郭建明,夏建忠
(杭州汽轮铸锻有限公司,浙江 杭州 310000)
我公司为马钢重机提供钳口夹头(如图1)、延伸臂、左钳臂和右钳臂等6种马氏体不锈钢铸件,用于8000t油压机配套的100t全液压轨道操作机上,该操作机是集高科技、高技术于一体的尖端设备,由德国DDS公司设计,铸件材质为GX4CrNi13-4+QTⅡ,属低碳高强度马氏体不锈钢,化学成分与力学性能见表1。该钢种具有良好的淬透性、优良的力学性能、腐蚀疲劳强度和动静态断裂韧性,但在生产中存在以下难点:马氏体不锈钢有强烈的冷裂倾向,焊缝及热影响区焊后均为硬而脆的马氏体组织,钢中含碳量越高,冷裂倾向越大;浇注温度高,易产生表面粘砂;不锈钢收缩性大,极易产生缩松、裂纹和晶粒粗大等缺陷,热处理要求高,质量要求高。探伤等级为:超声波探伤符合EN12680-T1,质量等级V2级,磁粉探伤符合EN1369,质量等级S2,着色探伤符合EN1371,质量等级S2。 热处理状态 (QT2):1000℃~1050℃正火,500℃~530℃回火。铸件相关参数见表2。
表1 G-X4CrNi13-4+QTⅡ的化学成分和力学性能(质量分数,%)
表2 铸件相关参数
1)造型:根据马氏体不锈钢铸造的特点,采用了脂硬化水玻璃砂造型工艺、上锆英粉醇涂料,可以有效地防止铸件表面的增碳和表面显微裂纹的产生。
2)浇冒口系统:设计开放式浇注系统,冒口采用发热保温冒口,浇注时在冒口顶部添加发热保温剂,并覆盖保温板保温,加强冒口的补缩。
3)配料:采用中频炉,炉料必须选用低碳、低硫、低磷的炉料,铬铁采用微碳铬铁,从原料上保证生产出优质的钢水;采用电弧炉熔炼时,也应尽可能降低含硫量,要求将钢水成品的含硫量控制在0.015%以下,含磷量控制在 0.020%以下。
4)浇注:出钢温度控制在1650℃以上,浇注温度控制在1620℃左右;
5)开箱清理:根据该种材质的特点,选用保温时间为14 d,开箱时铸件温度控制在100℃以下;
6)冒口切割:工件高温退火后随炉冷却至325±25(℃)出炉割冒口,割冒口时其它部位应用保温板覆盖,防止铸件过快冷却导致裂纹产生,冒口割除后立即进炉随炉冷却至100℃以下。
由于这类钢含铬量较高,过冷奥氏体较稳定。所以这类钢的淬透性比较高,在空冷情况下可获得马氏体组织,为了保证获得较好的力学性能,采用正火加回火的热处理工艺,为了防止在加热过程中因应力产生裂纹,要求严格控制升温速度,为了能确保完全得到马氏体组织,在正火处理时出炉后采用风冷的方法让工件尽快冷却到300℃,然后再缓冷,正火、回火如图2。
马氏体不锈钢能在退火、硬化和硬化与回火的状态下焊接,无论钢材的原先状态如何,经过焊接后都会在邻近焊道处产生硬化的马氏体区,热影响区的硬度主要是取决于母材金属的碳含量,当硬度增加时,则韧性减少,且此区域较易产生龟裂,因此需对工件进行焊前预热和焊后热处理。
1)缺陷清除
缺陷必须采用碳刨、机械加工或打磨的方法去除,若采用碳刨,则必须将工件整体预热至300℃以上方能进行,否则极易产生裂纹,碳刨后必须采用打磨的方法去除碳刨层。
2)缺陷确认
缺陷清除后必须对缺陷位置进行MT或PT确认,缺陷完全清除后方可进入焊补工序;
3)焊前预热
焊前预热是防止产生冷裂纹的主要工艺措施。因此须工件整体预热至300℃以上;
4)焊补
焊补时须保持工件温度在150℃以上,层间温度控制在250℃~300℃,非焊补区域用石棉包裹保持工件温度,及时清理焊渣并锤击,减少焊接应力;
5)焊接材料
采用低氢型药皮马氏体不锈钢焊条(0Cr13Ni4MoRe)(ER410NiMo-15), 焊前须对焊条进行干燥预热,焊条成分见表3。
6)焊接方法
表3 焊条成分(质量分数,%)
手工电弧焊,焊接电流为180A~220A,直流反接。
7)焊后冷却
工件焊后不应从焊接温度直接升温进行回火处理,因为焊接过程中奥氏体可能未完全转变,如焊后立即升温回火,会出现碳化物沿奥氏体晶界沉淀和奥氏体向珠光体转变,产生晶粒粗大的组织,严重降低韧性。因此回火前应使工件先缓慢冷却,让焊缝和热影响区的奥氏体基本分解完。对于刚性小的焊件,可以冷至室温再回火;对于大厚度的焊件,需采用较复杂的工艺;焊后冷至100℃~150℃,保温0.5 h~1 h,然后加热至回火温度(大缺陷采用回火处理,小缺陷采用除应力处理,除应力温度为比回火温度低20℃)。
8)焊后热处理
焊后热处理目的是降低焊缝和热影响区的硬度,改善塑性和韧性,同时减少焊接残余应力,保证组织均匀,减少裂纹倾向。焊后热处理宜采用低温回火,回火温度为500℃~530℃,保温若干小时后出炉空冷。
9)焊后探伤检验
缺陷采用上述工艺焊补后经UT和MT探伤,焊补处未发现任何超标缺陷。
综上所述:G-X4CrNi13-4+QTⅡ低碳高强度马氏体不锈钢铸件在生产中必须十分注意操作的细节,控制好相应的技术参数,才能使铸件符合相关技术条件要求,我们生产的铸件在马钢重机的8000t锻压机配套的100t全液压轨道操作机中正常使用,取得了良好的经济效益和社会效益。
[1]中国机械工程学会铸造分会.铸造手册编[M].北京:机械工业出版社,2006.
[2]刘政军.不锈钢焊接及质量控制[M].北京:化学出版社,2008.
[3]铸造工程师手册编写组.铸造工程师手册机[M].北京:械工业出版社,2007.
[4]李传.铸钢及其熔炼[M].北京:中国水利水电出版社,2007.
[5]孙霞.铸造低碳马氏体不锈钢的现状与发展趋势 [J].铸造,2007,56(1):1-5.
[6]樊东黎 徐跃明 佟晓辉.热处理技术数据手册[M].北京:机械工业出版社,2006.