不銹鋼的零部件鑄造大多是采用電弧爐或感應(yīng)爐冶煉,利用砂型、陶瓷型或熔模等各種鑄造方法,直接鑄造出接近于成品形狀的鑄件。相同成分的材料直接鑄造成零部件可改善其某些性能,降低成本,簡(jiǎn)化工藝,提高企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益。
一般情況下,鑄造零部件與采用鍛、軋工藝生產(chǎn)的零件相比,具有更高的抗冷、熱疲勞裂紋的性能。由于鑄造零件沒(méi)有明顯的組織方向性,所以不存在鍛、軋狀態(tài)的各向異性問(wèn)題,因此在熱處理過(guò)程中,變形比較均勻,尺寸容易控制,加工余量較小。
不銹鋼鑄造工藝常常用于鑄造在腐蝕介質(zhì)中工作的泵殼、閥、葉輪等,形狀復(fù)雜的零部件也廣泛采用鑄造不銹鋼。
用于耐腐蝕的鑄造不銹鋼化學(xué)成分和普通不銹鋼化學(xué)成分略有不同,鑄造不銹鑄鋼的鉻含量在12%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))以上,為的是在其鑄造表面形成鈍化膜,提高鋼的耐蝕性。碳含量對(duì)鋼的強(qiáng)度和耐蝕性影響很大,鑄造用不銹鋼的碳含量一般低于0.20%,有的低至0.03%。
合金在鑄造過(guò)程中表現(xiàn)出的性能主要有充型能力和收縮性。
鑄鋼是在凝固過(guò)程中不經(jīng)歷共晶轉(zhuǎn)變的用于生產(chǎn)鑄件的鐵基合金的總稱(chēng),是鑄造合金的一種。鑄鋼分為鑄造碳鋼、鑄造低合金鋼和鑄造特種鋼三類(lèi)。不銹鋼是其第三類(lèi),即鑄造特種鋼。為適應(yīng)特殊需要而煉制的合金鑄鋼,品種繁多,通常含有一種或多種高含量的合金元素,以滿(mǎn)足獲得某種特殊性能的需要。例如,含錳11%~14%的高錳鋼,就具有耐沖擊和耐磨損的性能,多用于礦山機(jī)械、工程機(jī)械的耐磨零件。以鉻或鉻-鎳為主要合金元素的各種不銹鋼,用于有腐蝕或溫度在650℃以上的高溫環(huán)境中工作的零件,如化工用閥體、泵、容器或大容量電站的汽輪機(jī)殼體等。
1. 奧氏體不銹鋼鑄造
鑄造奧氏體不銹鋼,由于其耐蝕性?xún)?yōu)于鑄造馬氏體不銹鋼和鑄造鐵素體不銹鋼,因而得到廣泛應(yīng)用。國(guó)家標(biāo)準(zhǔn) GB/T 2100-2002中的20種耐蝕鑄鋼中就有14種奧氏體不銹鋼,其產(chǎn)量及用量約占不銹鋼鑄鋼的80%以上。經(jīng)典的第一代奧氏體不銹鑄鋼為18-8型鋼,其含鉻約18%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))左右,含鎳8%~10%(質(zhì)量分?jǐn)?shù)),如 ZG03Cr18Ni10、ZG03Cr18Nil0N、ZG09Cr19Ni9、ZG08Cr19Ni10N等,是最典型、最基本的代表性鋼種,其他奧氏體不銹鑄鋼均是在18-8型鋼的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的。奧氏體鑄造不銹鋼也和奧氏體不銹鋼一樣,分為鉻-鎳奧氏體不銹鑄鋼和無(wú)鎳、低鎳奧氏體不銹鑄鋼。
a. 鉻-鎳奧氏體不銹鋼的鑄造特性
鉻-鎳奧氏體不銹鑄鋼具有很高的耐蝕性,與其他類(lèi)不銹鑄鋼相比,其耐蝕性是最好的一類(lèi)。該類(lèi)鋼具有優(yōu)良的韌性和塑性,易于加工成各種形狀的零件,在熱處理加熱時(shí)不發(fā)生α=y相變,并具有優(yōu)良的焊接性。這類(lèi)鋼的主要缺點(diǎn)是價(jià)格較貴。但由于它具有最好的耐蝕性,仍然是鑄造不銹鋼中使用最廣泛的一類(lèi)鋼。國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)中的14種奧氏體不銹鑄鋼全部是鉻-鎳奧氏體不銹鑄鋼。
b. 鉻-錳-氮奧氏體不銹鑄鋼的特性
鉻-錳-氮奧氏體不銹鑄鋼是無(wú)鎳和低鎳奧氏體不銹鑄鋼,雖然在新的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)中沒(méi)有,但傳統(tǒng)的奧氏體不銹鑄鋼有ZG10Cr17Mn13N、ZG10Cr17Mn13M02N、ZG10Cr17Mn13M02CuN、ZG10Cr17Mn13M02Cu2N和ZG10Cr17MnNi3M03Cu2N等。
該類(lèi)鋼以強(qiáng)烈形成奧氏體的元素錳和氮取代高含量的鎳,并加入鉬、銅等,以提高鋼的耐蝕性。其耐蝕性略低于鉻-鎳奧氏體不銹鑄鋼,但強(qiáng)度比鉻-鎳奧氏體不銹鑄鋼高。
鉻-錳-氮鑄造不銹鋼應(yīng)進(jìn)行1100℃水淬處理,使碳化物固溶以提高其耐蝕性金相組織為奧氏體和少量鐵素體(5%~20%)的復(fù)相組織。鋼的流動(dòng)性好,鑄造時(shí)氣孔敏感性較大,造型宜用干型,并用鉻礦砂、鋯砂等涂料。鋼的鑄造體收縮較大,如ZG10Cr17Mn13M02Cu2N在1475℃澆注體積總收縮為5.7%,鑄造收縮率取2.2%~2.3%.這類(lèi)鑄鋼的焊接性良好,可在室溫下焊接。
2. 馬氏體不銹鋼鑄造
ZG15Cr12、ZG20Cr13、ZGCr12NiMo、ZGCr12Ni4(QT1)、ZGCr12Ni4(QT2)和ZGCr16Ni5Mo等馬氏體鑄造不銹鑄鋼耐大氣腐蝕性較好,經(jīng)熱處理和拋光后最穩(wěn)定。ZG20Cr13鋼的耐蝕性和強(qiáng)度、硬度較ZG15Cr12鋼稍高。這兩種鑄鋼及其他鑄造馬氏體鋼,用于承受沖擊載荷和要求韌性,并在腐蝕性不強(qiáng)及常溫下的有機(jī)酸水溶液,或者要求防污染的介質(zhì)中工作的零件。例如在維尼綸工業(yè)中,可用于聚乙烯醇、醋酸乙烯、醋酸甲酯、醋酸鈉溶液等介質(zhì);在尿素工業(yè)中,可用于含硫化氫、尿素母液等介質(zhì),也可用于制造水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪(葉片)和水壓機(jī)閥等。
鑄造馬氏體不銹鋼經(jīng)調(diào)質(zhì)處理(1050℃水冷或油淬,750℃回火)后得到鐵素體和索氏體組織。在調(diào)質(zhì)狀態(tài)下鑄件有較好的耐蝕性和綜合力學(xué)性能。某些較大的復(fù)雜鑄件不宜調(diào)質(zhì)處理時(shí),也可進(jìn)行退火處理,退火后的組織為鐵素體和珠光體。ZG20Cr13鋼的熔點(diǎn)為1480~1510℃,鑄造時(shí)流動(dòng)性較差,應(yīng)提高澆注溫度和澆注速度。焊接性尚可,焊補(bǔ)時(shí)應(yīng)將鑄件預(yù)熱到200~300℃,焊后應(yīng)進(jìn)行退火熱處理。
3. 鐵素體不銹鋼鑄造
典型鑄造鐵素體不銹鋼ZG10Cr17具有良好的耐酸性,其他類(lèi)鑄造鐵素體不銹鋼是在ZG10Cr17鋼的基礎(chǔ)上適當(dāng)加入鉬、硅、鈮等可提高鑄鋼耐蝕性的元素,加入鈦可細(xì)化晶粒,加人稀土可改善鑄造性能。鐵素體鑄造不銹鑄鋼在氧化性酸類(lèi),特別是硝酸溶液中有良好的耐蝕性;隨著鋼中鋁、鉬、硅、鈮等含量的提高,耐蝕性增加。但是鑄造鐵素體不銹鋼的力學(xué)性能較差,特別是韌性低,只適用于載荷較低、無(wú)沖擊載荷的場(chǎng)合,影響了其應(yīng)用。雖然在一些硝酸生產(chǎn)廠(chǎng)家仍在應(yīng)用,但未納人新的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)。
鑄造鐵素體不銹鋼大多在消除應(yīng)力退火后使用,退火后的組織為鐵素體和碳化物,一般在750~800℃退火,爐冷到550℃出爐空冷。當(dāng)加熱到850℃以上時(shí),鋼有晶粒強(qiáng)烈長(zhǎng)大的傾向。在450~510℃長(zhǎng)期加熱會(huì)產(chǎn)生475℃脆性。為了細(xì)化晶粒,可在鋼中加入鈦、氮等元素。鋼的流動(dòng)性隨碳、鉻、錳、硅含量的增加而提高。焊接性尚可,焊補(bǔ)時(shí)鑄件應(yīng)預(yù)熱到300~400℃,焊后應(yīng)進(jìn)行退火熱處理。
鐵素體不銹鋼的鑄造性能較差,鑄造收縮率一般為1.4%~1.6%,鑄造時(shí)晶粒粗大。鉻含量很高的鐵素體不銹鋼,如2GCr28鋼鑄造時(shí),鑄件的熱裂傾向性大。