu＜0.10％，Mn＜0.15％，余为铁。

2、铸件铁素体化热处理,加热至900℃保温至少7小时，然后冷却至720℃保温至少2小时，继续冷却至690℃保温至少8小时。

3、650～750℃除应力处理。

其效果为生产出一种适应燃气轮机高温下使用的球墨铸铁件。但该材料需消耗大量的钼合金及一定量的镍贵重金属，且铸件需进行高温铁素体化热处理及除应力处理，生产成本高，周期长。

中国专利“一种高硅钼耐热球墨铸铁的制备方法”(公开号CN 104141088A，公开日2014.11.12)公开了一种用于内燃机高温部件的球墨铸铁件制备方法。

1、其材料的组分3.2～3.4％C，3.7～4.3％Si，Mn≤0.3％，P≤0.05％，0.007～0.012％S，0.04～0.55％Mg，0.8～1.2％Mo。

2、铸件需进行时效去应力退火处理：50～80℃/h，加热至550～600℃，保温3.5～4h，然后缓冷，冷却速度30～50℃/h，冷却至250～200℃出炉空冷。

该材料中硅含量偏高，易使铸件产生脆性，增加铸件生产风险；同时需要进行时效去应力退火处理，延长生产周期，增加生产成本，

发明内容

本发明所要解决的技术问题是要提供一种综合性能更好、成本更低廉、满足汽轮机部件在高温下使用的耐热球墨铸铁及其制备工艺，获得耐高温球墨铸铁其球化率达到GB/T 9441-2009《球墨铸铁金相检验》所规定的80％以上，铁素体量大于90％，常温及高温力学性能满足生产的要求。

为解决上述技术问题，本发明的技术方案如下：

一种汽轮机用耐高温硅钼铁素体球墨铸铁，各成分的质量百分含量如下：，

C 3.0～3.5％，Si 2.8～3.2％，Mo 0.5～0.8％，Mg 0.040～0.055％，

Sb 0.004～0.008％，Mn＜0.2％，P＜0.040％，S＜0.015％，

Re＜0.010％，余为铁及残余元素。

同时本发明提供了一种汽轮机用耐高温硅钼铁素体球墨铸铁的制备工艺，其步骤包括：

a、炉料配比：用生铁50重量份，碳素废钢30重量份，球墨铸铁废铁20重量份，增碳剂1.10重量份；

b、中频感应炉熔化，炉料化清，升温至1520℃，除渣；加入硅铁，钼铁；温度1450℃时进行球化处理，以下百分比以铁液重量百分比计：

轻稀土球化剂为0.5％，重稀土球化剂为0.7％；覆盖0.2％硅铁粒及铸铁板；在球化过程中加入一次孕育硅铁0.6％；

控制铸铁中各元素的含量为：

C 3.0～3.5％，Si 2.8～3.2％，Mo 0.5～0.8％，Mg 0.040～0.055％，

Sb 0.004～0.008％，Mn＜0.2％，P＜0.040％，S＜0.015％，

Re＜0.010％，余为铁及残余元素；

c、将球化处理后温度为1380℃的铁液倒进拔塞浇口箱中，同时进行二次孕育，孕育剂加入量为0.25％，以铁液重量百分比计；

d、打开拔塞装置，浇注；成型的铸件自然冷却至200℃后从铸型中取出。

所研制的耐高温球墨铸铁其球化率达到GB/T 9441-2009《球墨铸铁金相检验》所规定的80％以上，铁素体量大于90％，常温及高温力学性能满足下表1的要求。

表1.硅钼铁素体球墨铸铁常温及高温力学性能

本发明的理论依据是：硅是促进石墨化、提高相变温度和抗氧化能力的最常见元素。硅能在铸铁表面形成具有很好保护效果的SiO₂钝化膜，在各种气氛中都具有优异的抗氧化性，同时具有一定自愈能力。钼提高球墨铸铁高温强度、增加抗蠕变能力和蠕变断裂特性，Mo≥0.46％时，固溶强化铁素体球墨铸铁效果明显，每增加1％的钼，抗拉强度增加42Mpa。在球铁中硅与钼形成金属间化合物MoSi₂，提高材料的耐磨性、耐高温腐蚀性和耐氧化性。

尤其是锑(Sb)作为改善球墨铸铁石墨形态添加使用。球墨铸铁中加入微量锑后，在凝固时锑被吸附在石墨和金属基体界面上，形成一层富锑障碍层，阻碍了氧向组织内部扩散，增加高温抗生长性和热疲劳性能。

本发明所具备的优点：

1.硅在球墨铸铁中具有双重性。既增加铁素体数量,提高韧性与塑性,同时又固溶强化铁素体基体,增加强度与硬度。但硅量的增加提高球墨铸铁的脆性-韧性转变温度，易使铸件产生脆性断裂。比较以上公开的专利，本发明中硅含量显著降低，避免了因硅含量高而产生的负面效应。

2.钼是正偏析的元素，在厚壁铸件中，由于冷却速度低，促进钼的偏析，形成复杂的合金化合物，降低球墨铸铁的塑性。同时，增加钼含量，促进形成球墨铸铁的晶间缩松。比较以上公开的专利，本发明钼含量大幅降低，不仅避免了上述缺陷，同时可以节约资源，降低生产成本。

3.比较公开的专利“SIMO DUCTILE IRON CASTINGS IN GAS TURBINEAPPLICATIONS”，本发明无需添加贵重金属镍，因而增加经济效益。

4.现有技术中同类型耐高温硅钼铁素体球墨铸铁产品需要进行铁素体化热处理及去应力处理后才能有效使用，而本发明通过成分的调整和熔炼、浇铸工艺的配合使得产品的铁素体量在铸态下已达到大于90％，已经完全满足了要求，无需进行铁素体化热处理，同时由于本发明独特的成分配以熔炼工艺、浇铸工艺和出箱温度使得铸态产品无需进行去应力处理即能满足要求；所以缩短生产周期，减少能源消耗，实现环保生产。

5.区别于以上公开的专利，本发明加入微量的锑，不仅有利于球墨铸铁组织的改善，同时提高球墨铸铁的高温强度，尤其是屈服强度。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。

图1本发明汽轮机用耐高温硅钼铁素体球墨铸铁制备工艺的流程示意图；

图2本发明实施例3的金相组织。

具体实施方式

以下实施例中产品为上海电气二次再热汽轮机中压外缸，其主要壁厚在60～350㎜，局部500㎜，浇注重量64.0吨。

材料为一种汽轮机用耐高温硅钼铁素体球墨铸铁，各组份的质量百分含量如下：，

C 3.0～3.5％，Si 2.8～3.2％，Mo 0.5～0.8％，Mg 0.040～0.055％，

Sb 0.004～0.008％，Mn＜0.2％，P＜0.040％，S＜0.015％，

Re＜0.010％，余为铁及残余元素。

下表为各实施例的成分取值：

上述汽轮机用耐高温硅钼铁素体球墨铸铁产品的制备工艺步骤如下(如图1所示)：

a、炉料配比：用生铁50重量份，碳素废钢30重量份，球墨铸铁废铁20重量份，增碳剂1.10重量份。

b、中频感应炉熔化，炉料化清，升温至1520℃，除渣；加入硅铁，钼铁；温度1450℃时进行球化处理，以下百分比以铁液重量百分比计：

轻稀土球化剂为0.5％，重稀土球化剂为0.7％；覆盖0.2％硅铁粒及铸铁板；在球化过程中加入一次孕育硅铁0.6％；

控制铸铁中各元素的含量为：

C 3.0～3.5％，Si 2.8～3.2％，Mo 0.5～0.8％，Mg 0.040～0.055％，

Sb 0.004～0.008％，Mn＜0.2％，P＜0.040％，S＜0.015％，

Re＜0.010％，余为铁及残余元素；

c、将球化处理后温度为1380℃的铁液倒进拔塞浇口箱中，同时进行二次孕育，孕育剂加入量为0.25％，以铁液重量百分比计；

d、打开拔塞装置，浇注；成型的铸件自然冷却至200℃后从铸型中取出。

经试验检测对应各实施例的各项性能如下：

其中实施例3的金相组织如图2所示。

本发明获得的汽轮机用耐高温硅钼铁素体球墨铸铁产品性能上满足GB/T9441-2009《球墨铸铁金相检验》所规定的球化率达到80％以上，铁素体量大于90％，常温及高温力学性能的满足要求如下表：

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应所述以权利要求的保护范围为准。

Claims (2)

1.一种汽轮机用耐高温硅钼铁素体球墨铸铁，其特征在于各成分的质量百分含量如下：，

C 3.0～3.5％，Si 2.8～3.2％，Mo 0.5～0.8％，Mg 0.040～0.055％，

Sb 0.004～0.008％，Mn＜0.2％，P＜0.040％，S＜0.015％，

Re＜0.010％，余为铁及残余元素。

2.一种汽轮机用耐高温硅钼铁素体球墨铸铁的制备工艺，其特征在于步骤包括：

a、炉料配比：用生铁50重量份，碳素废钢30重量份，球墨铸铁废铁20重量份，增碳剂1.10重量份；

b、中频感应炉熔化，炉料化清，升温至1520℃，除渣；加入硅铁，钼铁；温度1450℃时进行球化处理，以下百分比以铁液重量百分比计：

轻稀土球化剂为0.5％，重稀土球化剂为0.7％；覆盖0.2％硅铁粒及铸铁板；在球化过程中加入一次孕育硅铁0.6％；

控制铸铁中各元素的含量为：

C 3.0～3.5％，Si 2.8～3.2％，Mo 0.5～0.8％，Mg 0.040～0.055％，

Sb 0.004～0.008％，Mn＜0.2％，P＜0.040％，S＜0.015％，

Re＜0.010％，余为铁及残余元素；

c、将球化处理后温度为1380℃的铁液倒进拔塞浇口箱中，同时进行二次孕育，孕育剂加入量为0.25％，以铁液重量百分比计；

d、打开拔塞装置，浇注；成型的铸件自然冷却至200℃后从铸型中取出。