CN106001514A

CN106001514A - 一种高硅奥氏体不锈钢铸件的铸造工艺

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Publication number: CN106001514A
Application number: CN201610486743.3A
Authority: CN
Inventors: 丁宏升; 史庆泰; 张晨; 王强; 欧阳明辉; 孙亮; 徐瑞栋
Original assignee: XUANDA INDUSTRIAL GROUP Co Ltd
Current assignee: XUANDA INDUSTRIAL GROUP Co Ltd
Priority date: 2016-06-29
Filing date: 2016-06-29
Publication date: 2016-10-12

Abstract

本发明涉及一种高硅奥氏体不锈钢铸件的铸造工艺。主要解决了现有的高硅奥氏体不锈钢铸件产品的局部疏松和显微裂纹，造成铸件水力耐压试验时渗漏，产品报废率高的问题。其特征在于：包括以下步骤：（1）模壳保温、（2）原料熔炼、（3）浇注、（4）冷却。由于采取上述技术方案，铸件的合格率提升至90%以上，生产成本大幅度降低，企业利润提高。

Description

一种高硅奥氏体不锈钢铸件的铸造工艺

技术领域

本发明涉及一种铸件制作工艺，具体涉及一种高硅奥氏体不锈钢铸件的铸造工艺。

背景技术

当代装备制造业的发展脚步正在飞速增长，对于耐受极端条件下材料的需求急切增加，在制酸企业中需利用大量的耐腐蚀性能良好的合金材料，对硫酸、硝酸以及氢氟酸这三种强酸的制造企业来讲，更是需要特种耐蚀合金材料。硫酸制造业具有一定的特殊性，因为硫酸在整个国民经济中得到了广泛的应用，它是一种化学工业的重要原料，应用于化纤、化肥、冶金和多种有机、无机化学工业中。

硫酸对于金属而言，是一种强腐蚀性介质，它的腐蚀过程十分复杂，而工业用硫酸通常含有一些杂质，更是加剧了腐蚀过程的复杂性，因此无论是制酸企业或者硫酸使用厂家，对于腐蚀现象的产生都感到异常头疼。设备的腐蚀现象使得其使用寿命比原始寿命减小了很多，甚至有可能在某些时候发生造成停产乃至安全事故。某化工厂在进行设备安全例行检查时，发现阀体在双闸板密封环所在的进出口直段与阀体内壁相贯处出现了大量裂纹，研究后发现裂纹从内表面向外表面发生扩展，甚至在开裂最严重的地方已有多条裂纹贯穿整个阀体，对其进行变换气处理并出现泄漏，造成了严重的生产安全隐患。研究表明，阀体铸造组织缺陷较多，组织的晶粒大小及分布不均匀，组织间存在着大尺寸的夹杂物，进而导致了裂纹的生成和发展。晶粒尺寸的变化导致材料的力学性能变差，夹杂物也使得材料的力学性能降低，加大了阀体材料发生晶间腐蚀和点腐蚀的可能性。

镍基耐腐蚀合金和其他不锈钢合金的耐腐蚀性能良好，符合使用性能，但它们的价格昂贵，成本高。所以目前研究热点集中于在合金钢中加入低价的耐腐蚀性能强的元素，降低成本并不降低甚至提高耐蚀钢的耐腐蚀性能，以便代替价格高昂的高合金不锈钢材料。

Si是一种主要的耐蚀元素，被广泛应用于镍基合金、不锈钢、低合金钢以及铸铁中。作为合金化元素的Si包含了以下优点：耐强氧化性介质如H2SO4、HNO3的腐蚀性能提高；耐点腐蚀、缝隙腐蚀及应力腐蚀的性能提高；耐海水腐蚀的性能提高。但是Si确是便宜且易得的一种合金化元素，因此高硅不锈钢被业内人士称为是物美价廉的钢种，并在广大专业研究人员和生产企业中引起了极高的关注。高硅不锈钢的耐高温浓硫酸腐蚀能力极强，被公认为是硫酸制造业中优先选用的一种结构材料，被用来制造酸液泵送系统的叶轮、轴衬、轴套、泵壳和阀座、阀体等过流零件。高硅不锈钢之所以能在浓硫酸中有良好的耐腐蚀能力，是由于其在浓硫酸的氧化性介质中，会在表层形成一层均匀分布的、致密的SiO2保护膜，这种膜的电化学稳定性和电阻率都较高，其使不锈钢从活化态转变为钝化态的时间有所减小，也使基体与保护膜之间的结合力增强。因此，高硅不锈钢耐腐蚀性能及一定程度的耐磨性能比较优越。

国外一些研究单位和公司对于耐高温H2SO4的高硅不锈钢的开发和应用始于20世纪80年代。加拿大的Chemetics公司研究出了Saramet不锈钢，该不锈钢的Si含量为5wt.%。接着瑞典公司Sandvik研究了Sandvik SX不锈钢，其Si的含量达到了6wt.%。SX 不锈钢的开发与应用是一个里程碑，它的出现促进了高温浓硫酸用的高硅不锈钢的发展，目前这种钢材已经被广泛的应用到高温H2SO4领域，被用来制造酸液泵送系统的过流部件、酸冷却器、干吸塔等。

在20世纪90年代，德国科研组织Krupp-VDM揭露了一种Si含量为7wt.%的700Si(2509Si7)高硅奥氏体不锈钢，该材料的塑性性能优良，在硫酸工业中可被轧制成厚度小于1.0mm的板式换热器，也能被制造为制酸冷却塔、除雾器、干吸塔和管道、泵阀等。其降低了碳含量，提高了硅含量，适当的提高了镍含量，降低了铬含量，使得不锈钢的组织为全部的奥氏体。该奥氏体不锈钢的耐腐蚀性能，尤其是在高温浓硫酸中的性能要远远超过高钼奥氏体不锈钢。

不锈钢的耐腐蚀性能与含碳量密切相关，碳含量越高，奥氏体不锈钢的耐晶间腐蚀能力越低，所以普通含碳量的不锈钢的耐腐蚀性能要明显弱于含碳量低的不锈钢。高硅不锈钢一般的含碳量都超低，C质量分数要低于0.02wt.%。前苏联开发应用的02X8H22C6高硅不锈钢，当碳含量达到0.03wt.%时，在沸腾状态下的72%的硝酸溶液中浸泡了72小时的不锈钢试样有个别的出现了晶间腐蚀倾向；当碳含量低于0.02wt.%时，所有试样均未出现晶间腐蚀。由此可以得出，高硅不锈钢的耐腐蚀性能与碳含量的高低直接相关。在我国各企业及研究所的实际生产条件下，我们控制的碳含量小于0.03wt.%。在高温H2SO4中，Si、Al、Cr是三个最为主要的提高不锈钢耐腐蚀性能的合金元素，其提高能力依次为Si、Cr、Al。

某些缺陷往往会产生与高硅奥氏体不锈钢铸件的形成过程中，如缩孔缩松、偏析、气孔、微裂纹、非金属夹杂等，它们都是有害的，严重降低了铸件的性能，在日常生产中带来了极大的危害。即使经过完全退火等后期热处理方式，这些缺陷也不会完全被消除。提高不锈钢材料性能的一种有效手段就是晶粒的细化处理，细化晶粒既能有效的消除材料的缩孔缩松、非金属夹杂物，也能防止裂纹的扩展，提高不锈钢的强度与塑性，并且提高其耐腐蚀性能，使得材料的综合性能得到改善。晶粒的细化是改善金属材料组织与性能的最基本、最重要的方法。

目前宣达实业集团的主导产品之一，即为硫酸制造行业生产的泵送循环系统中，大量采用的是高硅耐蚀不锈钢合金，采用普通砂型铸造或者熔模精密铸造生产耐浓硫酸腐蚀的泵阀等产品铸件，然后对铸件进行机械加工后，被装配成整套成品销售，而且这些铸件产品是成套设备系统中的关键零部件，对最终产品的质量影响相当大。该不锈钢的企业牌号为XDS-2，属于Fe-Ni-Cr-Si体系，并少量添加Mo、Cu和稀土等元素，该合金的最大特点是Si元素的含量超过6.0wt.%，Ni和Cr元素总量在30.0wt.%左右，C含量极低≤0.02wt.%，要求不锈钢的基体为沉淀硬化型的单相奥氏体组织。材料详细内容可参见中国专利CN200410041193.1。从铸造性能来看，由于该系列不锈钢合金的结晶潜热小、凝固降温速度慢，结晶温度间隔大，因此合金的流动充填铸型的能力很差，特别是结晶的枝晶组织较为粗大，成分沿枝晶间的化学偏析严重，并最终导致铸件产品的局部疏松和显微裂纹，造成铸件水力耐压试验时渗漏，产品报废率升高。

虽然通过不断改进工艺，强化合金熔炼过程的AlCaBa脱氧净化处理等关键环节，以及加强生产现场质量控制，铸件的报废率仍然高达30%以上，严重地影响了产品的质量和企业的效益，必须研制新型的铸造工艺控制技术，从晶粒结晶组织细化和显微疏松和微裂纹控制角度寻找解决方案，以便于改进铸件质量和提升产品档次。

发明内容

为了克服背景技术的不足，本发明提供一种高硅奥氏体不锈钢铸件的铸造工艺，主要解决了现有的高硅奥氏体不锈钢铸件产品的局部疏松和显微裂纹，造成铸件水力耐压试验时渗漏，产品报废率高的问题。

本发明所采用的技术方案是：

一种高硅奥氏体不锈钢铸件的铸造工艺，包括以下步骤：

（1）模壳保温：对铸件模壳进行加热保温，温度保持在400℃-800℃；

（2）原料熔炼：在熔炼炉中倒入原料，浇注温度加热至1400℃-1500℃；

（3）浇注：将模壳放置在带有箱体的铜板上，模壳底部与铜板接触，浇入钢水；

（4）冷却：箱体内通有管道，冷却方式为自然冷却或通入空气冷却或通入水冷却；

或

a、模壳保温：对铸件模壳进行加热保温

b、原料熔炼：在熔炼炉中倒入原料，浇注温度加热至1400℃-1500℃；

c、浇注：在模壳中倒入钢水的同时，均匀的加入高纯雾化铁粉；

d、冷却：采用自然冷却方式。

进一步的，所述的（1）步骤中模壳保温保持在400℃或800℃。

进一步的，所述的（2）和b步骤中的浇注温度温度为1500℃或1460℃或1420℃。

进一步的，所述c步骤中的高纯雾化铁粉加入量为3wt.%，铁粉粒度为380μm或250μm或120μm。

进一步的，所述高纯雾化铁粉的成份为Fe99.5wt.%、C0.026wt.%、S0.015wt.%、P0.012wt.%。

进一步的，浇注温度为1460℃，模壳保温温度为400℃，冷却方式为通入空气冷却。

进一步的，浇注温度为1460℃，高纯雾化铁粉粒度采用250μm。

进一步的，所述的不锈钢组成为Ni：15wt.%～17wt.%，Cr：12.5 wt.%～13.5wt.%，Si：5.5wt.%～6.5wt.%，Cu≤1.0wt.%，Mn≤2.0wt.%，Mo≤1.0wt.%，Al＜0.1wt.%，RE＞0.1wt.%。

本发明的有益效果是：由于采取上述技术方案，铸件的合格率提升至90%以上，生产成本大幅度降低，企业利润提高。

具体实施方式

一种高硅奥氏体不锈钢铸件的铸造工艺，包括以下步骤：

或

a、模壳保温：对铸件模壳进行加热保温

d、冷却：采用自然冷却方式。

进一步的，所述的（1）步骤中模壳保温保持在400℃或800℃。

进一步的，浇注温度为1460℃，高纯雾化铁粉粒度采用250μm。

本实施例以宣达实业集团自主开发的XDS-2不锈钢为例，它的成分配比为，Ni：15wt.%～17wt.%，Cr：12.5 wt.%～13.5wt.%，Si：5.5wt.%～6.5wt.%，Cu≤1.0wt.%，Mn≤2.0wt.%，Mo≤1.0wt.%，Al＜0.1wt.%，RE＞0.1wt.%。具体可参见中国专利CN200410041193.1。

为了解决高硅奥氏体不锈钢铸造过程中的晶粒组织粗大和缩孔缩松微裂纹等缺陷，提高产品合格率，本专利在宣达集团XDS-2基础上，通过铁粉细化剂细化和铜底板激冷的方案分别制备了熔模精密铸造试棒和模拟件样品，并对其金相组织、力学性能、耐腐蚀性能和耐磨性做了分析，研究了相关工艺参数对高硅奥氏体不锈钢组织和性能的影响，通过研究得出以下结论：

(1)对产品的失效分析得出产品的失效原因主要是在铸件组织中存在着显微缩孔和较多的析出相，缩孔破坏了表面的保护膜的连续性，析出相使得基体周围出现贫铬区，相应区域耐腐蚀能力下降；对失效产品的电化学分析表明铸件因缩孔的存在导致铸件并不处于钝化状态，腐蚀速率急速上升，且阳极保护系统导致产品发生了双重的电偶腐蚀。

加压渗漏铸件的缺陷形成因素为铸件的冷却速度非常缓慢，同时凝固倾向大，枝晶组织粗大，显微疏松较多；在600～1000℃的碳化物析出温度范围内，晶界处碳原子有足够的时间偏聚，M23C6析出相较多，周围基体贫Cr；偏析现象严重，Cr当量高的区域铁素体相增多，组织产生裂纹倾向大，耐点腐蚀能力下降。

(2)铁粉细化方案的样品组织均得到了细化。高温浇注时，40目细化剂的样品细化程度最好，平均等效圆直径为224μm，圆形度为0.42。低温浇注时，样品的细化程度随着细化剂目数的增加而加强，120目的样品组织最为细小，得到的结果为252μm和0.39。中间的浇注温度时，样品的细化效果并不随细化剂目数的增加而变化，60目铁粉的试样晶粒组织细化效果最优。

在浇注温度为1500℃时，样品的力学性能和耐腐蚀性能均随着细化剂粒度的增加而降低，40目细化剂样品的力学性能指标最优，其抗拉强度为459MPa，延伸率为16.6%，断面收缩率为36%，腐蚀速率为0.02471mm/a。1420℃的浇注温度样品力学性能随着细化剂粒度的增加而增大，在细化剂粒度为120目时获得了最优的性能。经分析本试验方案的最佳工艺参数为：采用1460℃的浇注温度和60目的细化剂目数，制备的高硅奥氏体不锈钢样品的平均等效圆直径为204μm，平均圆形度为0.45，抗拉强度为490MPa，延伸率为17.6%，断面收缩率为42.2%，腐蚀速率为0.01483mm/a，布氏硬度值为174。

(3)采用铜底板激冷方案制备的高硅奥氏体不锈钢模拟件样品经剖开后，样品断面光洁平滑，无缩孔和裂纹等铸造缺陷。浇注温度由1500℃降至1420℃，样品的平均等效圆直径和圆形度均减小，组织的细化程度逐渐增强。低的模壳温度比高的模壳温度样品组织更加细化。铜底板通气冷却方式制备的试样组织的细化程度远大于自然冷却方式。在1420℃的浇注温度、400℃的模壳保温温度和通气冷却方式时，试样获得了最优的细化组织，平均等效圆直径为184μm，圆形度为0.47。

在800℃的模壳温度时，随着浇注温度的降低样品的力学性能提高；400℃时，浇注温度过低会导致熔体流动性下降，组织内存在缩松缺陷，导致力学性能下降，因此1460℃的样品性能优于1420℃。低温模壳获得的样品的力学性能要优于高温模壳样品，通气冷却方式制备的样品的力学性能远超过自然冷却样品。经分析本试验方案的最佳工艺参数为：采用1460℃的浇注温度、400℃的模壳保温温度以及通气冷却的铜底板冷却方式，制备的模拟件样品的平均等效圆直径是213μm，圆形度是0.43，抗拉强度是517MPa，延伸率是19.5%，断面收缩率是43.0%，腐蚀速率是0.0872mm/a，布氏硬度值是188。

(4)两种方案制备的样品的组织和性能均得到了一定的提高。铁粉细化方法的组织相对细小，但铁粉在浇注过程中不易均匀的分散在熔体中，熔体充型能力有稍许降低，在生产应用中还需进一步改善；铜底板激冷制备的样品组织比较均匀，力学性能更好。将铜板激冷的最优方案应用于实际生产，对铸件进行水压检测后发现，铸件的合格率提升至90%以上，生产成本大幅度降低，企业利润提高。

各位技术人员须知：虽然本发明已按照上述具体实施方式做了描述，但是本发明的发明思想并不仅限于此发明，任何运用本发明思想的改装，都将纳入本专利专利权保护范围内。

Claims

1. 一种高硅奥氏体不锈钢铸件的铸造工艺，其特征在于：包括以下步骤：

或

a、模壳保温：对铸件模壳进行加热保温

d、冷却：采用自然冷却方式。

2.根据权利要求1所述的一种高硅奥氏体不锈钢铸件的铸造工艺，其特征在于：所述的（1）步骤中模壳保温保持在400℃或800℃。

3.根据权利要求2所述的一种高硅奥氏体不锈钢铸件的铸造工艺，其特征在于：所述的（2）和b步骤中的浇注温度温度为1500℃或1460℃或1420℃。

4.根据权利要求3所述的一种高硅奥氏体不锈钢铸件的铸造工艺，其特征在于：所述c步骤中的高纯雾化铁粉加入量为3wt.%，铁粉粒度为380μm或250μm或120μm。

5.根据权利要求4所述的一种高硅奥氏体不锈钢铸件的铸造工艺，其特征在于：所述高纯雾化铁粉的成份为Fe99.5wt.%、C0.026wt.%、S0.015wt.%、P0.012wt.%。

6.根据权利要求3所述的一种高硅奥氏体不锈钢铸件的铸造工艺，其特征在于：浇注温度为1460℃，模壳保温温度为400℃，冷却方式为通入空气冷却。

7.根据权利要求4所述的一种高硅奥氏体不锈钢铸件的铸造工艺，其特征在于：浇注温度为1460℃，高纯雾化铁粉粒度采用250μm。

8.根据权利要求1-7任一所述的一种高硅奥氏体不锈钢铸件的铸造工艺，其特征在于：所述的不锈钢组成为Ni：15wt.%～17wt.%，Cr：12.5 wt.%～13.5wt.%，Si：5.5wt.%～6.5wt.%，Cu≤1.0wt.%，Mn≤2.0wt.%，Mo≤1.0wt.%，Al＜0.1wt.%，RE＞0.1wt.%。