高Ni奥氏体球铁排气管的生产方法

摘要

本发明涉及一种高Ni奥氏体球铁排气管的生产方法，经配料、熔化、球化处理、浇注及炉前化验而完成。炉料配比为：生铁30%±0.5%，废钢10%±0.5%、回炉料20%±0.5%、高纯镍30%±0.3%、锰铁合金1%±0.1%、硅铁合金6.4%±0.2%、铬铁合金2.2%±0.1%以及电解铜0.4%±0.1%。熔化时，先加入高纯镍，后加入其它合金，原铁水的Si含量为3.4%～3.6%；球化处理时，球化剂选用Mg含量在18%～20%的Ni-Mg合金；铁水的球化处理温度为1600℃～1620℃；浇注时，采用长效孕育剂和75FeSi，加入量均为熔化重量的0.5%；并采用熔化重量0.2%的瞬时孕育，浇注温度为1420℃～1460℃。实验证明，采用本发明之生产工艺制做的柴油机排气管，成品率达到90%以上。

说明书

技术领域

本发明涉及冶金领域之铸造技术，具体地说是耐高温排气管的生产制作方法。

背景技术

船用动力柴油机排气管采用普通蠕墨铸铁和高硅球墨铸铁铸造而成。炉前经过蠕化、球化和孕育处理。常用排气管的耐受温度不到600℃。2005年欧Ⅵ标准的Cr25-Ni20的耐热钢Ni含量约20%；欧洲标准NF EN13835标准中的X-Ni-Si-Cr35-5-2之耐热钢Ni含量约35%，零件进口费用昂贵。该高Ni球铁生产工艺苛刻，炉前处理稍有不周，就会导致废品，实际生产中存在下述难点：

a) 铸造难度大:碳量低,熔炼温度高( ≥1 580 ℃) ,浇注温度高(1460 ℃左右) ,体收缩大,流动性差,糊状凝固,补缩困难,缩松倾向大,工艺出品率低。

b) 几何结构、尺寸要求高：零件具有空间弯曲的三通结构，两个园法兰，一个五角法兰，对开面为曲面。常规壁厚只有10mm.最厚处壁厚60mm，壁厚差悬殊，存在独立热节。五角法兰悬臂长度600mm，不容易浇满。法兰厚度、零件长度、相互位置尺寸的公差带窄：±0.1机械加工不易保证。

c) 零件要求水压试验：0.6MPa，保压15Min.

d) 属于高合金材料，成分要求严：

（表1）欧洲标准NF EN13835中要求的化学成分

由于合金含量高达40%，致使铁液产生严重的过冷倾向，石墨化不好，球化不良，另外，合金的吸气倾向比较大，熔点也比较高，对设备的要求严格。

e）材料性能要求高：

 （表2）NF EN13835中要求的机械性能

材质抗拉强度σb>屈服强度σ0. 2>伸长率δ(>HBX-Ni-Si-Cr35-5-2≥370≥200≥10140～190

发明内容

本发明的目的在于，提供一种理想的高镍合金X-Ni-Si-Cr35-5-2的铸造生产新工艺，提高铸件合格率，实现国产化。

本发明的具体技术方案是：

本发明之高镍合金X-Ni-Si-Cr35-5-2的生产工艺，主要是经过配料、熔化、球化处理、浇注及炉前化学成分化验而完成的，具体流程如下：

流程第一步：炉料配比

根据炉前化学成分要求，炉料配比中含：生铁30%±0、5%，废钢10%±0.5%、回炉料20%±0.5%、高纯镍30%±0.3%、锰铁合金1%±0.1%、硅铁合金6.4%±0.2%、铬铁合金2.2%±0.1%以及电解铜0.4%±0.1%的加入量。

炉料配比中，选用20%高Ni回炉料----可以降低材料成本; 同时回炉料中含有0.04-0.05%的残余Mg----能够有效提高材料的球化率、机械性能及耐热温度；

     炉料配比中，通过提高生铁的加入量提高了合金的C含量来提高C，其效果如下：

1提高C含量可以促进合金液的球化处理效果，C属于促进石墨化元素，能够有效增加合金凝固过程中的球状石墨析出数量。

2球状石墨数量增加后，合金在凝固过程中的石墨化膨胀作用提高，能有效降低合金凝固过程中的体收缩倾向，可消除铸件的缩松缺陷。

流程第二步：熔化

由于镍的熔点高于铁，中频感应炉中先加入生铁和废钢，故应在送电进行熔化形成熔池后再加入高纯镍，最后加入其它合金。待整炉合金熔清后，取样进行成分检测。

球化处理前原铁水化学成分按照下表执行：

   将原铁水(指未作球化处理的铁水)的Si含量控制在3.4%～3.6%之间。在原铁水成分控制中，根据欧洲标准NF EN13835中的化学成分要求，考虑到合金液球化处理时使用的球化剂和孕育剂属于硅铁合金，会增加合金液的含硅量，为确保球化处理后的合金含Si量在4.5%～5.5%之间，经过计算将原铁水的Si含量控制在3.4%～3.6%之间。

流程第三步：传统方法的球化处理技术

合金液成分检测合格后，将合金液倾倒化处理包中——进行球化处理。

    球化剂选用Mg含量在18%～20%的Ni-Mg合金。这是因为：普通硅铁镁合金的Mg含量较低，铁水处理温度高，Mg烧损严重，很难达到球化效果，本发明通过Ni-Mg合金熔点高、“相似相溶”原理，可以有效提高合金的残Mg水平；另外，由于高Ni球墨铸铁的熔点高，合金流动性差 、粘度大、凝固速度较快等特点，导致铁水凝固过程中石墨的析出及生长成球状不充分，因此对球化影响元素Mg的含量要求比较高，通过机械性能试验、金相分析、合金的定量化学成分分析及批量生产后的大量数据验证分析得出结论：当高Ni奥氏体球墨铸铁的残余Mg含量≥0.080%时，可以获得球化率较高的奥氏体球墨铸铁；当残余Mg含量≤0.080%时，易导致球化不良现象；为保证残余Mg含量≥0.080%，我们选用Mg含量在18%～20%的Ni-Mg合金作为球化剂，Mg的烧损率按40%计算，当球化剂加入量为0.8%时，可保证残余Mg含量≥0.080%。

     高Ni奥氏体球墨铸铁球化处理采用“三明治法”进行处理；如图2：

     所述“三明治法”，是将球化剂先装入球化堤坝内，紧实铺平后，再将孕育剂覆盖在球化剂上，最后用钢板覆盖在孕育剂上。球化剂加入量为液重的0.8%，孕育剂加入量为液重的1.2%。

     采用“三明治法”可以推迟铁水的球化时间，若球化剂和孕育剂过早的和铁水接触，将提前发生球化反应，导致铁水过早出现球化衰退，最终影响到合金的材质和性能。

     铁水的球化处理温度选择1600℃～1620℃——由于材料的合金含量较高，铸造性能差等特点，故球化处理温度要稍高些。

流程第四步：浇注

球化处理结束后，将合金液用球化处理包转运至浇注现场进行铸件浇注。

浇注时，采用长效孕育剂INOCULIN 390〔江苏福士科中国有限公司生产〕和75FeSi，加入量均为熔化重量的0.5%；并采用熔化重量的0.2%的INOCULIN 400〔江苏福士科中国有限公司生产的孕育剂〕作为瞬时孕育，在浇注过程中随流冲入。其目的是改善下述状况：奥氏体球铁比普通球铁孕育衰退快，特别是含Cr奥氏体球铁，孕育不好，铸件很容易产生缩孔、缩松缺陷。

浇注时，使用含有钙、钡的孕育剂（Ca:0.5%-1.5%、 Ba：8%-11%）----通过综合作用可使该孕育剂在低硫、高硫铸铁中均有良好的孕育作用；使用含有Bi的孕育剂（Bi：0.8%-1.3%）【INOCULIN 390孕育剂成分中含钡，INOCULIN 400孕育剂成分中含Bi】,可以显著提高单位面积的石墨球数、细化石墨球、提高球化率尤其是铸造流动性差、粘度高的高Ni奥氏体球墨铸铁。

    浇注温度选择1420℃～1460℃进行浇注，浇注温度过低会出现铸件冷隔、白口化、球化不良及铁水粘包等现象

    由于高Ni合金的收缩倾向比较大，铸件厚大部位必须设置保温冒口，尤其在厚大的法兰部位，有利于铸件的补缩及型腔排气。

     在铸件的热节部位增加工艺冷铁——由于球墨铸铁糊状凝固特点，尤其高Ni奥氏体球墨铸铁凝固时间段、补缩通道狭窄，必须在铸件的热节部位增加工艺冷铁，保证铸件的均衡凝固。

     使用高精度金属模具：公差与配合满足Js(偏差=IT12/2)级精度要求——最大限度的减少铸件的加工余量，保证尺寸稳定性，有利于消除热节部位的缩松倾向，提高冷铁的激冷效果，保证铸件加工面的组织致密性。

 本发明的有益效果是：

采用本发明之生产工艺制做的18PA6B柴油机排气管，已经完成自制件装机，实验证明，铸件经加工水试后，成品率可达到90%以上（原来为0），故此，本发明已成功掌握了奥氏体球墨铸铁管段生产的核心技术，摆脱了进口此类零件价格昂贵的困境。

 附图说明

 图1是本发明的生产流程示意图；

 图2是本发明实施例的浇包示意图。

具体实施方式  

下面结合三个实施例，对本发明做进一步说明。

以下各实施例的生产工艺，均是经过配料、熔化、球化处理、浇注及炉前化学成分化验而完成的，如图1所示；高Ni奥氏体球墨铸铁球化处理采用“三明治法”进行处理，如图2所示。

实施例1 生产18PA6B柴油机的排放高温气体的排气管，其工艺步骤如下：

1） 炉前化学成分为：

  流程第一步：根据炉前化学成分要求，进行精确的炉料配比计算，确定生铁30%、废钢10%、回炉料20%、高纯镍30%、锰铁合金1%、硅铁合金6.4%、铬铁合金2.56%以及电解铜0.4%的加入量。

炉料配比中，选用20%高Ni回炉料；

流程第二步：熔化。先加入生铁和废钢，待熔化形成熔池后再加入高纯镍，最后加入其它合金。待整炉合金熔清后，取样通过光谱快速分析进行成分检测。

 

 球化处理前原铁水化学成分按照下表执行：

 将原铁水的Si含量控制在3.4%～3.6%之间。

流程第三步：合金液成分检测合格后，将合金液倾倒入球化处理包中——进行球化处理。

    球化剂选用Mg含量在18%～20%的Ni-Mg合金。

     高Ni奥氏体球墨铸铁球化处理采用“三明治法”进行处理。

     铁水的球化处理温度选择1600℃～1620℃——由于材料的合金含量较高，铸造性能差等特点，故球化处理温度要稍高些。

流程第四步：球化处理结束后，将合金液用球化处理包转运至浇注现场进行铸件浇注。

浇注时，采用长效孕育剂INOCULIN 390〔江苏福士科中国有限公司生产〕和75FeSi，加入量均为熔化重量的0.5%；并采用熔化重量的0.2%的INOCULIN 400〔江苏福士科中国有限公司生产的孕育剂〕作为瞬时孕育，在浇注过程中随流冲入。

浇注时，使用含有钙、钡的孕育剂（Ca:0.5%-1.5%、 Ba：8%-11%）；使用含有Bi的孕育剂（Bi：0.8%-1.3%）。

浇注温度选择1420℃～1460℃进行浇注。

由于高Ni合金的收缩倾向比较大，铸件厚大部位设置保温冒口。

    在铸件的热节部位增加工艺冷铁，保证铸件的均衡凝固。

    使用高精度金属模具：公差与配合满足Js(偏差=IT12/2)级精度要求。

实施例2

1）炉前化学成分按照下表执行：

炉料配比：根据炉前化学成分要求，进行精确的炉料配比计算，

生铁30%＋0、5%，废钢10%－0.5%、回炉料20%＋0.5%、高纯镍30%－0.3%、锰铁合金1%＋0.1%、硅铁合金6.4%－0.2%、铬铁合金2.2%＋0.1%以及电解铜0.4%－

0.1%的加入量。＋－

在原铁水成分控制中，我们根据欧洲标准NF EN13835中的化学成分要求，考虑到合金液球化处理时使用的球化剂和孕育剂属于硅铁合金，会增加合金液的最终含硅量，为确保球化处理后的合金含Si量在4.5%～5.5%之间，经过计算将原铁水的Si含量控制在3.4%～3.6%之间。

2）奥氏体球铁比普通球铁孕育衰退快，特别是含Cr奥氏体球铁，孕育不好，铸件很容易产生缩孔、缩松缺陷。为此采用长效孕育剂： INOCULIN 390和75FeSi，加入量分均为熔化重量的0.5%，并采用熔化重量的0.2%的INOCULIN 400作为瞬时孕育，在浇注过程中随流冲入；

3）炉料配比过程中选用40%高Ni回炉料进行配比，回炉料中含有0.04-0.05%的残余Mg，能够有效提高材料的球化率、机械性能及耐热温度；

4）使用含有钙、钡的孕育剂（Ca: 1.0%、 Ba：10%）；

5）使用含有Bi的孕育剂（Bi1.3%）；

7）球化剂选用Mg含量在18%的Ni-Mg合金；

8）高Ni奥氏体球墨铸铁的残余Mg含量≥0.080%；

9）高Ni奥氏体球墨铸铁球化处理方式采用“三明治法”进行处理（如实施例1所述）。

10）铁水的球化处理温度选择1600℃～1620℃，浇注温度选择1420℃～1460℃进行浇注。

11）由于高Ni合金的收缩倾向比较大，热节厚大的法兰部位设置保温冒口。

12）在铸件的热节部位增加工艺冷铁。

13）使用高精度金属模具：公差与配合满足Js(偏差=IT12/2)级精度要求。

实施例3

1）炉前化学成分按照下表执行：

炉料配比：生铁30%－0、5%，废钢10%＋0.5%、回炉料20%－0.5%、高纯镍30%＋0.3%、锰铁合金1%－0.1%、硅铁合金6.4%＋0.2%、铬铁合金2.2%－0.1%以及电解铜0.4%＋0.1%的加入量。

 

在原铁水成分控制中，根据欧洲标准NF EN13835中的化学成分要求，考虑到合金液球化处理时使用的球化剂和孕育剂属于硅铁合金，会增加合金液的最终含硅量，为确保球化处理后的合金含Si量在4.5%～5.5%之间，经过计算将原铁水的Si含量控制在3.4%～3.6%之间。

2）采用长效孕育剂： INOCULIN 390和75FeSi，加入量分均为熔化重量的0.5%，并采用熔化重量的0.2%的INOCULIN 400作为瞬时孕育，在浇注过程中随流冲入；

3） 炉料配比过程中选用60%高Ni回炉料进行配比，回炉料中含有0.04-0.05%的残余Mg；

4）使用含有钙、钡的孕育剂（Ca:0.5%-1.5%、 Ba：8%-11%），通过综合作用可使该孕育剂在低硫、高硫铸铁中均有良好的孕育作用；

5）使用含有Bi的孕育剂（Bi：1.0%）；

     7）球化剂选用Mg含量在20%的Ni-Mg合金。

8）高Ni奥氏体球墨铸铁的残余Mg含量≥0.080%；

9）高Ni奥氏体球墨铸铁球化处理方式采用“三明治法”进行处理（如实施例1）：

 10）铁水的球化处理温度选择1600℃～1620℃，浇注温度选择1420℃～1460℃进行浇注；

     11）热节厚大的法兰部位设置保温冒口；

     12）在铸件的热节部位增加工艺冷铁；

     13）使用高精度金属模具：公差与配合满足Js(偏差=IT12/2)级精度要求。

上述三个实施例（即三炉）产品的机械性能和金相组织的测试数据如下表所示：

编号σb>σ0. 2>δ(>HB球化率基体1＃334.4182.65.0137石墨过冷A+大量L（莱氏体）2＃426.1229.413.0147VI+V,65%A+大量L3＃414.4223.520.6143VI+V,90%A+ L

对表中调试数据的分析

通过对以上三炉的试验数据分析，高Ni奥氏体球铁的石墨形态直接影响了该材料的机械性能，同时Ni、Si、残Mg量也对该材质的机械性能和金相组织有相当大的影响。

球化剂的最终选定，由于ADLLOY6RE球化剂的Mg含量6%左右，Mg含量比较低，加入量比较大，并其含有较高的稀土，所以选用Mg含量在20%左右不含稀土的Ni-Mg20球化剂，加入量0.8%。

孕育剂的选用，孕育剂采用福士科INOCULIN 390，75FeSi加入量各0.5%，并采用0.2% 福士科INOCULIN 400孕育剂作为瞬时孕育，在浇注过程中随流冲入。INOCULIN 390含很高的钡，在孕育的过程中促进大量的晶核的形成，显著延长孕育衰退时间；钙、钡的综合作用使该孕育剂在低硫、高硫铸铁中均有良好的孕育作用。INOCULIN 400是以75SiFe为基础的铁合金，含有Bi,适宜于球铁,可以显著提高单位面积的石墨球数，细化石墨球，提高球化率。

5.1.1、 工艺优化后的调试结果

通过对调试工艺的优化，申请人连续试制生产了7炉，结果均合格，机械性能和金相组织见下表：

编号σb>σ0. 2>δ(>HB球化率基体1＃424.4297.120.8140VI+V,90%A+L2＃442.1300.626142VI+V,91%A+L3＃424.4237.329142VI+V,92%A+L4＃391.8210.913152VI+V,90%A+L5＃427.5231.629.2140VI+V,92%A+L6＃410.9221.917.6144VI+V,90%A+L7＃427.7256.416152VI+V,90%A+L

通过新工艺的试制生产我们最终将X-Ni-Si-Cr35-5-2奥氏体球墨铸铁用于生产核电18PA6B柴油机排气管。

5.2、造型工艺的探索

高Ni球铁排气管的造型工艺摸索