C12A阀门铸件关键工艺研究

GXF360 2017-12-24

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■孙志标，陈德苏，刘军，张玉银，卢克华，徐川银

摘要：C12A铸钢属于马氏体钢，具有一定冷裂倾向和接头脆化倾向，对氢致裂纹较为敏感，易产生氢脆断。在铸造时，要获得优质铸件，关键在于合理设计模具，选择优质炉料，精炼钢液，选择适宜的性能热处理，采用FCAW药芯焊丝电弧焊补焊缺陷，逐件进行MT、RT无损检测。注重探索工艺研究，验证成熟后应用于大批量生产，效果显著。

关键词：合金钢阀门；马氏体；铁素体；冷裂纹； FCAW药芯焊丝电弧焊

1. 技术规范

ASME SA-217 C12A材料属高合金耐热钢，是由美国研发的新材料，属高端产品，价格贵。该钢种具有较好的抗高温氧化和高温蠕变性能，较高的强度，以及较好的塑性和可加工性，热强性好，能有效地减轻阀体铸件自重，使用在高温、高压工况环境下，用于制造临界火电发电机、气缸、高压阀体等关键部件。

ASME SA-217 C12A高温承压件合金钢铸件的理化性能要求如下：

（1）化学成分技术要求见表1。

（2）力学性能室温时力学性能技术要求见表2。

（3）用户技术规范随着材料科技进步，不仅局限其化学成分和力学性能要求，用户增加了下列要求：金相组织为均匀的回火索氏体和少量铁素体；晶粒度达8级以上；额定氧化夹杂物≤2级，无柱状枝晶、无裂纹；[O]≤50×10-6、[H]≤2×10-6、[N]≤150×10-6。

C12A合金钢阀门铸件，特征是高温时组织不同，晶格体积变化，极易产生冷裂纹，返修率、报废率高。为了解决这个技术难题，方法是优化工艺，研究应用先进的方案，获得优质的铸件，才能满足国内外用户的采购技术规范。

2. 关键工艺的研发及工艺参数的确定

我公司经过近几年来的反复试制，不断研发，已积累了成熟的生产经验，应用于批量生产，合格率大幅提高，赢得国内外用户的好评。关键措施如下:

（1）模具工装设计 C12A铸件材料属于尖端产品，特别是阀门铸件，结构比较复杂，其壁厚厚薄不均，连接端部位较厚，焊端、内腔部位较薄；具有曲面与平面、曲面与曲面连接和过渡的特点；产品内外表面粗糙度要求高等特点。设计好模具工装是制造好的铸件基础，根据客户的铸件图，铸造工程师要考虑到铸件本体厚薄处逐步过渡，加大铸造圆角，合理地分型，设计浇注系统、补缩块、冷铁摆放位置等。采用CAE铸件模拟凝固计算机分析软件验证，把铸造缺陷尽量消除在设计阶段。浇注成铸件后进行铸造工艺评定，评定合格后进行量产。

表1 C12A化学成分（质量分数）（%）

C Mn Si S P Cr Ni N Mo Nb V Al 0.08～0.12 0.30～0.60 0.20～0.50≤0.01≤0.025 8.00～9.50≤0.40 0.03～0.07 0.85～1.05 0.06～0.10 0.18～0.25≤0.02

表2 力学性能

Rm/MPa Rp0.2/ MPa AKV（-29℃）/ J A（5d）（%）HBW≥485≥205≥27≥30≤220

（2）炉料的准备对炉料的要求夹杂物极少，P、S很低，必须选用纯度高没有杂质、氧化物、锈蚀的材料，主要材料用工业纯铁和回炉料，回炉料要经过电弧炉熔炼的钢绽，附加化学元素用纯净的金属块。选用其他辅料也应严格按规范要求，从炉料的源头来保证化学成分。

（3）熔炼方法用中频感应电炉粗炼加AOD炉精炼，粗炼时钢液只进行第一次取样化学成分分析，根据C12A钢种成分进行一次成分调整，倒入兑钢包中进行钢液转移。控制钢液温度在1590～1640℃，wC＜0.5%，wP≤0.025%， wS≤0.01%，低于标准要求值。钢液进入AOD炉之前，开启冷氩气体控制阀，冷氩压力≥0.6MPa；根据钢液入炉后的温度、钢液化学成分，吹氧氧化确保钢液最高温度控制在（1740±20）℃，根据炉内C、Si、Mn的放热量，计算所需加入硅铁的量，贵金属不允许加入，AOD配料员真实记录。检验人员迅速进行光谱分析，将分析结果打印交给炉前AOD炉配料员，若化学成分中有元素超标，需重新进行吹氧氧化，此时需严格控制钢液温度，成分符合内控标准（见表3）。

充氩气进入还原反应，扒除浮渣及氧化物，出钢时氩气保护吊包钢液面，静置后浇注。铸件外表面≤200℃时清砂，对浇冒口根部预热200～300℃后，用氧乙炔焰气割，留余高≥5mm。

（4）热处理经批量生产验证，为了保证金相组织和力学性能，防止产品产生冷裂纹，采用智能型全纤维密封加热电炉，炉温均匀度好，铸件受热均匀，采用（1080±14）℃正火+（1050±14）℃正火+（760±10）℃回火，出炉空冷至室温。两道正火后与回火间隔时间≤2h，加热速度≤150℃/ h，保温时间按铸件最大壁厚每25.4mm延长1h，再另加1～2h，回火保温时间在正火保温时间上再延长1h，自动控制，全程记录热处理时的技术参数。

热处理后检验室温力学性能符合标准要求（见表4），数值浮动±5%。

（5）缺陷补焊 C12A合金钢阀门铸件若有缺陷要进行补焊时，由于该材质其碳当量为1.475%，超过了产生冷裂纹的碳当量极限值0.4%。在焊接热循环的作用下，经高温加热焊缝及熔合线附近晶粒急剧长大，在焊接残余应力作用下极易形成冷裂纹。补焊前用碳弧气刨清除缺陷，进行PT检测，无缺陷后再补焊。焊接电特性为直流反接法，焊前预热温度≥205℃，层间温度≤300℃，焊后立即用（730±10）℃退火，保温时间≥4h，去除应力、脱氢处理。焊接方法采用FCAW药芯焊丝电弧焊，填充材料规格：SFA-5.29；级别：AWS A5.29；焊丝直径：1.2mm；熔敷金属：E91T1-B9M（HOBART BROTHER）；焊材形式：药芯焊丝。焊接参数：焊接电流为220～240A，焊接电压为25～30V，焊丝伸出长度为15～20mm，焊接速度为160～220mm/min，气体流量为20～25L/min。按照ASME进行焊接工艺评定。解决了焊条电弧焊效率低、劳动强度大、接头多、清渣难、成本高等难题，消除了补焊区易出现冷裂纹、氢脆断、气孔、夹渣等缺陷，与焊条电弧焊相比，提高了工作效率3～5倍，降低补焊成本50%以上，焊缝金属氢含量低于2.0×10-6，抗腐蚀能力强，确保理化性能符合并超过母材标准要求。

（6）检测与试验在批量生产中100%逐件进行PT、MT、RT检测，严格按ASME SA-217C12A合金钢阀门铸件理化性能技术要求评定，结果均合格。

表3 C12A内控化学成分（质量分数）（%）