高強度馬氏體不銹鋼鑄件的鑄造

郭建明，夏建忠

（杭州汽輪鑄鍛有限公司，浙江 杭州 310000）

我公司為馬鋼重機提供鉗口夾頭（如圖1）、延伸臂、左鉗臂和右鉗臂等6種馬氏體不銹鋼鑄件，用于8000t油壓機配套的100t全液壓軌道操作機上，該操作機是集高科技、高技術于一體的尖端設備，由德國DDS公司設計，鑄件材質為GX4CrNi13-4+QTⅡ，屬低碳高強度馬氏體不銹鋼，化學成分與力學性能見表1。該鋼種具有良好的淬透性、優良的力學性能、腐蝕疲勞強度和動靜態斷裂韌性，但在生產中存在以下難點：馬氏體不銹鋼有強烈的冷裂傾向，焊縫及熱影響區焊后均為硬而脆的馬氏體組織，鋼中含碳量越高，冷裂傾向越大；澆注溫度高，易產生表面粘砂；不銹鋼收縮性大，極易產生縮松、裂紋和晶粒粗大等缺陷，熱處理要求高，質量要求高。探傷等級為：超聲波探傷符合EN12680-T1，質量等級V2級，磁粉探傷符合EN1369，質量等級S2，著色探傷符合EN1371，質量等級S2。 熱處理狀態 （QT2）：1000℃～1050℃正火，500℃～530℃回火。鑄件相關參數見表2。

表1 G-X4CrNi13-4+QTⅡ的化學成分和力學性能（質量分數，%）

表2 鑄件相關參數

1 鑄造工藝方案的確定

1）造型：根據馬氏體不銹鋼鑄造的特點，采用了脂硬化水玻璃砂造型工藝、上鋯英粉醇涂料，可以有效地防止鑄件表面的增碳和表面顯微裂紋的產生。

2）澆冒口系統：設計開放式澆注系統，冒口采用發熱保溫冒口，澆注時在冒口頂部添加發熱保溫劑，并覆蓋保溫板保溫，加強冒口的補縮。

3）配料：采用中頻爐，爐料必須選用低碳、低硫、低磷的爐料，鉻鐵采用微碳鉻鐵，從原料上保證生產出優質的鋼水；采用電弧爐熔煉時，也應盡可能降低含硫量，要求將鋼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）澆注：出鋼溫度控制在1650℃以上，澆注溫度控制在1620℃左右；

5）開箱清理：根據該種材質的特點，選用保溫時間為14 d，開箱時鑄件溫度控制在100℃以下；

6）冒口切割：工件高溫退火后隨爐冷卻至325±25（℃）出爐割冒口，割冒口時其它部位應用保溫板覆蓋，防止鑄件過快冷卻導致裂紋產生，冒口割除后立即進爐隨爐冷卻至100℃以下。

2 熱處理工藝方案

由于這類鋼含鉻量較高，過冷奧氏體較穩定。所以這類鋼的淬透性比較高，在空冷情況下可獲得馬氏體組織，為了保證獲得較好的力學性能，采用正火加回火的熱處理工藝，為了防止在加熱過程中因應力產生裂紋，要求嚴格控制升溫速度，為了能確保完全得到馬氏體組織，在正火處理時出爐后采用風冷的方法讓工件盡快冷卻到300℃，然后再緩冷，正火、回火如圖2。

3 缺陷焊補工藝

馬氏體不銹鋼能在退火、硬化和硬化與回火的狀態下焊接，無論鋼材的原先狀態如何，經過焊接后都會在鄰近焊道處產生硬化的馬氏體區，熱影響區的硬度主要是取決于母材金屬的碳含量，當硬度增加時，則韌性減少，且此區域較易產生龜裂，因此需對工件進行焊前預熱和焊后熱處理。

1）缺陷清除

缺陷必須采用碳刨、機械加工或打磨的方法去除，若采用碳刨，則必須將工件整體預熱至300℃以上方能進行，否則極易產生裂紋，碳刨后必須采用打磨的方法去除碳刨層。

2）缺陷確認

缺陷清除后必須對缺陷位置進行MT或PT確認，缺陷完全清除后方可進入焊補工序；

3）焊前預熱

焊前預熱是防止產生冷裂紋的主要工藝措施。因此須工件整體預熱至300℃以上；

4）焊補

焊補時須保持工件溫度在150℃以上，層間溫度控制在250℃～300℃，非焊補區域用石棉包裹保持工件溫度，及時清理焊渣并錘擊，減少焊接應力；

5）焊接材料

采用低氫型藥皮馬氏體不銹鋼焊條（0Cr13Ni4MoRe）（ER410NiMo-15）， 焊前須對焊條進行干燥預熱，焊條成分見表3。

6）焊接方法

表3 焊條成分（質量分數，%）

手工電弧焊，焊接電流為180A～220A，直流反接。

7）焊后冷卻

工件焊后不應從焊接溫度直接升溫進行回火處理，因為焊接過程中奧氏體可能未完全轉變，如焊后立即升溫回火，會出現碳化物沿奧氏體晶界沉淀和奧氏體向珠光體轉變，產生晶粒粗大的組織，嚴重降低韌性。因此回火前應使工件先緩慢冷卻，讓焊縫和熱影響區的奧氏體基本分解完。對于剛性小的焊件，可以冷至室溫再回火；對于大厚度的焊件，需采用較復雜的工藝；焊后冷至100℃～150℃，保溫0.5 h～1 h，然后加熱至回火溫度（大缺陷采用回火處理，小缺陷采用除應力處理，除應力溫度為比回火溫度低20℃）。

8）焊后熱處理

焊后熱處理目的是降低焊縫和熱影響區的硬度，改善塑性和韌性，同時減少焊接殘余應力，保證組織均勻，減少裂紋傾向。焊后熱處理宜采用低溫回火，回火溫度為500℃～530℃，保溫若干小時后出爐空冷。

9）焊后探傷檢驗

缺陷采用上述工藝焊補后經UT和MT探傷，焊補處未發現任何超標缺陷。

4 總 結

綜上所述：G-X4CrNi13-4+QTⅡ低碳高強度馬氏體不銹鋼鑄件在生產中必須十分注意操作的細節，控制好相應的技術參數，才能使鑄件符合相關技術條件要求，我們生產的鑄件在馬鋼重機的8000t鍛壓機配套的100t全液壓軌道操作機中正常使用，取得了良好的經濟效益和社會效益。

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