CN115109988B - 一种灰铸铁铸件及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种灰铸铁铸件及其制备方法，该灰铸铁铸件的成分及其质量百分比为：C：3.25～3.52％，Mo：0.5～0.9％，Cu：0.6～1.3％，B：0.002～0.003％，Si：1.0～1.8％，Mn：1.0～1.3％，Cr≤0.15％，余量为Fe和不可避免的杂质；所述灰铸铁铸件的碳当量为3.3～3.6。本发明通过熔模铸造工艺制得的灰铸铁铸件具有优异的力学性能，且其在400℃依然具有良好的综合性能，满足高温气冷堆压力容器上用支撑结构减摩板、或环块铸件的设计制造要求。
Description
技术领域
本发明属于灰铸铁材料和铸造工艺领域，具体地，本发明涉及一种灰铸铁铸件及其制备方法。
背景技术
核电属于先进的清洁能源，是近五年国家能源战略重要的组成部分，是实现国家节能减排“双碳”目标的最重要举措之一。高温气冷堆核电站固有安全性高、系统简单、发电效率较高、用途广泛、具有多用途应用等特点，是未来能源市场需要的具有第四代先进核反应堆特性的堆型之一。
高温气冷堆核电站中，由于一回路出口氦气温度较高，使得两个关键主设备压力容器、蒸汽发生器外壳面临的服役工作温度明显高于传统的压水堆，但无论何种堆型的主设备上都安装有起到减震作用的支撑结构。作为支撑结构上减摩板部件的基板通常是由耐磨灰铸铁加工而成，对其高温下的性能提出了苛刻的要求。尽管国内现有的牌号为HT350的灰铸铁具有良好的抗拉强度(Rm)，但其压缩屈服强度(Rpc0.01)和硬度性能尚无法达到核电支撑设备应用领域要求，且其极限使用温度为350℃，也不能满足高温气冷堆核电站支撑设备的使用要求。
发明内容
本发明旨在在一定程度上至少解决相关技术中的技术问题之一。为此，本发明提供一种灰铸铁铸件及其制备方法。
本发明采用的技术方案为：
本发明首先提供了一种灰铸铁材料，其成分及其质量百分比为：C：3.25～3.52％，Mo：0.5～0.9％，Cu：0.6～1.3％，B：0.002～0.003％，Si：1.0～1.8％，Mn：1.0～1.3％，Cr≤0.15％，余量为Fe和不可避免的杂质；
所述灰铸铁材料的碳当量为3.3～3.6。
与现有的工艺技术相比，本发明实施例中的灰铸铁材料在化学成分方面，优化了Mo、Cu、Cr等元素含量，此外，B元素的引入可以提高灰铸铁材料的组织均匀性，且其可以满足高温气冷堆对支撑减摩板铸件材料的高综合性能指标的要求。
在一些实施例中，所述灰铸铁材料的成分及其质量百分比为：C：3.25～3.5％，Mo：0.75～0.9％，Cu：0.7～1.2％，B：0.002～0.003％，Si：1.3～1.6％，Mn：1.1～1.2％，Cr≤0.15％，余量为Fe和不可避免的杂质；
所述灰铸铁材料的碳当量为3.4～3.6。
本发明中灰铸铁材料的成分设计原理如下：
C：C元素是强烈形成金属碳化物、稳定并扩大奥氏体的重要元素。一方面，C元素易与灰铸铁材料中的Cr、Mo形成Cr及Mo的碳化物可以提高灰铸铁材料的高温强度，而高温气冷堆中压力容器上用支撑结构的减摩板铸件中的碳当量要求范围为3.3～3.6，因此灰铸铁材料中的C含量不易过高；另一方面，C元素又是间隙型固溶强化的重要元素，高温气冷堆中对灰铸铁材料的400℃高温强度和持久压应力有特殊要求，因此C含量也不能过低。因此，本发明控制C含量为3.25～3.52％。
Mo：Mo元素可提高灰铸铁材料的固溶强度，但Mo元素也是易偏析元素，同时也可促进金属间有害相的析出，导致灰铸铁材料塑性降低，不易添加过高。因此，本发明控制Mo含量为0.5～0.9％。
Cu：Cu元素可以改善灰铸铁材料的切削加工性能，本发明具体控制Cu含量为0.6～1.3％。
B：添加适量的B元素，主要作用是净化晶界，增强灰铸铁材料在高温下的持久性能，但过量的B会产生B脆性夹杂，进而影响灰铸铁材料的塑性。因此，本发明控制B含量为0.002～0.003％。
Si：Si元素是强烈形成脆性金属间σ相的元素，会降低灰铸铁材料的热加工和冷加工性能。因此，本发明控制Si含量为1.0～1.8％。
Mn：Mn元素可有效细化铸铁组织，提升灰铸铁材料中的珠光体的数量百分比，从而获得较高的抗拉强度、压缩屈服强度和较高的硬度，以提升其抗磨损性能，但Mn含量过高易形成MnS等低熔点有害物，降低材料热加工性能。因此，本发明控制Mn含量为1.0～1.3％。
Cr：Cr元素可提高灰铸铁材料在高温环境中的抗氧化能力，产生钝化效果，同时较高的Cr以获得较高的压缩屈服强度，但随着Cr含量的增加，会使灰铸铁材料的组织稳定性降低，组织中易形成脆性的金属间相，降低灰铸铁材料的加工和使用性能。因此，本发明控制Cr含量为≤0.15％。
Fe：本发明灰铸铁材料中增加Fe含量主要是为了降低灰铸铁材料的成本。
本发明还提供了一种由上述灰铸铁材料制备得到的灰铸铁铸件。
在一些实施例中，所述灰铸铁铸件在400℃的抗拉强度≥310MPa，屈服强度≥130MPa，延伸率为5.5～7.0％。
本发明还提供了上述灰铸铁铸件的制备方法，包括如下步骤：
1)将灰铸铁铸件的原料经冶炼后得到铸锭；
2)将铸锭熔炼成钢液，再向焙烧后的型壳内浇注钢液，凝固、脱模后得到铸件；
3)将铸件进行退火处理，制得所述灰铸铁铸件。
本发明实施例中灰铸铁铸件的制备方法首先将灰铸铁铸件原料冶炼成铸锭，再将铸锭熔炼成钢液，利用熔模铸造将钢液铸造成铸件，最后经退火热处理工艺，控制铸件的组织均匀性，从而得到具有优异的综合性能的灰铸铁铸件产品，特别适合于高温气冷堆压力容器上用支撑结构减摩板、或环块铸件的制造要求。
在一些实施例中，步骤1)中，所述冶炼的温度为1380～1450℃。
在一些实施例中，步骤2)中，所述熔炼的温度为1360～1390℃。
在一些实施例中，步骤2)中，所述型壳的焙烧温度为850～1000℃，焙烧时间为2～4h。
在一些实施例中，步骤3)中，所述退火处理的温度为500～580℃，退火时间为2～5h。
本发明还提供了上述灰铸铁铸件在制备高温气冷堆压力容器上支撑结构的用途。
本发明所具有的优点和有益效果为：
与现有的工艺技术相比，本发明中的灰铸铁材料在化学成分方面，优化了Mo、Cu等元素含量，降低了Cr含量；同时通过添加B元素，提高了灰铸铁材料的组织均匀性，可以达到高温气冷堆对支撑减摩板、或环块铸件材料的高综合性能指标的要求。
本发明中的灰铸铁铸件采用熔模铸造工艺铸造而成，并通过退火热处理工艺，使灰铸铁铸件的组织更加均匀，制得的灰铸铁铸件产品具有优异的力学性能，且其在400℃依然具有良好的综合性能，满足高温气冷堆压力容器上用支撑结构减摩板等铸件的设计制造要求。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
本发明首先提供了一种灰铸铁材料，其成分及其质量百分比为：C：3.25～3.52％，Mo：0.5～0.9％，Cu：0.6～1.3％，B：0.002～0.003％，Si：1.0～1.8％，Mn：1.0～1.3％，Cr≤0.15％，余量为Fe和不可避免的杂质；灰铸铁材料的碳当量为3.3～3.6。
与现有的工艺技术相比，本发明实施例中的灰铸铁材料在化学成分方面，优化了Mo、Cu、Cr等元素含量，此外，B元素的引入可以提高灰铸铁材料的组织均匀性，且其可以达到高温气冷堆对支撑减摩板、或环块铸件材料的高综合性能指标的要求。
在一些实施例中，灰铸铁材料的成分及其质量百分比为：C：3.25～3.5％，Mo：0.75～0.9％，Cu：0.7～1.2％，B：0.002～0.003％，Si：1.3～1.6％，Mn：1.1～1.2％，Cr≤0.15％，余量为Fe和不可避免的杂质；灰铸铁材料的碳当量为3.4～3.6。
本发明还提供了一种由上述灰铸铁材料制备得到的灰铸铁铸件。
在一些实施例中，灰铸铁铸件在400℃的抗拉强度≥310MPa，屈服强度≥130MPa，延伸率为5.5～7.0％。
本发明还提供了上述灰铸铁铸件的制备方法，包括如下步骤：
1)将灰铸铁铸件的原料经冶炼后得到铸锭；
2)将铸锭熔炼成钢液，再向焙烧后的型壳内浇注钢液，凝固、脱模后得到铸件；
3)将铸件进行退火处理，制得灰铸铁铸件。
本发明实施例中灰铸铁铸件的制备方法首先将灰铸铁铸件原料冶炼成铸锭，再将铸锭熔炼成钢液，利用熔模铸造将钢液铸造成铸件，最后经退火热处理工艺，控制铸件的组织均匀性，从而得到具有优异的综合性能的灰铸铁铸件产品，特别适合于高温气冷堆压力容器上用支撑结构减摩板铸件的制造要求。
在一些实施例中，步骤1)中，冶炼的温度为1380～1450℃。
在一些实施例中，步骤2)中，熔炼的温度为1360～1390℃。
在一些实施例中，步骤2)中，型壳的焙烧温度为850～1000℃，焙烧时间为2～4h。
在一些实施例中，步骤3)中，退火处理的温度为500～580℃，退火时间为2～5h。
本发明还提供了上述灰铸铁铸件在制备高温气冷堆压力容器上支撑结构的用途。
下面通过具体实施例进一步详细描述本发明。
实施例1
规格为长度680mm×宽度550mm×高度65mm的灰铸铁铸件的制备。
熔炼出化学成分(质量百分比)如下的灰铸铁铸件：
C：3.42％，Si：1.32％，Mn：1.17％，Cr：0.04％，Cu：1.20％，Mo：0.76％，B：0.002％，余量为Fe和不可避免的杂质。
本实施例采用熔模铸造工艺铸造成灰铸铁铸件：
1)将灰铸铁铸件的原料经1420℃冶炼后得到铸锭；
2)将铸锭于1380℃熔炼成钢液，再向焙烧后的型壳内浇注钢液，凝固、脱模后得到铸件；
3)将铸件于560℃退火3h，即可制得灰铸铁铸件。
成品检验
经退火热处理后得到的成品灰铸铁铸件，室温下，灰铸铁铸件的Rpc0.01为280MPa，Rm为485MPa，布氏硬度为312，其综合力学性能已超过了现有的牌号为HT350或改进型的灰铸铁；400℃高温下，其抗拉强度达到310MPa，屈服强度为130MPa，高温延伸率为6.8％；此外，还对灰铸铁铸件逐块进行RT及液体渗透检验，合格率达到100％，满足高温气冷堆压力容器上用支撑结构减摩板铸件的制造要求。
实施例2
规格为外经600mm×内径350mm×厚度185mm的环状灰铸铁铸件的制备。
熔炼出化学成分(质量百分比)如下的灰铸铁铸件：
C：3.50％，Si：1.43％，Mn：1.10％，Cr：0.07％，Cu：1.02％，Mo：0.82％，B：0.002％，余量为Fe和不可避免的杂质。
本实施例采用熔模铸造工艺铸造成灰铸铁铸件：
1)将灰铸铁铸件的原料经1410℃冶炼后得到铸锭；
2)将铸锭于1360℃熔炼成钢液，再向焙烧后的型壳内浇注钢液，凝固、脱模后得到铸件；
3)将铸件于570℃退火4h，即可制得环状灰铸铁铸件。
成品检验
经退火热处理后得到的成品灰铸铁铸件，室温下，灰铸铁铸件的Rpc0.01为273MPa，Rm为476MPa，布氏硬度为319，其综合力学性能已超过了现有的牌号为HT350或改进型的灰铸铁；400℃高温下，其抗拉强度达到318MPa，屈服强度为149MPa，高温延伸率为5.7％；此外，还对灰铸铁铸件逐块进行RT及液体渗透检验，合格率达到100％，满足高温气冷堆压力容器上用支撑结构减摩环块铸件的制造要求。
实施例3
规格为直径580mm×厚度75mm的灰铸铁铸件的制备。
熔炼出化学成分(质量百分比)如下的灰铸铁铸件：
C：3.32％，Si：1.55％，Mn：1.18％，Cr：0.06％，Cu：0.98％，Mo：0.9％，B：0.002％，余量为Fe和不可避免的杂质。
本实施例采用熔模铸造工艺铸造成灰铸铁铸件：
1)将灰铸铁铸件的原料经1450℃冶炼后得到铸锭；
2)将铸锭于1390℃熔炼成钢液，再向焙烧后的型壳内浇注钢液，凝固、脱模后得到铸件；
3)将铸件于580℃退火2.5h，即可制得灰铸铁铸件。
成品检验
经退火热处理后得到的成品灰铸铁铸件，室温下，灰铸铁铸件的Rpc0.01为262MPa，Rm为470MPa，布氏硬度为325，其综合力学性能已超过了现有的牌号为HT350或改进型的灰铸铁；400℃高温下，其抗拉强度达到337MPa，屈服强度为136MPa，高温延伸率为5.9％；此外，还对灰铸铁铸件逐块进行RT及液体渗透检验，合格率达到100％，满足高温气冷堆压力容器上用支撑结构减摩圆板铸件的制造要求。
在本发明中，术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。
Claims (5)
1.一种灰铸铁铸件，其特征在于，其成分及其质量百分比为：C：3.25～3.52％，Mo：0.5～0.9％，Cu：0.6～1.3％，B：0.002～0.003％，Si：1.0～1.8％，Mn：1.0～1.3％，Cr≤0.15％，余量为Fe和不可避免的杂质；所述灰铸铁铸件的碳当量为3.3～3.6；
所述灰铸铁铸件在400℃的抗拉强度≥310MPa，屈服强度≥130MPa，延伸率为5.5～7.0％；
所述灰铸铁铸件由包括如下步骤的方法制备得到：
1)将灰铸铁铸件的原料经1380～1450℃冶炼后得到铸锭；
2)将铸锭于1360～1390℃下熔炼成钢液，再向焙烧后的型壳内浇注钢液，凝固、脱模后得到铸件；
3)将铸件进行退火处理，制得所述灰铸铁铸件。
2.根据权利要求1所述的灰铸铁铸件，其特征在于，所述灰铸铁铸件的成分及其质量百分比为：C：3.25～3.5％，Mo：0.75～0.9％，Cu：0.7～1.2％，B：0.002～0.003％，Si：1.3～1.6％，Mn：1.1～1.2％，Cr≤0.15％，余量为Fe和不可避免的杂质；所述灰铸铁铸件的碳当量为3.4～3.6。
3.根据权利要求1所述的灰铸铁铸件，其特征在于，步骤2)中，所述型壳的焙烧温度为850～1000℃，焙烧时间为2～4h。
4.根据权利要求1所述的灰铸铁铸件，其特征在于，步骤3)中，所述退火处理的温度为500～580℃，退火时间为2～5h。
5.权利要求1-4任一项所述的灰铸铁铸件在制备高温气冷堆压力容器上支撑结构的用途。
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