CN109609811B - 一种钴基合金铸件的制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种钴基合金铸件的制备方法。该方法包括下述步骤：将钴基合金于真空炉中熔炼至液态后，依次经进钢口、竖浇道、内浇口，浇注至模壳中，在模壳中的液态钴基合金完全凝固时，敲击模壳至内浇口处断裂，得铸件；在真空条件下，将铸件经均匀化退火，即得；真空炉、进钢口、竖浇道、内浇口与模壳依次连接；内浇口与模壳的连接处沿径向设置有一个凹陷的缺口，缺口垂直于模壳轴向方向的断面宽度小于模壳的有效厚度，内浇口与模壳的连接处的长度≥2mm。本发明中制备得到的钴基合金铸件外部缺陷接近0％，铸件表面质量得到了实质性的改善；铸件达标率达98％，极大地提高了钴基合金铸件生产的效益。

Description

一种钴基合金铸件的制备方法

技术领域

本发明涉及一种钴基合金铸件的制备方法。

背景技术

钴基合金是一种特殊的工程材料，在特殊的工况下应用非常广泛，它具有抗高温、耐磨、耐气蚀和耐腐蚀等优良的性能，有些系列常用于燃气涡轮叶片、铸模和挤压模的表面处理；有些系列常用于蒸汽阀和化工阀的密封面材料，也可作为接触热钢的热剪刀片；有些系列应用于燃气气排阀座的硬面涂层、喷涂工艺涂层，增加其耐气蚀性；有些系列可用于泵和套筒的密封环、耐磨性的面板材料、轴承及磨床的工件架。

钴基合金以司太立合金为典型代表，起初应用于硬面涂层，应用于内燃机、喷气发动机方面，对航空、汽车、高温化工工业的发展做出了重要贡献。司太立合金是钴铬二元合金，以后发展为钴铬钨三元组成，而其它元素如碳、硅、镍等作为合金元素存在于其中，现在使用较多的有司太立3、6、21#等合金，经不断的研究和开发，至今司太立已经有不下于30余种牌号，司太立合金除了做成铸件外，大型的零件一般采用在工作面上做喷涂，司太立合金主要分为三个系列：系列1为Co-Cr-W-C系列，抗高温腐蚀、抗气蚀性能极佳；系列2为Co-Cr-W/Mo-Ni/Fe-C系列，降低了合金的硬度，提高了合金的韧性，综合机械性能较好；系列3为Co-Cr-W-C-Si-B系列，改善了合金的流动性，适应于喷涂喷焊，生成了B、C化合物，表面涂层硬度极高，耐磨性极佳。

目前，钴基合金的生产制造熔炼工艺主要为中频炉熔炼，中频炉熔炼包括非真空状态下的熔炼和真空感应炉熔炼，其中以中频感应熔炼为主如典型的Co-Cr-W系列，但随着材料使用性能的不断延展，低碳高Si、高Mo型钴基合金在排气阀座上面的应用越来越广，需求量非常大。Mo含量的升高增加了铸造难度。

国内外生产钴基Co-Cr-Mo-NI/Fe系列合金铸件多采用真空感应炉技术，碍于其硬度偏高(HRC50左右)的特性多采用比较保险的线切割落件形式或者常规化内浇口形式组装，但是线切割落件形式不但费用高而且时间周期长，且容易导致模壳在冷却过程中直接在内浇口位置断裂，导致铸件全部报废。

因此，如何实现钴基合金铸件大规模生产，使硬度在HRC40-53之间的钴基合金材料落件方便快捷，防止低碳高Si、高Mo型钴基合金铸件开裂等，进一步提升钴基合金生产效益及效率是本领域亟需解决的问题。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于克服现有技术中高硬度(硬度在HRC40-53)的钴基合金生产成本高，易形成冷、热裂纹，铸件成品率低的缺陷，而提供了一种钴基合金铸件的制备方法。本发明中制备得到的钴基合金铸件外部缺陷接近0％，铸件表面质量得到了实质性的改善；铸件达标率达98％，极大地提高了钴基合金铸件生产的效益。

本发明提供了一种钴基合金铸件的制备方法，其包括下述步骤：将钴基合金于真空炉中熔炼至液态后，依次经进钢口、竖浇道、内浇口，浇注至模壳中，在所述模壳中的液态钴基合金完全凝固时，敲击所述模壳至所述内浇口处断裂，得铸件；在真空条件下，将所述铸件经均匀化退火，即得；

所述真空炉、所述进钢口、所述竖浇道、所述内浇口与所述模壳依次连接；所述内浇口与所述模壳的连接处沿径向设置有一个凹陷的缺口，所述缺口垂直于所述模壳轴向方向的断面宽度小于所述模壳的有效厚度，所述内浇口与所述模壳的连接处的长度≥2mm；

所述钴基合金中，各化学成分的重量百分比为：C≤0.08％，Si 2.20-3.00％，Cr7.50-10.00％，Mo 26.50-29.00％，Ni和Fe之和≤2.50％，P≤0.03％，S≤0.03％，Co61.00-63.00％；

所述模壳的层数为5层半。

本发明中，较佳地，所述真空炉中熔炼的温度为1000-1200℃，例如1100℃。

本发明中，所述模壳中的液态钴基合金的凝固时间可根据铸件的重量进行确定，例如，铸件重量为0.5kg时，敲击落件的时间可为浇注后1min；铸件重量为0.8kg时，敲击落件的时间可为浇注后1.3min；铸件重量为1.0kg时，敲击落件的时间可为浇注后1.5min；铸件重量为1.5kg时，敲击落件的时间可为浇注后1.8min；铸件重量为2.0kg时，敲击落件的时间可为浇注后2.0min。

本发明中，在所述模壳中的液态钴基合金完全凝固时敲击落件，钴基合金铸件的合格率可达98％；而若在浇注完成后，采用常温下自然冷却后清砂落件的方式，内浇口处裂纹产生率为70％(百分比是指铸件数量百分比)，内浇口处的裂纹延伸至铸件本体，导致钴基合金铸件报废。

本发明中，所述均匀化退火一般是指将所述钴基合金铸件在高于900℃、低于固相线温度的条件下，保温，随炉冷却，以使所述钴基合金铸件的化学成分和组织均匀化。

本发明中，所述钴基合金铸件中Mo和Cr的含量之和≥34％(百分比是指占所述钴基合金的重量百分比)，采用常规的退火工艺(900℃保温2h，然后炉冷至室温)会导致所述钴基合金铸件的表面氧化严重，进一步导致所述钴基合金铸件报废。

本发明中，较佳地，所述均匀化退火包括下述步骤：将所述铸件置于预热的真空炉中，在高于900℃、低于固相线温度的条件下，经保温处理，冷却至室温，即可。

其中，所述预热的温度较佳地为200-300℃，例如250℃。

其中，所述保温处理的温度较佳地为1000-1200℃，例如1050℃或1160℃。

其中，所述保温处理的时间较佳地为1-3h，例如1h、2h或3h。

其中，所述保温处理较佳地为先1050℃保温1h，后1160℃保温2h。

发明人在实践过程中发现，由于液态钴基合金在所述模壳中的凝固速度不一致，易导致存在铸件存在硬度差，使得铸件在使用过程中硬度低的位置磨损的比较严重，最终导致铸件报废(当所述钴基合金铸件为排气阀座时，该种磨损易导致整个排气阀座的密封面失去密封效果)。

本发明中，采用均匀化退火处理铸件，经过均匀化退火处理后的铸件各位置之间的硬度差小于1HRC，能有效解决铸件本身硬度差所导致的问题。

本发明中，较佳地，所述竖浇道与n个(n≥2)所述内浇口连接，例如图1所示，可实现钴基合金铸件批量化生产。

本发明中，所述模壳的有效厚度一般是指模壳中的有效工作尺寸，可根据工件的形状进行确定，即根据填充液态钴基合金后的形状确定。例如，当所述模壳为排气阀座的模壳时，所述模壳的外径为120mm，内径为80mm，厚度是40mm，那么它的有效厚度就是指将模壳沿平行于竖浇道的方向切断后的截面的厚度，为(120-80)/2＝20mm。再例如，当所述模壳为轴类工件的模壳时，可根据其直径确定有效厚度。还例如，当所述模壳为六角方钢等的模壳时，可根据其内切圆直径确定有效厚度。

本发明中，所述缺口垂直于所述模壳轴向方向的断面宽度若大于所述模壳的有效厚度，在敲击落件时，会导致铸件断裂而内浇口不断裂无法落件。

本发明中，较佳地，所述缺口垂直于所述模壳轴向方向的断面宽度为所述模壳的有效厚度的0.8倍，在此比例下，在敲击落件时，内浇口先断裂而落件，也不会影响浇注钢水和铸件补缩。

本发明中，较佳地，所述缺口平行于所述模壳轴向方向的断面宽度小于等于所述模壳沿轴向方向的高度。

本发明中，当所述内浇口与所述模壳的连接处的长度小于2mm时，敲击落件时会导致铸件产生微裂纹，使敲击落件的成品率降低，导致生产效率降低。

本发明中，较佳地，所述钴基合金中C为0.04-0.06％，例如0.05％，百分比是指占所述钴基合金的重量百分比。

本发明中，较佳地，所述钴基合金中Si为2.20％，百分比是指占所述钴基合金的重量百分比。

本发明中，较佳地，所述钴基合金中Cr为7.50％，百分比是指占所述钴基合金的重量百分比。

本发明中，较佳地，所述钴基合金中Mo为26.50-28.00％，例如28.00％，百分比是指占所述钴基合金的重量百分比。

本发明中，较佳地，所述钴基合金中Ni为0.15-0.35％，例如0.25％，百分比是指占所述钴基合金的重量百分比。

本发明中，较佳地，所述钴基合金中Co为62.00％，百分比是指占所述钴基合金的重量百分比。

本发明中，较佳地，所述钴基合金中，各化学成分的重量百分比为：C0.05％，Si2.20％，Cr 7.50％，Mo 28.00％，Ni 0.250％，Co 62.00％。

发明人经实践发现，由于本发明中所述钴基合金中Mo为26.50-29.00％(百分比是指占所述钴基合金的重量百分比)，在非真空状态下浇注易导致钢水氧化，进一步地，会导致排气阀座表面积存大量的氧化渣。

本发明中，所述模壳的层数可通过称重的形式确定，若两次称单组重模壳重量相差0.5kg及以上表示两次模壳层数相差至少1层以上。

本发明中，当所述模壳的层数为6层半时，浇注完成后50％(百分比是指铸件数量百分比)的内浇口处出现热裂纹，延伸至铸件本体，导致钴基合金铸件报废；而采用5层半模壳层数时，浇注完成后钴基合金铸件可达98％的成品率。

本发明中，所述钴基合金铸件可为排气阀座。本发明所制得的排气阀座，为Co合金材料的排气阀座，其硬度为HRC52-55(洛氏硬度)。

在符合本领域常识的基础上，上述各优选条件，可任意组合，即得本发明各较佳实例。

本发明所用试剂和原料均市售可得。

本发明的积极进步效果在于：

(1)采用本申请中的工艺管控，制备得到的钴基合金铸件PT探伤一片白，能满足通常的探伤标准ASME B16.34的相关要求，甚至能实现铸件外部缺陷接近0％，铸件表面质量得到了实质性的改善。

(2)采用本申请中的工艺管控，铸件达标率达98％，极大地提高了钴基合金铸件生产的效益。

(3)本申请能够制得硬度为HRC52-55(洛氏硬度)的钴基合金铸件，能够满足高硬度工件的硬度要求；且铸件各位置之间的硬度差小于1HRC，铸件硬度均匀。

附图说明

图1为钴基合金铸件(排气阀座)浇注系统设计图；

图2为排气阀座铸件和内浇口连接结构示意图；

附图说明如下：

1-铸件，

2-内浇口；

3-凹陷的缺口；

4-竖浇道；

A-凹陷的缺口垂直于铸件轴向方向的断面宽度(即缺口的宽度)；

B-铸件的有效厚度

具体实施方式

下面通过实施例的方式进一步说明本发明，但并不因此将本发明限制在所述的实施例范围之中。下列实施例中未注明具体条件的实验方法，按照常规方法和条件，或按照商品说明书选择。

实施例1

浇注钴基合金铸件：

钴基合金原料配比如下表1所示：

表1

元素

C

Si

Cr

Mo

Ni

Co

含量(重量百分比％)

0.05％

2.20％

7.50％

28.00％

0.25％

62.00％

设置真空感应炉的温度为1100℃。将表1中所示钴基合金的原料于真空感应炉内熔炼，完全熔炼成钢水后进行浇注，浇注的过程为将钢水经进钢口、竖浇道进入内浇口，再经内浇口进入排气阀座模壳型腔形成铸件。

其中，真空炉、进钢口、竖浇道、内浇口与模壳依次连接；内浇口与模壳连接处沿径向设置有一个凹陷的缺口，缺口垂直于模壳轴向方向的断面宽度为模壳的有效厚度的0.8倍，为了防止敲击落件的断口伤及铸件有效部位，内浇口与铸件连接处的厚度为2mm的平台。如图1、图2所示。

浇注完成表面结壳后破真空，取出铸件，在模壳中的液态钴基合金完全凝固时(模壳1000℃时)敲击落件，铸件经均匀化退火处理，具体工艺为：250℃进真空炉，升温至1050℃后保温1h，继续升温至1160℃保温2h，然后在氮气中冷却至室温，即可。

其中，敲击落件的时间可以根据铸件的重量来进行判断，如下表2所示。

表2

铸件重量(kg)	0.5	0.8	1.0	1.5	2.0
						敲击落件时间(min)	1	1.3	1.5	1.8	2.0

对比例1

设置非真空感应炉的温度为1100℃，将表1中所示钴基合金的原料于非真空感应炉内熔炼，其余步骤同实施例1。

排气阀座表面产生大量的氧化渣，而铸件的使用工况是密封件，表面不允许有任何缺陷，最终导致产品难以实施应用，作报废处理。

对比例2

模壳层数为6层半，其余步骤同实施例1。

对比例3

浇注完成后常温下进行自然冷却，再清砂落件，其余步骤同实施例1。

对比例4

内浇口与模壳之间的距离小于2mm，其余同实施例1。

对比例5

落件后，铸件在900℃保温2h，然后炉冷至室温，其余同实施例1。

效果实施例1

取实施例、对比例制备得到的钴基合金铸件按PT探伤检测标准ASME B16.34，强制性附录1检测后，结果如下表3所示。

表3

编号

实施例1

对比例1

对比例2

对比例3

对比例4

对比例5

铸件达标率

98％

50％

50％

30％

30％

30％

铸件外部缺陷

接近0％

50％

50％

70％

70％

70％

由表3可知，当钴基合金的熔炼条件(对比例1)、模壳层数(对比例2)、落件时间(对比例3)、内浇口的结构(对比例4)、铸件的后处理方式(对比例5)与本申请不同时，其铸件达标率在50％以下，而本申请的制备方法能够保证铸件达标率达98％。

采用本申请中的工艺管控，实施例1制备得到的钴基合金铸件PT探伤一片白，铸件外部缺陷接近0％，能满足通常的探伤标准ASME B16.34的相关要求。

效果实施例2

取实施例1制备得到的钴基合金铸件进行硬度检测，其硬度为HRC52-55(洛氏硬度)，能够满足高硬度工件的硬度要求；且铸件各位置之间的硬度差小于1HRC，铸件硬度均匀。

Claims (8)

1.一种钴基合金铸件的制备方法，其特征在于，其包括下述步骤：将钴基合金于真空炉中熔炼至液态后，依次经进钢口、竖浇道、内浇口，浇注至模壳中，在所述模壳中的液态钴基合金完全凝固时，敲击所述模壳至所述内浇口处断裂，得铸件；在真空条件下，将所述铸件经均匀化退火，即得；所述均匀化退火包括下述步骤：将所述铸件置于预热的真空炉中，在高于900℃、低于固相线温度的条件下，经保温处理，冷却至室温，即可；所述预热的温度为200-300℃；所述保温处理为先1050℃保温1h，后1160℃保温2h；

所述真空炉、所述进钢口、所述竖浇道、所述内浇口与所述模壳依次连接；所述内浇口与所述模壳的连接处沿径向设置有一个凹陷的缺口，所述缺口垂直于所述模壳轴向方向的断面宽度小于所述模壳的有效厚度，所述内浇口与所述模壳的连接处的长度≥2mm；

所述钴基合金中，各化学成分的重量百分比为：C≤0.08%，Si 2.20-3.00%，Cr 7.50-10.00%，Mo 26.50-29.00%，Ni和Fe之和≤2.50%，P≤0.03%，S≤0.03%，Co 61.00-63.00%；

所述模壳的层数为5层半。

2.如权利要求1所述的钴基合金铸件的制备方法，其特征在于，所述预热的温度为250℃。

3.如权利要求1所述的钴基合金铸件的制备方法，其特征在于，所述竖浇道与n个所述内浇口连接，n≥2。

4.如权利要求1所述的钴基合金铸件的制备方法，其特征在于，所述缺口垂直于所述模壳轴向方向的断面宽度为所述模壳的有效厚度的0.8倍。

5.如权利要求1所述的钴基合金铸件的制备方法，其特征在于，所述缺口平行于所述模壳轴向方向的断面宽度小于等于所述模壳沿轴向方向的高度。

6.如权利要求1所述的钴基合金铸件的制备方法，其特征在于，所述钴基合金中C为0.04-0.06%，百分比是指占所述钴基合金的重量百分比；

和/或，所述钴基合金中Si为2.20%，百分比是指占所述钴基合金的重量百分比；

和/或，所述钴基合金中Cr为7.50%，百分比是指占所述钴基合金的重量百分比；

和/或，所述钴基合金中Mo为26.50-28.00%，百分比是指占所述钴基合金的重量百分比；

和/或，所述钴基合金中Ni为0.15-0.35%，百分比是指占所述钴基合金的重量百分比；

和/或，所述钴基合金中Co为62.00%，百分比是指占所述钴基合金的重量百分比。

7.如权利要求6所述的钴基合金铸件的制备方法，其特征在于，所述钴基合金中C为0.05%，百分比是指占所述钴基合金的重量百分比；

和/或，所述钴基合金中Mo为28.00%，百分比是指占所述钴基合金的重量百分比；

和/或，所述钴基合金中Ni为0.25%，百分比是指占所述钴基合金的重量百分比。

8.如权利要求1所述的钴基合金铸件的制备方法，其特征在于，所述钴基合金中，各化学成分的重量百分比为：C 0.05%，Si 2.20%，Cr 7.50%，Mo 28.00%，Ni 0.250%，Co 62.00%。

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