CN113151652A - 一种小断面高温合金钢棒材的生产工艺和应用 - Google Patents

一种小断面高温合金钢棒材的生产工艺和应用 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种小断面连铸高温合金钢棒材的生产工艺和应用。该生产工艺包括配料、冶炼、连铸、电渣重熔、锻打消应、热轧等步骤。本发明与现有技术相比，具有近终成型、生产工艺优化、生产成本低、高效节能、产品质量达到真空冶炼同等水平等特点，从而形成了优于国内外市场同类产品的竞争优势。

Description

一种小断面高温合金钢棒材的生产工艺和应用
技术领域
本发明涉及一种小断面连铸高温合金钢棒材的生产工艺和应用。
背景技术
高温合金是指以铁、镍、钴为基的，能在600℃以上高温和应力作用下长期使用的金属材料。高温合金具有较高的高温持久强度、蠕变强度；良好的组织稳定性和热稳定性；良好的耐热蚀性能以及良好的工艺性能和使用性能。高温合金具有单一的奥氏体基体组织，通过各种强化相达到需要的高温性能、合金化程度高，又称为超级合金。
高温合金主要用途是制造航空发动机和民用高等级汽车发动机(包括涡轮叶片、涡轮盘、导向器和燃烧室气门等部件)高温合金对冶炼工艺的要求是极其严格的；高温合金对冶金质量的要求高于其他特殊钢与合金；高温合金最难控制的合金元素有Mg、B、Al、Ti等元素；故对于高温合金气门钢棒材产品常规的冶炼工艺路线，目前国内外企业普遍采用真空感应炉冶炼浇注成直径大于180㎜电渣自耗电极棒→电渣重熔成直径大于300㎜(目前我国企业技术水平应用推广直径小于300㎜的重熔锭仍然很难，直径小于100㎜时则无法生产)电渣锭→再多次加热锻打成50×50㎜方坯→再加热轧制成直径(∮)8～35㎜棒材半成品→再加热固熔热处理→冷拉成型→再加热二次固熔热处理→滚光校直→无心磨床加工→无损探伤→激光测径→包装出厂。该工艺生产流程长，再加热工序多，能耗高、生产成本高；而且由于这类高等级高温合金钢棒材国内研发、生产起步较晚，产品工艺、质量均处于初级阶段，故目前国内的一些知名气门生产企业如广东怀集登云汽配、湖南天雁机械等二家上市公司所需的高温合金钢棒材产品主要仍依靠美国进口解决；从而严重制约着我国高等级气门产品的发展。
发明内容
本发明的目的是为克服现有技术的上述不足，而研制开发了一种新的生产工艺流程，使得生产成本低，产品质量达到真空冶炼同等水平的小断面连铸高温合金气门钢棒材的生产工艺。
本发明的技术方案是，提供一种小断面高温合金钢棒材的生产工艺，包括以下步骤：
(1)配料：根据高温合金钢的化学成分要求配制原料；
(2)冶炼：将配制的原料熔化，用高温合金预熔渣覆盖，吹氩精炼，取样进行光谱分析，并通过添加原料对高温合金钢的成份进行微调；
(3)连铸：将冶炼后的钢水进行水平连铸，得到连铸棒；其中，水平连铸的拉坯过程中的参数要求：钢水温度为1430-1490℃、拉坯速度为0.5～2米/分钟、拉坯频度为60～110次/分钟、拉坯断面尺寸∮40～∮81㎜、定尺切断长度1.5米～3米；
(4)电渣重熔：将连铸棒进行电渣，得到电渣锭；电渣过程中控制电压为32～42V，电流1100～1500A，冷却水出水温度控制为≤80℃，电渣锭长度控制为55～60㎝；电渣锭直径∮90～∮130㎜；
(5)锻打消应：将电渣锭升温至1100～1250℃保温1～5小时，锻打成截面长度和宽度均为40～60㎜的方坯，进入退火炉中退火，退火后随炉冷却至500℃以下出炉空冷，得到锻打坯；
(6)热轧：将锻打坯送入加热炉中，随炉升温至1100～1200℃后热轧成小断面高温合金钢棒材。
优选地，将步骤(6)得到小断面高温合金钢棒材进行剥皮、固溶处理。
优选地，所述固溶处理是：先升温至1000～1100℃保温20～60分钟后迅速出炉水冷。
优选地，所述小断面高温合金钢棒材的断面尺寸优选∮40～∮70㎜，再优选∮40～∮65㎜，更优选∮40～∮60㎜。
优选地，所述步骤(5)中，退火温度为870～930℃，保温3～5小时。
优选地，所述高温合金钢的牌号为GH4751。
本发明还提供上述生产工艺得到的高温合金钢棒材在发动机气门中的应用。
具体来说，本发明下工艺步骤主要有：冶炼连铸坯料→小断面电渣锭→一次加热锻打成45×45㎜方坯→加热轧制成∮8～35㎜棒材半成品→再加热固熔热处理→滚光校直→无心磨床加工→无损探伤→激光测径→包装出厂。
其中主要的工艺步骤说明如下：
配料：合格供应商定点供应的金属铬、电解镍块、铝粒、0级海绵钛、纯铁、镍镁合金、稀土、铌铁、金属锰等主要原料按钢种化学成份要求及烘烤要求后予以配料；
冶炼：将配好的料装入采用专利号为ZL95219468.6的“圆方多用水平连铸机”及专利号为ZL96218576.0的“实现多炉连铸的引锭装置”再及专利号为ZL96249589.1的“一种不锈钢连铸精炼装置”三项专利技术配套的专用中频感应炉中，熔化、高温合金专用预熔渣覆盖、升温至渣白、吹氩精炼，加合金微调成份，取炉中样，光谱分析符合所炼钢种标准后，升温至1490℃±30℃进入下道水平连铸工序；
连铸：确认水平连铸机全套设备运转正常及《实现多炉连浇的引锭装置》专利技术的引锭装置转动灵活后启铸，拉坯过程中要求控制好钢水温度在1460℃±30℃范围内，控制好拉坯速度为0.5～2米/分钟，拉坯频度为60～110次/分钟，拉坯断面尺寸∮40～∮81㎜，定尺切断长度1.5米～3米；
电渣重熔：将检验合格的连铸棒夹持到电渣炉单臂电极夹持器上，对准水冷结晶器铜墩中心、采用固体引弧料引弧，电渣过程中控制好电压为32～42V电流1100～1500A，冷却水出水温度控制为≤80℃，渣系要求：30％Al2O3+65％CaF2+5％TiO2，电渣锭长度控制为55～60㎝，电渣锭直径90～∮130㎜；
锻打消应：将经修磨检验合格的电渣锭装入天燃气加热的加热炉中，升温至1100～1250℃保温1～5小时，二火锻打成45～45㎜的方坯，即时进入消应退火炉，消应退火900℃±30℃保温4小时随炉冷却至500℃出炉空冷；
热轧：将修磨检验合格的锻打坯送入加热炉中，随炉升温至1100～1200℃后热轧成∮8～∮35㎜的高温合金钢棒材，定尺切断为3～4米直条转入下道无心车床工序；
剥皮：将检验合格的热轧棒直条送入无心车床剥皮加工，主轴转速800～1100转/分钟，剥皮量控制为每道次1㎜范围内，走刀速度控制为1.5～2m/分钟，采用硬质合金刀片加工；
固溶：将检验合格的剥皮棒直条送入台车式电阻炉，随炉升温至1000～1100℃保温20～60分钟后迅速出炉水冷；
矫直磨光：将经固溶处理后的剥皮棒直条送滚光矫直机校直后送入无心磨床二道次磨光达到尺寸公差h9，圆度值不超过h9级尺寸公差之半，表面粗糙度为Ra1.6μm以下；
无损探伤：将检验合格的磨光棒材送入超声波、涡流组合探伤机，探测挑选出钢棒表面与内部存在裂纹、夹杂、缩孔等缺陷的次废品，合格品转入涂油包装入库准备发货出厂。
本发明与现有技术相比，具有近终成型、生产工艺优化、生产成本低、高效节能、产品质量达到真空冶炼同等水平等特点，从而形成了优于国内外市场同类产品的竞争优势。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明作进一步说明，但不作为本发明保护范围的限制。
实施例
实施案例1：GH4751材料
配料：
选用符合要求的电解镍(Ni99.99)、金属铬、0级海绵钛、铌铁、铝粒、纯铁等原材料按高温合金气门牌号GH4751标准化学成份控制要求：C：0.03-0.1 Si≤0.5 Mn≤0.5 P≤0.015 S≤0.015 Fe:5-9 Cr：14-17 Mo≤0.5 Ti：2-2.6 Al:0.9-1.5 Nb：0.7-1.2 Cu≤0.30 余Ni予以配料，并按要求烘烤。
冶炼：
将烘烤号的配料按：底渣、电解镍、金属铬按顺序加入采用专利号为ZL95219468.6的《圆方多用水平连铸机》及专利号为ZL96218576.0的《实现多炉连铸的引锭装置》再及专利号为ZL96249589.1的《一种不锈钢连铸精炼装置》三项专利技术配套的专用中频感应炉中送电熔炼。熔清后造渣，升温至1530-1580度启动专利号为ZL96249589.1的《一种不锈钢连铸精炼装置》专利技术底吹氩气后再沉淀脱氧(Al-Mg加入量按钢水的0.5‰)同时配合采用CaO-Al粉扩散脱氧，等脱氧充分后(渣白)，降低熔炼功率或停电(低温状态)再底吹氩气搅拌加入Al粒、0级海绵钛，待成份均匀后炉前取样，分析成份，降低熔炼功率保温(关闭氩气)。根据化验分析的成份结果，升温补加合金，调整成份，再次脱氧造渣，底吹氩气4-8分钟精炼，测温达到1550-1590转水平连铸。
水平连铸：
确认专利号为ZL95219468.6的《圆方多用水平连铸机》专利技术全套设备运转正常后，启动利号为ZL96218576.0的《实现多炉连铸的引锭装置》专利技术，确认引锭装置转动灵活后启铸。连铸期间要求炉口全程采用氩气保护，渣液要求随钢水同步下降，钢水温度控制在1550-1590度范围内，拉坯速度控制在0.5--1.5米/分钟范围内，拉坯频率控制在70—90次/分钟范围内，连铸坯坯断面尺寸∮40mm-∮81mm，定尺切割长度1.5—3米。头、尾坯各取一个样分析化学成份，并且每根连铸坯按数字1、2、3、4标识，直到连铸完成，未标识数字的一端标识钢种牌号、批次，完成后转电渣工序。
电渣重熔：
将检验合格的连铸棒夹持电渣炉单臂夹持器上，对准水冷结晶器铜墩中心、采用固体引弧剂引弧，电渣过程中控制好电压45V，电流1300-1600A，冷却水进水温度20-70度，出水温度≤80度，渣系要求F60渣(20％Al2O3+20％CaO+60％CaF2)，电渣锭长度控制为55-60mm，电渣锭直径∮100mm。
锻打消应：
将检验合格的电渣锭装入天燃气加热的加热炉中，升温到1140度保温3小时，1160-1180度开始锻打，终锻温度控制在850度以上，两火锻打成45*45的方坯，及时进入消应退火炉，930度保温3小时，随炉冷却到600度出炉空冷。
热轧：
将检验合格的锻打方坯装入天燃气加热的加热炉中，随炉升温到1120-1160度，轧制成∮11mm的高温合金棒材，3米定尺切断。
无心车床加工：
将检验合格的热轧棒直条，采用无心车床剥皮加工，∮11mm剥到∮10.15mm，主轴转速控制在800-1000转/分钟，剥皮量控制为每道次1mm范围内，车床走刀速度控制未1.5-2m/分钟，采用4540(中号三角刀片)合金刀具加工。
固溶：
将检验合格的剥皮棒料装入台车式电阻炉固溶处理，首批次炉温升到820±30度材料装炉，连续生产直接装炉，升温至900度保温30分钟，900度出炉迅速水冷，取样检测机械性能。
矫直磨光：
将经固溶处理合格的剥皮棒送滚光矫直机校直后，转入磨加工生产，∮10.15mm磨加工到∮10mm酸洗检测表面质量。将表面检验合格的棒料磨加工到成品∮9.9(0/-0.04)mm，尺寸公差符合h9，椭圆度公差不超过h9级尺寸公差之半，表面粗糙度为Ra1.6以下。
无损探伤：
将磨加工合格的磨光料超声波检测，检测挑选出棒料内部存在的裂纹、夹渣、缩孔等缺陷的次废品，合格品转入激光测径、表面质量检测，合格品涂防锈油包装入库。
将得到的小断面高温合金钢棒材委托湖南省质量技术监督局(检验单位：湖南省黑色金属产品质量监督检验授权站)进行各项性能测试，从《检验报告》MA：1618263000807可知，其中主要的性能指标如下：屈服点：790MPa，抗拉强度1155MPa，断后伸长率30％；断面收缩率55％；布氏硬度274HB。
该产品经国内知名企业(如广东怀集登云汽配有限公司、湖南天雁机械有限公司等二家上市公司)用户单位试用检定，其性能指标均符合国外进口同类材料标准(GB/T12773-2008《内燃机气阀用钢及合金棒材》)，完全可以替代同类进口材料，从而结束了我国高温合金钢棒材大部分依赖进口的局面。

Claims (7)

1.一种小断面高温合金钢棒材的生产工艺，其特征在于，包括以下步骤：
(1)配料：根据高温合金钢的化学成分要求配制原料；
(2)冶炼：将配制的原料熔化，用高温合金预熔渣覆盖，吹氩精炼，取样进行光谱分析，并通过添加原料对高温合金钢的成份进行微调；
(3)连铸：将冶炼后的钢水进行水平连铸，得到连铸棒；其中，水平连铸的拉坯过程中的参数要求：钢水温度为1430-1490℃、拉坯速度为0.5～2米/分钟、拉坯频度为60～110次/分钟、拉坯断面尺寸∮40～∮81㎜、定尺切断长度1.5米～3米；
(4)电渣重熔：将连铸棒进行电渣，得到电渣锭；电渣过程中控制电压为32～42V，电流1100～1500A，冷却水出水温度控制为≤80℃，电渣锭长度控制为55～60㎝；电渣锭直径∮90～∮130㎜；
(5)锻打消应：将电渣锭升温至1100～1250℃保温1～5小时，锻打成截面长度和宽度均为40～60㎜的方坯，进入退火炉中退火，退火后随炉冷却至500℃以下出炉空冷，得到锻打坯；
(6)热轧：将锻打坯送入加热炉中，随炉升温至1100～1200℃后热轧成小断面高温合金钢棒材。
2.根据权利要求1所述的生产工艺，其特征在于，将步骤(6)得到小断面高温合金钢棒材进行剥皮、固溶处理。
3.根据权利要求2所述的生产工艺，其特征在于，所述固溶处理是：先升温至1000～1100℃保温20～60分钟后迅速出炉水冷。
4.根据权利要求1所述的生产工艺，其特征在于，所述小断面高温合金钢棒材的断面尺寸优选∮40～∮70㎜，再优选∮40～∮65㎜，更优选∮40～∮60㎜。
5.根据权利要求1所述的生产工艺，其特征在于，所述步骤(5)中，退火温度为870～930℃，保温3～5小时。
6.根据权利要求1所述的生产工艺，其特征在于，所述高温合金钢的牌号为GH4751。
7.权利要求1-6任一项所述的生产工艺得到的高温合金钢棒材在发动机气门中的应用。
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