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1、大型铸钢件钛微合金化的研究及应用探讨摘要:针对大型铸钢件铸造生产存在晶粒粗大的难题,进行了材质钛微合金化试验研究,并对其力学性能，金相组织,晶粒度及可探性等性能进行对比分析。试验证明材质钛微合金化细化晶粒作用比较显著，经过一次正火和回火处理基本能满足大型铸钢件的探伤要求，提高了铸件的内部质量，并可改善性能。关键词：大型铸钢件；钛微合金化；晶粒细化大型铸钢件是大型机械设备重要的基础部件。但大型铸钢件在生产过程中，因厚大部位热节集中，冷却条件较差，易出现晶粒粗大的问题，往往通过多次正火，才能达到晶粒细化和探伤要求，影响大型铸件生产进度及质量，是厚大铸钢件生产的一个难题。针对大型铸钢件铸造生产存在的
2、难题，在材质试验的基础上，选择碳钢及碳镭钢材质典型厚大铸件，进行材质钛微合金化的应用的试验研究。通过在材质中加入微量钛合金预先细化铸件铸件铸态组织的晶粒，加上适当的热处理，一次正火和回火热处理基本达到晶粒细化效果，提高了铸件的内部质量，满足厚大件的探伤要求，也改善铸件材质性能，并在厚大铸钢件生产中推广应用。1试验方案1.l试验铸件选择大型铸钢件主要以碳钢及碳锦钢为主，选择材质ZG270-500厚大铸钢件牌坊等铸件，进行钛微合金化对比试验。铸件的一般壁厚500mm,端头最大壁厚600mm,对比试验铸件基本条件如表1.铸件附铸大试样的尺寸为15OmmXl50mm250mm,钛微合金化试验件和对比件
3、各附铸16个试样进行对比试验。表1钛微合金化试验件明细试验编号试验材质一般壁厚mm最大壁厚mm备注10-04-24ZG270-500Ti500600试验件10-04-25ZG270-500500600对比件1.2微合金化材质试验方案试验材质为ZG270-500,选择FeTi30钛铁合金材料进行钛微合金化实验。确定钛微合金化的试验工艺为，在精炼钢水终脱氧后加FeTi30钛铁进行微合金化处理，试验确定的大型铸钢件钛微合金化钛的质量分数的范围为0.005%0.012%冶炼浇注钛微合金化实验件与未加合金的对比件后，按照铸态、退火、正火+回火不同热处理状态，对试验件和对比件附铸试块，进行化学成分、力学性
4、能、显微组织组织、晶粒度、气体含量等试验，分析材质钛微合金化后的性能及显微组织变化，对实验结果进行总结。2试验结果分析2.1 化学成分对比分析根据试验件的钢水重量，采用相同冶炼浇注工艺浇注试验件和对比件，其中试验件进行了钛微合金化，化学成分分析如表2.从分析看，试验件含Ti质量分数为0.010%,达到试验方案要求。表2化学成分试验分析（质量分数，%）试验编号试验材质CMnSiPSTi10-04-24ZG270-500Ti0.350.540.260.0190.0120.01010-04-25ZG270-5000.340.610.250.0210.0212.2 铸件气体含量对比试验对试验件和对比铸
5、件的气体含量9)、（三）.(N)对比分析。钛与氧和氮的化学亲合力非常强，材质钛微合金化不但细化了晶粒，而且还有脱氧、固氮剂及储氢的作用，降低了钢水的气体含量，起到净化钢水作用，提高铸件材质质量。从表3分析可看出，钛微合金化的实验件与对比件相比，氧质量分数降低16x10.4%,氮含量和氢含量也适当降低。表3铸件气体含量试验分析试验编号气体质量分数xl(4%OHN10-04-2432.50.9677.710-04-2558.11.251042.3力学性能对比分析选择材质ZG270-500加钛微合金化的试验件和对比件150mm150mm附铸大试样，进行不同热处理状态(铸态、退火、正回火)力学性能试验
6、分析，试验结果见表4.从试验分析看，钛微合金化后，冲击值平均提高15J30J,拉力性能也有一定的提高。表4力学性能对比分析试验编号TZ10-04-24TZ10-04-25热处理状态Rc1./MPaRm/MPaA/%Z/%Kv2/JRe1./MPaRm/MPaA/%Z/%Kn2/J铸态25050013.012.512,13,1922049011.519.06,6,6退火29052529.549.527,27,3025549525.036.019,17,17正何火31554028.050.554,52,4829053025.046.040.40,392.4晶粒度和显微组织分析对试验件和对比件进行不
7、同热处理状态的显微组织组织、晶粒度等试验分析。从对比分析看，试验件和对比件材质铸态及热处理后的的显微组织都为铁素体+珠光体；钛微合金化后，晶粒度能提高0.5l级，特别是铸态晶粒度能达到3级，钛微合金化细化铸态组织的作用非常明显。试验分析见表5及图1。表5晶粒度和基体组织对比分析热处理状态TZ10-04-24TZ10-04-25基体组织晶粒度基体组织晶粒度铸态铁素体+珠光体3.0级珠光体+铁素体1.5级退火铁素体+珠光体7.5,少E6.0级珠光体+铁素体7.5,部分5.0正回火珠光体+铁素体8.0级珠光体+铁素体7.5级a）试验件铸态M微组织XM）Oe）试验件正火显微组织XlOo图1不同热处理状
8、态显微组织对比2.5铸件本体厚大部位可探性对比试验D对比件铸态显微组织1d）对比件退火显微组织XlOO慈:送先招。对比件正火U微组织XloO）试验件退火显微组织1（X）为了对比铸件本体厚大部位的组织情况，对试验件和对比件退火后，厚大部位进行了超探可探性对比探伤检验。从探伤检验情况看，加钛微合金化合金的试验件立柱（500mm）和端头冒口部位（600mm）退火后晶粒细化，可探性基本能满足要求；未加钛的对比件，退火后组织较粗，达不到可探性要求。试验件厚大部位超声可探性检查对比情况见图2。拉对比件立柱,UT检查晶粗a）试验件立柱，UT检测晶粒细化c）试验件端头,UT检测晶粒细化d）对比件端头,UT检测
9、晶粗图2试验件厚大部位超声可探性检查对比情况2.6大型铸钢材质钛微合金化热处理工艺试验为了确定厚大铸件材质钛微合金化后适合的热处理工艺，对材质为ZG270-500Ti实验件的15OmmXI50mm250mm附铸试块，选择不同正火温度+580C回火进行热处理试验及分析，试验数据见表6,数据分析见图3。表6不同性能热处理正火工艺试验数据试验号正火温度/T：RPO.2/MPaRm/MPaA/%Z/%Kv2/JAl86026550526.543.038.6A288028551531.053.546A390030054027.546.549A492027050528.553.541A5940260500
10、24.049.0403材质标准N270250028N25N2220048608809920940正火温度凡图3不同正火温度对拉力性能影响正火却妨C图4不同正火温度对伸长率和冲击能影响从试验结果看，860C940范围内，随着正火温度的提高，力学性能（Rm、RPO.2、A、Kv2）呈先提高后降低的趋势，正火温度900C时，各项性能最高，相比较不加Ti的材质，正火温度提高（C20C分析其原因为：大型铸钢件材质钛微合金化后，由于高熔点的TiC等碳化物的形成，细化了铸态基体的组织，起到铸件晶粒细化作用，可提高材质的铸态基体性能。正火处理时,采用适当高的温度正火时，高熔点的TiC等碳化物，分散细化，在冷却
11、过程中进一步起到弥散强化的作用，表现为力学性能提高。但进一步提高正火温度，部分高熔点TiC等碳化物会出现部分溶解，同时由于正火温度高，材质会出现奥氏体晶粒长大的倾向，表现在力学性能出现降低的趋势。试验确定ZG270-500Ti材质钛微合金化后，正火温度选择900C较为适合。3分析与讨论对厚大铸钢件材质钛微合金化的力学性能、显微组织、晶粒度进行对比试验分析。试验证明钛微合金化的预细化铸件铸态组织的晶粒作用比较显著。Ti与C、N、O的化学亲合力非常强，在钢中加入微量Ti,极易形成TiC、TiN、Tio2等化合物，TiC及TiN有较高的熔点和稳定性，在铸件凝固过程中，形成结晶质点，起到细化铸造组织晶
12、粒作用。在钛微含量适合范围，第一通过细化晶粒作用，可提高基体组织的均匀性，并适当提高材质的力学性能；第二通过脱氧固氮，降低钢水气体含量，起到净化钢水的作用，改善大型铸钢件的质量。大型铸钢件材质钛微合金化后，由于化学活性元素Ti的加入，可提高ACl及AC3的温度，降低材质的过热敏感性，材质钛微合金化后正火温度要适当提高。同时采用适当高的温度正火时，还能起到弥散强化的作用，提高材质的力学性能。通过生产试验证明，碳钢及碳铺钢材质大型铸钢件，钛微合金化的Ti的质量分数为0.005%0.012%。Ti的质量分数高于0.012%以上时由于钛强烈的碳化物作用，易形成碳化物，在铸件的薄壁部位易形成组织不均匀问
13、题；Ti质量分数低于0.005%时，细化晶粒的效果较差。部分钛微合金化生产试验数据见表7。表7钛微合金化生产试验数据试验号w(Ti)/%RelMPaRm/MPaA/%Z/%KVIJBl0.0063005302752.533,38,24B20.00830054027.546.549,52,46B30.08833054025.551.541,50,47B40.009833055027.545.534,35,39B50.0131554028.050.554,52,48B60.011305535244948,32,384生产应用通过碳钢及碳锈钢材质钛微合金化试验，证明材质钛微合金化细化晶粒作用比较显著
14、，经过一次正火和回火处理基本能满足大型铸钢件的可探伤要求，提高铸件的内部质量，并提高铸件的性能。为此制定钛微合金材质在大型铸钢件中的应用规程，进行生产应用。目前已在88t机架、125t牌坊、175t机架、大型轴承座、大型工作台、大型桥梁鞍体铸件、464t大型压机前梁、405t大型压机后梁铸件等数千吨大型铸钢件上进行了生产应用，提高了厚大铸钢件的性能及内部质量，基本达到一次正回火满足铸件探伤和性能要求。减少了重狂热处理次数，释放了热处理设备的生产能力，生产应用具有较大的经济和社会效益,5结论1）试验证明，大型铸钢件材质钛微合金化，可细化铸件厚大热节处铸态晶粒组织，提高其热处理效果，达到改善厚大铸钢件内部质量，减少正回火热处理次数及费用的效果；2）试验确定大型铸钢件碳钢及碳钵钢材质钛微合金化钛质量分数为0.005%0.012%；3）通过不同正火工艺的力学性能试验结果，考虑铸件的综合机械性能，对钛微合金化材质热处理正火温度进行了适当提高，试验确定了ZG270-500材质钛微合金化后优化正火温度为900。附参考
