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        大型鑄鋼件鈦微合金化的研究及應(yīng)用

        2017-12-05 20:46:52衛(wèi)心宏姚國平
        鑄造設(shè)備與工藝 2017年5期
        關(guān)鍵詞:鑄鋼件合金化鑄態(tài)

        衛(wèi)心宏,姚國平

        (太原重工股份有限公司,山西太原 030024)

        ·應(yīng)用研究·

        大型鑄鋼件鈦微合金化的研究及應(yīng)用

        衛(wèi)心宏,姚國平

        (太原重工股份有限公司,山西太原 030024)

        針對(duì)大型鑄鋼件鑄造生產(chǎn)存在晶粒粗大的難題,進(jìn)行了材質(zhì)鈦微合金化試驗(yàn)研究,并對(duì)其力學(xué)性能、金相組織、晶粒度及可探性等性能進(jìn)行對(duì)比分析。試驗(yàn)證明材質(zhì)鈦微合金化細(xì)化晶粒作用比較顯著,經(jīng)過一次正火和回火處理基本能滿足大型鑄鋼件的探傷要求,提高了鑄件的內(nèi)部質(zhì)量,并可改善性能。

        大型鑄鋼件;鈦微合金化;晶粒細(xì)化

        大型鑄鋼件是大型機(jī)械設(shè)備重要的基礎(chǔ)部件。但大型鑄鋼件在生產(chǎn)過程中,因厚大部位熱節(jié)集中,冷卻條件較差,易出現(xiàn)晶粒粗大的問題,往往通過多次正火,才能達(dá)到晶粒細(xì)化和探傷要求,影響大型鑄件生產(chǎn)進(jìn)度及質(zhì)量,是厚大鑄鋼件生產(chǎn)的一個(gè)難題。針對(duì)大型鑄鋼件鑄造生產(chǎn)存在的難題,在材質(zhì)試驗(yàn)的基礎(chǔ)上,選擇碳鋼及碳錳鋼材質(zhì)典型厚大鑄件,進(jìn)行材質(zhì)鈦微合金化的應(yīng)用的試驗(yàn)研究。通過在材質(zhì)中加入微量鈦合金預(yù)先細(xì)化鑄件鑄件鑄態(tài)組織的晶粒,加上適當(dāng)?shù)臒崽幚?,一次正火和回火熱處理基本達(dá)到晶粒細(xì)化效果,提高了鑄件的內(nèi)部質(zhì)量,滿足厚大件的探傷要求,也改善鑄件材質(zhì)性能,并在厚大鑄鋼件生產(chǎn)中推廣應(yīng)用。

        l 試驗(yàn)方案

        1.1 試驗(yàn)鑄件選擇

        大型鑄鋼件主要以碳鋼及碳錳鋼為主,選擇材質(zhì)ZG270-500厚大鑄鋼件牌坊等鑄件,進(jìn)行鈦微合金化對(duì)比試驗(yàn)。鑄件的一般壁厚500 mm,端頭最大壁厚600 mm,對(duì)比試驗(yàn)鑄件基本條件如表1.鑄件附鑄大試樣的尺寸為l50 mm×l50 mm×250 mm,鈦微合金化試驗(yàn)件和對(duì)比件各附鑄l6個(gè)試樣進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)。

        表l 鈦微合金化試驗(yàn)件明細(xì)

        1.2 微合金化材質(zhì)試驗(yàn)方案

        試驗(yàn)材質(zhì)為ZG270-500,選擇FeTi30鈦鐵合金材料進(jìn)行鈦微合金化實(shí)驗(yàn)。確定鈦微合金化的試驗(yàn)工藝為,在精煉鋼水終脫氧后加FeTi30鈦鐵進(jìn)行微合金化處理,試驗(yàn)確定的大型鑄鋼件鈦微合金化鈦的質(zhì)量分?jǐn)?shù)的范圍為0.005%~0.0l2%.

        冶煉澆注鈦微合金化實(shí)驗(yàn)件與未加合金的對(duì)比件后,按照鑄態(tài)、退火、正火+回火不同熱處理狀態(tài),對(duì)試驗(yàn)件和對(duì)比件附鑄試塊,進(jìn)行化學(xué)成分、力學(xué)性能、顯微組織組織、晶粒度、氣體含量等試驗(yàn),分析材質(zhì)鈦微合金化后的性能及顯微組織變化,對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行總結(jié)。

        2 試驗(yàn)結(jié)果分析

        2.1 化學(xué)成分對(duì)比分析

        根據(jù)試驗(yàn)件的鋼水重量,采用相同冶煉澆注工藝澆注試驗(yàn)件和對(duì)比件,其中試驗(yàn)件進(jìn)行了鈦微合金化,化學(xué)成分分析如表2.從分析看,試驗(yàn)件含Ti質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.0l0%,達(dá)到試驗(yàn)方案要求。

        表2 化學(xué)成分試驗(yàn)分析 (質(zhì)量分?jǐn)?shù),%)

        2.2 鑄件氣體含量對(duì)比試驗(yàn)

        對(duì)試驗(yàn)件和對(duì)比鑄件的氣體含量〔O〕、〔H〕、〔N〕對(duì)比分析。鈦與氧和氮的化學(xué)親合力非常強(qiáng),材質(zhì)鈦微合金化不但細(xì)化了晶粒,而且還有脫氧、固氮?jiǎng)┘皟?chǔ)氫的作用,降低了鋼水的氣體含量,起到凈化鋼水作用,提高鑄件材質(zhì)質(zhì)量。從表3分析可看出,鈦微合金化的實(shí)驗(yàn)件與對(duì)比件相比,氧質(zhì)量分?jǐn)?shù)降低l6×l0-4%,氮含量和氫含量也適當(dāng)降低。

        表3 鑄件氣體含量試驗(yàn)分析

        2.3 力學(xué)性能對(duì)比分析

        選擇材質(zhì)ZG270-500加鈦微合金化的試驗(yàn)件和對(duì)比件l50mm×l50mm附鑄大試樣,進(jìn)行不同熱處理狀態(tài)(鑄態(tài)、退火、正回火)力學(xué)性能試驗(yàn)分析,試驗(yàn)結(jié)果見表4.從試驗(yàn)分析看,鈦微合金化后,沖擊值平均提高l5J~30J,拉力性能也有一定的提高。

        2.4 晶粒度和顯微組織分析

        對(duì)試驗(yàn)件和對(duì)比件進(jìn)行不同熱處理狀態(tài)的顯微組織組織、晶粒度等試驗(yàn)分析。從對(duì)比分析看,試驗(yàn)件和對(duì)比件材質(zhì)鑄態(tài)及熱處理后的的顯微組織都為鐵素體+珠光體;鈦微合金化后,晶粒度能提高0.5~l級(jí),特別是鑄態(tài)晶粒度能達(dá)到3級(jí),鈦微合金化細(xì)化鑄態(tài)組織的作用非常明顯。試驗(yàn)分析見表5及圖1.

        表4 力學(xué)性能對(duì)比分析

        表5 晶粒度和基體組織對(duì)比分析

        圖l 不同熱處理狀態(tài)顯微組織對(duì)比

        2.5 鑄件本體厚大部位可探性對(duì)比試驗(yàn)

        為了對(duì)比鑄件本體厚大部位的組織情況,對(duì)試驗(yàn)件和對(duì)比件退火后,厚大部位進(jìn)行了超探可探性對(duì)比探傷檢驗(yàn)。從探傷檢驗(yàn)情況看,加鈦微合金化合金的試驗(yàn)件立柱(500 mm)和端頭冒口部位(600 mm)退火后晶粒細(xì)化,可探性基本能滿足要求; 未加鈦的對(duì)比件,退火后組織較粗,達(dá)不到可探性要求。試驗(yàn)件厚大部位超聲可探性檢查對(duì)比情況見圖2.

        2.6 大型鑄鋼材質(zhì)鈦微合金化熱處理工藝試驗(yàn)

        為了確定厚大鑄件材質(zhì)鈦微合金化后適合的熱處理工藝,對(duì)材質(zhì)為ZG270-500Ti實(shí)驗(yàn)件的l50mm×l50 mm×250 mm附鑄試塊,選擇不同正火溫度+580℃回火進(jìn)行熱處理試驗(yàn)及分析,試驗(yàn)數(shù)據(jù)見表6,數(shù)據(jù)分析見圖3.

        從試驗(yàn)結(jié)果看,860℃~940℃范圍內(nèi),隨著正火溫度的提高,力學(xué)性能(Rm、Rp0.2、A、Kv2)呈先提高后降低的趨勢(shì),正火溫度900℃時(shí),各項(xiàng)性能最高,相比較不加Ti的材質(zhì),正火溫度提高l0℃~20℃.

        圖2 試驗(yàn)件厚大部位超聲可探性檢查對(duì)比情況

        圖3 不同正火溫度對(duì)拉力性能影響

        分析其原因?yàn)椋捍笮丸T鋼件材質(zhì)鈦微合金化后,由于高熔點(diǎn)的TiC等碳化物的形成,細(xì)化了鑄態(tài)基體的組織,起到鑄件晶粒細(xì)化作用,可提高材質(zhì)的鑄態(tài)基體性能。正火處理時(shí),采用適當(dāng)高的溫度正火時(shí),高熔點(diǎn)的TiC等碳化物,分散細(xì)化,在冷卻過程中進(jìn)一步起到彌散強(qiáng)化的作用,表現(xiàn)為力學(xué)性能提高。但進(jìn)一步提高正火溫度,部分高熔點(diǎn)TiC等碳化物會(huì)出現(xiàn)部分溶解,同時(shí)由于正火溫度高,材質(zhì)會(huì)出現(xiàn)奧氏體晶粒長(zhǎng)大的傾向,表現(xiàn)在力學(xué)性能出現(xiàn)降低的趨勢(shì)。試驗(yàn)確定ZG270-500Ti材質(zhì)鈦微合金化后,正火溫度選擇900℃較為適合。

        3 分析與討論

        對(duì)厚大鑄鋼件材質(zhì)鈦微合金化的力學(xué)性能、顯微組織、晶粒度進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)分析。試驗(yàn)證明鈦微合金化的預(yù)細(xì)化鑄件鑄態(tài)組織的晶粒作用比較顯著。Ti與C、N、O的化學(xué)親合力非常強(qiáng),在鋼中加入微量Ti,極易形成TiC、TiN、TiO2等化合物,TiC及TiN有較高的熔點(diǎn)和穩(wěn)定性,在鑄件凝固過程中,形成結(jié)晶質(zhì)點(diǎn),起到細(xì)化鑄造組織晶粒作用。在鈦微含量適合范圍,第一通過細(xì)化晶粒作用,可提高基體組織的均勻性,并適當(dāng)提高材質(zhì)的力學(xué)性能;第二通過脫氧固氮,降低鋼水氣體含量,起到凈化鋼水的作用,改善大型鑄鋼件的質(zhì)量。

        表6 不同性能熱處理正火工藝試驗(yàn)數(shù)據(jù)

        圖4 不同正火溫度對(duì)伸長(zhǎng)率和沖擊能影響

        大型鑄鋼件材質(zhì)鈦微合金化后,由于化學(xué)活性元素Ti的加入,可提高ACl及AC3的溫度,降低材質(zhì)的過熱敏感性,材質(zhì)鈦微合金化后正火溫度要適當(dāng)提高。同時(shí)采用適當(dāng)高的溫度正火時(shí),還能起到彌散強(qiáng)化的作用,提高材質(zhì)的力學(xué)性能。

        通過生產(chǎn)試驗(yàn)證明,碳鋼及碳錳鋼材質(zhì)大型鑄鋼件,鈦微合金化的Ti的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.005%~0.0l2%.Ti的質(zhì)量分?jǐn)?shù)高于0.0l2%以上時(shí)由于鈦強(qiáng)烈的碳化物作用,易形成碳化物,在鑄件的薄壁部位易形成組織不均勻問題;Ti質(zhì)量分?jǐn)?shù)低于0.005%時(shí),細(xì)化晶粒的效果較差。部分鈦微合金化生產(chǎn)試驗(yàn)數(shù)據(jù)見表7.

        4 生產(chǎn)應(yīng)用

        通過碳鋼及碳錳鋼材質(zhì)鈦微合金化試驗(yàn),證明材質(zhì)鈦微合金化細(xì)化晶粒作用比較顯著,經(jīng)過一次正火和回火處理基本能滿足大型鑄鋼件的可探傷要求,提高鑄件的內(nèi)部質(zhì)量,并提高鑄件的性能。

        表7 鈦微合金化生產(chǎn)試驗(yàn)數(shù)據(jù)

        為此制定鈦微合金材質(zhì)在大型鑄鋼件中的應(yīng)用規(guī)程,進(jìn)行生產(chǎn)應(yīng)用。目前已在88 t機(jī)架、l25 t牌坊、l75 t機(jī)架、大型軸承座、大型工作臺(tái)、大型橋梁鞍體鑄件、464 t大型壓機(jī)前梁、405 t大型壓機(jī)后梁鑄件等數(shù)千噸大型鑄鋼件上進(jìn)行了生產(chǎn)應(yīng)用,提高了厚大鑄鋼件的性能及內(nèi)部質(zhì)量,基本達(dá)到一次正回火滿足鑄件探傷和性能要求。減少了重復(fù)熱處理次數(shù),釋放了熱處理設(shè)備的生產(chǎn)能力,生產(chǎn)應(yīng)用具有較大的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益。

        5 結(jié)論

        l)試驗(yàn)證明,大型鑄鋼件材質(zhì)鈦微合金化,可細(xì)化鑄件厚大熱節(jié)處鑄態(tài)晶粒組織,提高其熱處理效果,達(dá)到改善厚大鑄鋼件內(nèi)部質(zhì)量,減少正回火熱處理次數(shù)及費(fèi)用的效果;

        2)試驗(yàn)確定大型鑄鋼件碳鋼及碳錳鋼材質(zhì)鈦微合金化鈦質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.005%~0.0l2%;

        3)通過不同正火工藝的力學(xué)性能試驗(yàn)結(jié)果,考慮鑄件的綜合機(jī)械性能,對(duì)鈦微合金化材質(zhì)熱處理正火溫度進(jìn)行了適當(dāng)提高,試驗(yàn)確定了ZG270-500材質(zhì)鈦微合金化后優(yōu)化正火溫度為900℃.

        [l]中國機(jī)械工程學(xué)會(huì)鑄造分會(huì)編.鑄造手冊(cè):第2卷:鑄鋼[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2002.

        [2]耿浩然,章希勝,陳俊華.鑄鋼[M].北京:化學(xué)工業(yè)出版社,2007.

        [3]李建華,吳開明,邱金鰲.Ti微合金化對(duì)3.5Ni鋼低溫韌性的影響[J].武漢科技大學(xué)學(xué)報(bào),20l2(3):l69-l73.

        [4]劉昌明,吳立新,鄭華.Ti-Nb復(fù)合高強(qiáng)鋼強(qiáng)化機(jī)理的研究[J].鋼鐵研究,20l0(6):22-24.

        [5]吳海平.釩鈦微合金化對(duì)鑄態(tài)中錳鋼組織和性能的影響[J].鑄造設(shè)備與工藝,20ll(06):l2-l3.

        Study and Application of Titanium Micro-alloying Process for Large Steel Casting

        WEI Xin-hong,YAO Guo-ping
        (Taiyuan Heavy Industry CO.,LTD.,Taiyuan Shangxi 030024,China)

        Aiming at the coarse grain problem occured in the poduction of large steel casting,this paper researched the titanium micro-alloying process of steel casting,contrasted and analyzed the mechanical properties,metallographic structures,grain size,detectability,etc.The results proved that the titanium micro-alloying process had the remarkable effect of grain refinement,and the process of one-time normalizing and tempering can basically met the inspection requirements for large steel castings.The internal quaulity of casting was enchanced,and the properties of castingwere improved.

        large steel castings,titanium micro-alloying,grain refinement.

        TGl42,TGl56

        A

        l674-6694(20l7)05-004l-03

        20l7-07-l5

        衛(wèi)心宏(l963-),男,高級(jí)工程師,主要從事鑄鋼件材質(zhì)及工藝研究。

        l0.l6666/j.cnki.issnl004-6l78.20l7.05.0l0

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