[发明专利]一种减小Fe-Cr-Ni系列耐热钢铸造缺陷的方法

说明书

技术领域

本发明属于耐热钢铸造缺陷控制技术领域，涉及一种减小Fe-Cr-Ni系列耐热钢铸造缺陷的方法。

技术背景

Fe-Cr-Ni系列耐热钢由于具备良好的耐高温腐蚀性能而广泛应用于国防、科技、能源、交通、化工等行业，是石油化工、冶金、机械及国防军工等行业中不可缺少的重要金属材料。目前该类耐热钢铸件，例如：工业加热转化炉管、辐射管和乙烯裂解炉管等，主要采用砂型、离心铸造等生产工艺。受材料的冶金特性的影响，尽管不同铸件在生产过程中不断调整铸造工艺条件，Fe-Cr-Ni系列耐热钢，尤其是HK型铸件(美国标准ASTMA297/A297M—1998)仍容易形成缩孔、疏松、气孔以及裂纹等铸造缺陷。这些铸造缺陷的产生不仅极大地降低了此类铸件产品的生产合格率，而且影响铸件的力学性能，严重威胁耐热合金铸件的服役安全。

铸件内部出现所谓缩孔、疏松等铸造缺陷主要由结晶时的体积收缩引起的。在冷凝过程中处于铸件某一区域内的液体和其余液体完全隔离后，这一区域液体由于冷凝时无从补缩，从而导致缩孔形成。当铸件中部钢液凝固时，在液固交错区会遍布得到充分发展的枝晶骨架。由于各晶枝间互相穿插和相互封锁作用，会使富集着低熔点(或较低熔点)组元的液体被孤立分隔于各枝晶之间，因而冷凝后会在这些区域形成许多分散的微小缩孔，这些微小缩孔的集合称之为疏松。

为防止缩孔和疏松等铸造缺陷，在铸件生产过程中采取的措施主要有：改进铸件结构，合理设计冒口，适当提高冷却速度，降低浇注温度，优化合金成分等。铸件结构和浇注冒口的设计可以在一定程度上增加冷凝过程中的液体压力，改善铸件不同位置凝固顺序，从而促进补缩过程；提高冷却速度，降低浇注温度和优化合金成分，可以在一定情况下减小铸件形成的凝固区域，从而减轻因宽凝固区间导致补缩不足的问题。尽管这些措施都能在一定程度上减轻铸造缺陷的程度，但某些合金体系在实际铸造生产的凝固过程中，由于合金体系本身的凝固特性导致其冷凝时某些特定取向的枝晶生长迅速，使得枝晶间的液相极容易被先凝固的快速生长的粗大枝晶干隔离，导致“枝晶架桥”现象的出现，造成枝晶间区域补缩不足，从而形成缩孔和疏松等铸造缺陷。由于实际铸造生产过程中工艺条件的限制，普通补缩措施很难有效减轻此类原因形成的铸造缺陷，因而成为Fe-Cr-Ni系列耐热钢，特别是HK型耐热钢铸件长期以来未能获得解决的铸造技术难题。

本发明通过在铸造前向Fe-Cr-Ni系列耐热钢熔炼的钢液中添加适量的硼合金，在不改变铸件基本化学成分、显微组织并满足其力学性能要求的前提下，通过硼微合金化细化枝晶，同时使枝晶间液相提前凝固，改变钢液的凝固特性，有效抑制粗大枝晶干的快速生长造成的“枝晶架桥”现象，从而减小和消除枝晶间因补缩不足引起的缩孔和疏松等铸造缺陷的产生。该方法简单可靠，成本低，适用性强，适合实际工程应用，将有助于指导Fe-Cr-Ni系列耐热钢铸件生产企业减少铸造缺陷从而提高产品的成品率和合格率，对Fe-Cr-Ni系列耐热钢铸造行业具有重要的实际应用和推广价值。

发明内容

本发明的目的在于提供一种简单且适合工业生产的减小Fe-Cr-Ni系列耐热钢铸造缺陷的方法。该方法通过硼微合金化细化枝晶，同时使枝晶间液相提前凝固，改变Fe-Cr-Ni系列耐热钢液的凝固特性，有效抑制粗大枝晶干的快速生长造成的“枝晶架桥”现象，减小和消除缩孔、疏松等铸造缺陷的产生。其步骤为：在Fe-Cr-Ni系列耐热钢浇注前，向其熔炼的钢液中添加微量硼合金(例如：硼铁合金)，所述的Fe-Cr-Ni系列耐热钢的质量百分比成分为(17～28)Cr-(3～25)Ni-(1～2.5)Si-(0.5～2)Mn-(0～0.5)Mo-(0.15～0.5)C，加硼后的耐热钢液中硼元素的质量百分含量为0.02-1wt.％之间，其余为Fe，其中杂质S含量低于0.03，杂质P含量低于0.04；其它元素含量保持基本不变。待其充分熔化并均匀化后进行浇注过程。

本发明的特点在于：通过硼微合金化改变Fe-Cr-Ni系列耐热钢钢液的凝固特性，在浇注冷凝过程中细化枝晶，同时使枝晶间液相提前凝固，有效抑制粗大枝晶干的快速生长造成的“枝晶架桥”现象，从而减小和消除枝晶间因补缩不足引起的缩孔、疏松等铸造缺陷的产生。本发明的优点在于：不需要改变铸造工艺和条件，通过在钢液熔炼时添加微量硼合金即可减小后续铸造过程中的铸造缺陷的产生。本发明提供的方法能有效地解决Fe-Cr-Ni系列耐热钢由于钢液本身凝固特性致使其在铸造生产过程中很难有效减轻或消除缩孔和疏松等铸造缺陷的难题。本发明方法还可配合其它普通补缩措施使用，效果将更加明显。