6高鎳奧氏體球墨鑄鐵綜述

1、高鎳奧氏體球墨鑄鐵綜述趙新武 張居卿（西峽縣內(nèi)燃機(jī)進(jìn)排氣管有限責(zé)任公司 河南 西峽 474500）摘要：本文對高鎳奧氏體球墨鑄鐵的化學(xué)成分、金相組織、力學(xué)性能、熱處理、使用要求及其工藝控制要點(diǎn)進(jìn)行了綜述。打破了傳統(tǒng)的“充滿度”理論，利用較高的“碳當(dāng)量”，獲得了理想的效果。關(guān)鍵詞：充滿度 碳當(dāng)量 熱處理 高鎳奧氏體球墨鑄鐵因其具備優(yōu)異的抗熱沖擊性、抗熱蠕變性、耐蝕性、高溫抗氧化性以及低的熱膨脹性和低溫沖擊韌性，在國內(nèi)外被廣泛用于制造海水泵、閥、增壓器殼體、排氣管、氣門座等耐熱、耐蝕的零部件產(chǎn)品。奧氏體球墨鑄鐵具有原子緊密堆積的面心立方晶格結(jié)構(gòu)，在常溫下具有穩(wěn)定的奧氏體組織，具有比普通球墨鑄鐵和硅

2、鉬球墨鑄鐵都高的熱化學(xué)穩(wěn)定性。應(yīng)用前景十分廣闊。 此處所說的高鎳奧氏體球墨鑄鐵是指含鎳量大于12%，在鑄態(tài)下獲得奧氏體基體，石墨呈球狀的鑄鐵。是球墨鑄鐵的特殊品種。在“鑄造技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)手冊”（2004年5月版）中把高鎳奧氏體球墨鑄鐵列為耐蝕鑄鐵。高鎳奧氏體球墨鑄鐵在750左右仍有良好的抗氧化能力和令人滿意的力學(xué)性能，特別重要的是，由于其基體組織為奧氏體，在臨界溫度附近沒有相變，因而不易因驟冷驟熱而產(chǎn)生變形或裂紋。某些牌號的高鎳奧氏體球墨鑄鐵在很低的溫度下仍具有良好的伸長率和抗拉強(qiáng)度。例如QTANi23Mn4在-196抗拉強(qiáng)度620MPa，伸長率27%。高鎳奧氏體球墨鑄鐵有各種不同的牌號，本文側(cè)重于

3、QTANi35Si5Cr2的某些特點(diǎn)綜述一些共性的東西，讀者可依據(jù)不同的牌號、鑄件和不同的工況條件作為參考。1 化學(xué)成分奧氏體鑄鐵牌號符合GB/T 5612的規(guī)定,依據(jù)GB/T56648分為12個(gè)牌號，分別見表1、表2。表1 奧氏體鑄鐵化學(xué)成分（一般工程用牌號）材料牌號化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)%）CSiMnCuNiCrPSHTANi15Cu6Cr23.0 1.02.80.51.55.57.513.517.51.03.50.250.12QTANi20Cr23.0 1.53.0 0.51.50.518.022.0 1.03.50.050.03QTANi20Cr2Nba3.01.52.40.51.50.5

4、18.022.01.03.50.050.03QTANi223.01.53.01.52.5 0.521.024.00.500.050.03QTANi23Mn42.61.52.54.04.50.522.024.00.20.050.03QTANi352.41.53.00.51.50.534.036.00.20.050.03QTANi35Si5Cr22.34.06.00.51.50.534.036.0 1.52.50.050.03a 當(dāng)Nb% 0.3530.032(Si%+64×Mg%)時(shí),該材料具有良好的焊接性能。Nb的正常范圍是0.12%-0.20%。a) 對于一些牌號，添加一定量的Mo

5、可以提高高溫下的力學(xué)性能（見附錄A）。表2 奧氏體鑄鐵化學(xué)成分（特殊用途牌號）材料牌號化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)%）CSiMnCuNiCrPSHTANi13Mn73.01.53.06.07.00.512.014.00.20.250.12QTANi13Mn73.02.03.06.07.00.512.014.00.20.050.03QTANi30Cr32.61.53.00.51.50.528.032.02.53.50.050.03QTANi30Si5Cr5 2.65.06.00.51.50.528.032.04.55.50.050.03QTANi35Cr32.41.53.01.52.50.534.036.

6、02.03.00.050.03b) 對于一些牌號，添加一定量的Mo可以提高高溫下的力學(xué)性能（見附錄A）。注: QTANi35Si5Cr2牌：ASTM A439-83 C2.3. DIN1694-1981 C2.0。 ISO 2892：2007 C2.0。意大利標(biāo)準(zhǔn) C2.4。QTANi35Si5Cr2為依據(jù)ISO 2892：2007編制的國家標(biāo)準(zhǔn)牌號（未發(fā)布）。1.1 充滿度理論傳統(tǒng)的充滿度理論認(rèn)為：高鎳奧氏體球鐵中的碳、硅、鎳含量必須滿足飽和度公式：A TC%0.2Si%0.06Ni%。 式中A稱為飽和度，當(dāng)鐵液中的碳、硅、鎳大于某一極限值(飽和度A)時(shí)則石墨形態(tài)就呈碎塊狀分布；奧氏體枝晶發(fā)

7、達(dá)，鐵液流動(dòng)性差，補(bǔ)縮困難，極易產(chǎn)生縮松、縮孔缺陷。有資料介紹A不能大于4.4。這一理論禁區(qū)能不能突破？我們經(jīng)過大量的試驗(yàn)，打破了充滿度理論的禁區(qū)（見表3）。生產(chǎn)中實(shí)測化學(xué)成分 表3化學(xué)成分試驗(yàn)次數(shù)C%Si%Mn%Ni%Cr%Cu%P%S%飽和度碳當(dāng)量T112.154.201.1034.201.650.350.0320.0185.04 4.35 118322.204.350.9034.671.720.260.0390.0165.15 4.44117432.084.051.0634.351.690.320.0320.0144.95 4.27119242.174.261.1734.691.820.

8、440.0290.0115.10 4.39 1179 52.284.501.2035.532.010.320.0410.0095.31 4.62 1156 62.254.670.6535.281.960.290.0340.0175.30 4.491170 72.204.780.8335.691.780.360.0280.0125.304.521167 82.244.511.0735.451.580.470.0270.0155.274.51 11671.2 碳當(dāng)量按照公式 CE=C%+0.33(Si%)+0.047(Ni%)-0.0055(Si%)(Ni%)。CE計(jì)算結(jié)果見表2。 按照公式1 T

9、1的計(jì)算結(jié)果見表2。從計(jì)算結(jié)果可以看出，14次試驗(yàn)飽和度在4.955.15范圍內(nèi)波動(dòng)，CE在4.35 4.44范圍內(nèi)波動(dòng)。T1在11741192范圍內(nèi)波動(dòng)。58次試驗(yàn)飽和度在5.275.31范圍內(nèi)波動(dòng),CE在4.494.62范圍內(nèi)波動(dòng)。T1在11561170范圍內(nèi)波動(dòng)。在保證化學(xué)成分的前提下飽和度相差0.36，CE量相差0.27，溫度相差36度。當(dāng)然T1是推算結(jié)果。在實(shí)際生產(chǎn)中由于采用了較高的碳當(dāng)量，鐵液的流動(dòng)性提高了，并且熔煉溫度從最初的1680下調(diào)到1620。在生產(chǎn)渦輪殼產(chǎn)品時(shí)甚至出爐溫度在1575，澆注溫度低于1500，殘留鎂量0.09%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）的情況下，同樣生產(chǎn)出了金相組織和力學(xué)性

10、能合格的鑄件。 1.3 關(guān)于飽和度的驗(yàn)證階梯形試塊見圖1。 圖1 階梯狀試塊為了驗(yàn)證在不同厚度、不同飽和度、不同碳當(dāng)量、不同溫度下的球化效果和力學(xué)性能，我們制作了階梯形試塊。試驗(yàn)在生產(chǎn)高鎳產(chǎn)品時(shí)進(jìn)行。試塊厚度6mm、12mm、24mm、36mm。試塊的球化處理工藝與產(chǎn)品相同（原鐵液碳高，硅低。包底用75硅鐵覆蓋，硅鍶孕育劑二次孕育）。出爐溫度1620，包頭澆注溫度1530，包尾澆注溫度1460。飽和度5.19。碳當(dāng)量4.46。推算出液相線溫度T11172。包頭、包尾各澆一箱。隨流孕育。冷卻后分別對6mm、12mm、24mm、36mm的部位解剖后檢測球化率。任取5個(gè)視場取其平均值。見表3。 不同

11、壁厚的球化率 表 3壁厚6mm12mm24mm36mm包頭（球化率）93 87 85 85包尾（球化率） 91 89 88 832 金相組織2.1 不同壁厚下的球化率從表3 包頭、包尾的球化率來看，隨著試塊厚度的增加，球化率有所下降，從圖2的圖片可以看到36mm處已有團(tuán)絮狀石墨出現(xiàn)。但筆者認(rèn)為這不是充滿度過高造成的。這種現(xiàn)象符合球墨鑄鐵的凝固規(guī)律。球化處理一旦結(jié)束，球化衰退已經(jīng)開始了，隨著時(shí)間的推移非球狀石墨會(huì)越來越多。從表中可以看出球化率隨著厚度的增加而逐漸下降。也可以說當(dāng)殘留鎂量相同時(shí)，越厚的地方，凝固時(shí)間越長；球化率就越低。由于包頭的殘留鎂量高，澆注溫度也高，凝固緩慢。包尾的殘留鎂量低，

12、澆注溫度也低，凝固較塊。使得包頭包尾的球化率在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)都在要求的范圍。以上分析可以這樣認(rèn)為，殘留鎂量、澆注溫度、凝固時(shí)間、球化率都建立了一一對應(yīng)的關(guān)系。 包頭 6mm壁厚 球化率94% 包頭 36mm壁厚 球化率84% 包尾 6mm壁厚 球化率92% 包尾 36mm壁厚 球化率82%圖2 同一包鐵水澆鑄的試塊2.2 不同標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的球化率薄壁處(4mm)衰退石墨和脫碳層厚壁處石墨形態(tài) 圖3 國外某公司的奧氏體球墨鑄鐵金相圖3是某國外的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定合格的金相組織，從圖片中明顯的可以看出厚壁處的碎塊狀石墨，4mm厚的管壁距表層0.3mm處的衰退石墨和脫碳層。圖4 西排公司生產(chǎn)的奧氏體球墨鑄鐵金相依據(jù)

13、我們的生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)在制定奧氏體鑄鐵件的國家標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定，奧氏體鑄鐵件的球化率4級。并把ISO標(biāo)準(zhǔn)中碳2.0%修改為2.3%就是基于我們對“充滿度”和“碳當(dāng)量”的認(rèn)識。2.3 國標(biāo)規(guī)定的金相組織奧氏體球墨鑄鐵的金相組織：奧氏體+少量晶界碳化物+球狀石墨。球化級別不低于4級,石墨大小57級。如有特殊要求，球化級別由供需雙方商定。在國外的諸多標(biāo)準(zhǔn)中僅對化學(xué)成分和力學(xué)性能作了明確的規(guī)定，但未對奧氏體球墨鑄鐵的金相組織作出具體的規(guī)定。3 力學(xué)性能力學(xué)性能見表4表4奧氏體鑄鐵的力學(xué)性能（一般工程用牌號）材料牌號抗拉強(qiáng)度Rm，MPa屈服強(qiáng)度Rp0.2， MPa伸長率A，% 沖擊功（V型缺口）J布氏硬度HBWHTA

14、Ni15Cu6Cr2170120215QTANi20Cr2370210713a140255QTANi20Cr2Nb370210713a140200 QTANi223701702020130170QTANi23Mn44402102524150180QTANi3537021020130180QTANi35Si5Cr237020010130170a 非強(qiáng)制要求。表4 奧氏體鑄鐵的力學(xué)性能（特殊用途牌號）材料牌號抗拉強(qiáng)度Rm，MPa屈服強(qiáng)度Rp0.2， MPa伸長率A，% 沖擊功（V型缺口）J布氏硬度HBWHTANi13Mn7140120150QTANi13Mn73902101516120150QTA

15、Ni30Cr33702107140200QTANi30Si5Cr5 390240170250QTANi35Cr3 3702107140190 從表4可以看出，奧氏體球墨鑄鐵的抗拉強(qiáng)度較低，它適合于耐熱、耐蝕、對磁性有要求的場合，適合于做結(jié)構(gòu)件，而不適合于做較強(qiáng)的承載件。需要指出的是，通過高溫退火快速冷卻，可使基體組織得到固溶強(qiáng)化，力學(xué)性能仍有提升的空間。4 熔煉工藝 高鎳奧氏體鑄件的鎳含量在12 36%，基體組織為奧氏體。耐熱、耐蝕性能類似于奧氏體不銹鋼。鑄造性能則類似于普通球墨鑄鐵。屬于糊狀凝固，縮松傾向大。4.1 熔煉熔煉大都采用無芯中頻電爐。爐料一般由低硫生鐵、無銹廢鋼、鎳、高碳鉻鐵、7

16、5硅鐵、高碳錳鐵和回爐料構(gòu)成。爐料中要特別注意微量元素的影響。應(yīng)特別注意避免混入鉛和鋁。原鐵水中含0.003%的鉛，顯微組織中就可能出現(xiàn)魏氏石墨，使力學(xué)性能明顯降低。鋁則可能使鑄件中出現(xiàn)針孔缺陷。爐料一定要干凈純潔，避免有害元素的混入。例如Pb、Ti、As等。使用南非的高純生鐵，質(zhì)量一直很穩(wěn)定，我們曾試圖使用國產(chǎn)的Q10生鐵，在冒口處發(fā)現(xiàn)有片狀石墨。后在使用南非生鐵生產(chǎn)時(shí)也發(fā)現(xiàn)有片狀石墨。見圖9。經(jīng)過分析認(rèn)為電爐熔煉蠕鐵材質(zhì)后接著熔煉高鎳材質(zhì)，混入了微量元素（如Ti），高鎳材質(zhì)不含稀土元素，無法抵消微量有害元素的影響，估計(jì)微量有害元素的干擾是產(chǎn)生片狀石墨的原因。后把熔煉順序改為生產(chǎn)普通球鐵后再

17、生產(chǎn)高鎳球墨鑄鐵，并加強(qiáng)爐料的管理。這一現(xiàn)象得到了消除。增碳劑一定用速溶增碳劑在低溫加入。鎳有極強(qiáng)的吸氣性，為防止鐵液吸氣，鎳板在熔煉后期加入，鐵液要覆蓋熔煉。鉻鐵等合金最好在光譜測量原鐵水成分后調(diào)整成分時(shí)加入。 Q10生鐵 球化率86%(有片墨) 南非生鐵 球化率90%(有片墨)圖9 不同生鐵均有片狀石墨奧氏體球墨鑄鐵熔煉過程中吸氣傾向大于一般球墨鑄鐵，爐料中回爐料多時(shí)吸氣傾向更大，因此，有銹、有油污或潮濕的爐料只能投入沒有鐵液的熱爐中，不可在有鐵液時(shí)投入。此外，應(yīng)特別注意不能使用帶紅色鐵銹的爐料，因其中含氫氧化鐵，其穩(wěn)定性很強(qiáng)，在320以下不易分解，氫不易形成水分析出而蒸發(fā)。爐料中的磷含量

18、必須在0.05%以下，含磷量高，就可能在晶界上析出磷共晶，從而造成晶界腐蝕，導(dǎo)致鑄件滲漏、破裂。石墨熔入鎳含量高的鐵液比較緩慢，因而不宜用石墨處理。為使生鐵錠和回爐料中的石墨能充分溶于鐵液中，這兩種爐料應(yīng)放在首批料中，早期裝爐。如在后期外加這類含石墨的爐料，則加入后至少應(yīng)在過熱條件保溫10分鐘。 熔煉過程中，應(yīng)避免太高的過熱溫度和過長的保溫時(shí)間，回爐料也不宜多次反復(fù)使用，這些因素都會(huì)導(dǎo)致鑄鐵的過冷度增大，使組織中碳化物含量增多。如果生產(chǎn)中鑄件產(chǎn)生氣孔的問題嚴(yán)重，應(yīng)考慮采用吹氬除氣工藝。4.2 球化處理奧氏體球墨鑄鐵應(yīng)采用不含稀士的球化劑。在相同的條件下進(jìn)行球化處理，奧氏體球墨鑄鐵中鎂的收得率可

19、能比一般球墨鑄鐵高20%30%，而且在此后轉(zhuǎn)運(yùn)和澆注過程中鎂的衰減也較慢。為改善組織中的石墨形態(tài)并提高拉伸試驗(yàn)時(shí)試樣的伸長率，奧氏體球墨鑄鐵中的殘留鎂量應(yīng)略高于一般球墨鑄鐵，有時(shí)可高達(dá)0.10%。當(dāng)然，殘留鎂量高于0.06%時(shí)，鑄件中易于出現(xiàn)渣孔。如果采用較低的澆注溫度，而且孕育處理得當(dāng)，也可以在殘留鎂較低（0.04%0.05%）的情況下得到良好的石墨組織。4.3 孕育處理奧氏體球墨鑄鐵孕育處理后，孕育效果的衰退比一般球墨鑄鐵快。因此，應(yīng)注意做好孕育處理并安排好孕育后的轉(zhuǎn)運(yùn)和澆注作業(yè)。特別是含鉻的奧氏體球墨鑄鐵，孕育不好，鑄件很容易產(chǎn)生縮孔、縮松缺陷，而且加工性能也會(huì)惡化。為得到良好的孕育效果

20、，要注意以下幾點(diǎn)：在熔煉的后期加入鉻鐵；最后加入錳鐵和硅鐵；爐前孕育處理用75%的硅鐵細(xì)粒，加入的硅量約為0.5%；澆注時(shí)用硅鍶孕育劑進(jìn)行隨流孕育，加入量為0.2%左右，孕育劑的粒度為2040目，切忌用200目以下的細(xì)粉。4.4澆注鐵液中加入大量的鎳，會(huì)使液相線溫度提高。因此，奧氏體球墨鑄鐵的澆注溫度要比一般球墨鑄鐵高。要留意殘留鎂量、澆注溫度和澆注速率三者之間的關(guān)系。殘留鎂量高時(shí)，宜采用較高的澆注溫度和較高的澆注速率。如殘留鎂量較高而澆注溫度較低，則鑄件中易形成浮渣缺陷。以提高澆注溫度來防止浮渣缺陷，可能導(dǎo)致收縮缺陷。5 鑄件冒口的設(shè)置奧氏體球墨鑄鐵中的鎳含量高，會(huì)使碳在奧氏體中的固溶度降低

21、。因此，雖然奧氏體球墨鑄鐵中的碳含量較低，但在凝固過程中析出的石墨量與一般球墨鑄鐵凝固過程中析出的石墨量卻相差不多?；谏鲜鲈颍缓t的奧氏體球墨鑄鐵件，凝固收縮的特點(diǎn)與一般球墨鑄鐵件相似，鑄件澆注系統(tǒng)和冒口的配置也可以大致相同。含鉻量高的奧氏體球墨鑄鐵，凝固末期，鉻與碳會(huì)形成晶間碳化物，使后期凝固收縮量增大，因而鑄件凝固收縮的特點(diǎn)與鑄鋼件相似，要比照鑄鋼件設(shè)置冒口。冒口應(yīng)置于鑄件的熱節(jié)部位，可用側(cè)冒口或頂冒口。所有的冒口最好都是明冒口。冒口高度與直徑之比宜為1.5:1。冒口的有效補(bǔ)縮范圍是冒口直徑的67倍。因此，宜采用直徑大的冒口，并使冒口與冒口之間保持足夠大的距離。適當(dāng)?shù)夭捎美滂F也是防止

22、收縮缺陷的重要手段。高鎳奧氏體球墨鑄鐵同樣可采用高碳低硅大孕育量的方法，通過石墨化達(dá)到自補(bǔ)縮效果。6 熱處理奧氏體球墨鑄鐵的基體組織是奧氏體，試圖通過熱處理的方法改變力學(xué)性能的方法有一定的效果。加熱到9301100保溫后水淬或油淬可使強(qiáng)度有所提高，其原因是快速冷卻使固溶于奧氏體中的碳來不及析出。在國家標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定一般鑄件都以鑄態(tài)使用，不經(jīng)熱處理。但是按照ISO2892：2007和ASTM A439-83熱處理的工藝會(huì)得到兩個(gè)截然不同的結(jié)果。并通過試驗(yàn)驗(yàn)證修改了ISO2892：2007的高溫退火緩冷工藝。6.1 ISO2892：2007高溫退火工藝以150K/h的速率加熱至875900；保溫2小時(shí)

23、，鑄件厚度每增加25mm，保溫時(shí)間增加一小時(shí)。隨爐以50K/h的速率降溫至540出爐空冷。如圖5。圖6是退火后緩冷至540出爐空冷的金相圖片。 870 4h50K/h540空冷空冷150K/h、？、？h圖5 ISO2892：2007高溫退火工藝（QTANi35Cr3） 圖6 870退火后緩冷的的金相（QTANi35Cr3） 石墨X 200表5 原熱處理工藝的力學(xué)性能狀態(tài)屈服強(qiáng)度（MPa）抗拉強(qiáng)度（MPa）延伸率（%）硬度（HB）鑄態(tài) 2603906178鑄態(tài)2554058174退火 2603404165退火2303453162退火后的力學(xué)性能不符合要求,抗拉強(qiáng)度345MPa,屈服強(qiáng)度230MP

24、a，延伸率3%。分析原因：碳在奧氏體中的溶解度隨著溫度的升高而增大，在隨爐緩慢冷卻過程中，碳以鉻的復(fù)合碳化物形態(tài)從奧氏體中析出并分布在晶界。這是伸長率下降的根本原因。見表5。6.2 ASTM A439-83熱處理的工藝依據(jù)以上的分析，我們參照ASTM A439-83熱處理的工藝970±10保溫4h后空冷。鑄件經(jīng)過熱處理后碳化物完全變成了珠粒狀，并呈彌散狀分布于晶界兩邊。見圖8。伸長率和力學(xué)性能大幅度提高。見表5。但伸長率相差較大。是什么原因呢？經(jīng)分析認(rèn)為，按照客戶標(biāo)準(zhǔn)要求，試棒采用單鑄試塊,我們在單鑄試塊力學(xué)性能合格的基礎(chǔ)上又對鑄件本體取樣。值得注意的是D5B材質(zhì)由于它的凝固特性極易產(chǎn)生顯微縮松, 顯微縮松對試棒的伸長率是有影響的.我們分別把鑄件法蘭盤的上(上箱)下(下箱)左右制成四個(gè)試棒, 鑄件法蘭盤的上箱中部放有補(bǔ)縮冒口,試棒的有效部位就在冒口徑的中部.此處冷卻緩慢,晶粒較粗,枝晶發(fā)達(dá)，并存在顯微縮松,導(dǎo)致伸長率較低. 下箱和左右試棒不存在顯微縮松,延伸率明顯高。970 ±104h540空冷空冷h圖7 ASTM A439-83熱處理的工藝（QTANi35Cr3）圖8 改進(jìn)熱處理后的金相組織（QTANi35Cr3） 石墨X 200表5改進(jìn)熱處理后的力學(xué)性能狀態(tài)屈服強(qiáng)度（MPa）抗拉強(qiáng)度（MPa