CN105562644A - 一种制造高氮奥氏体不锈钢船舰用螺旋桨铸件的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种制造高氮奥氏体不锈钢船舰用螺旋桨铸件的方法，所述方法包括设计螺旋桨或桨叶铸件及其浇注***、制作模型和准备生产、制作蜡模、制壳、熔炼和浇注、后处理、检验七个步骤，所述制壳过程：装箱焙烧充分后，控制模壳温度在650～1000℃，准备浇注；所述熔炼和浇注过程：在常压条件下熔炼，调节加热功率，在熔融、除渣熔炼操作后，迅速调整至浇注温度，将其控制在1480～1590℃之间，在90秒内开始浇注，5分钟内完成所有钢水的浇注；浇注完成后，在浇口处采用热浇口技术，延迟浇口凝固封口。本发明保证气泡不被封压和残留在铸件中，解决了高氮奥氏体不锈钢螺旋桨铸件不合格难题。

Description

一种制造高氮奥氏体不锈钢船舰用螺旋桨铸件的方法

技术领域

本发明属于钢铁铸造技术领域，具体涉及一种在普通大气压力下制造高氮奥氏体不锈钢船舰用螺旋桨铸件的方法。

背景技术

随着中国运输行业的不断发展，螺旋桨作为飞机、轮船的推进器受到各国的关注，螺旋桨的工作条件对其自身材质具有较高的要求，尽管已经有了适应要求的工程材料，但是对更高性能材料的研发从未止步。

目前，高锰铝青铜C95700(75Cu-3Fe-8Al-2Ni-12Mn)满足大吨位、高速船舶要求，其性能较好。不锈钢316L或316N也适用于制造船用螺旋桨。但这些材料制备的螺旋桨仍然存在耐海水腐蚀性能或机械性能有限的缺点。

高氮合金钢包括高氮不锈钢和高氮工具钢等材料，尤其高氮不锈钢，节约镍且性能优异，受到各国的重视，被作为战略性结构材料。现有专利(200810050792.8)提供了在常压条件下冶炼氮含量高达0.6‐1.2％的高氮钢铸锭的方法，为高氮奥氏体不锈钢在冶金和领域的应用提供了更加便利的条件。

高氮奥氏体不锈钢与316L或316N不锈钢相比，韧性处于同等级别，但其强度却有显著的提高，且具有更高的耐点蚀当量值及更为优异的耐海水腐蚀性能；与高锰铝青铜C95700相比，Cr20Mn18Mo2.5-0.9N高氮奥氏体不锈钢其铸态抗拉强度不低于830Mpa、屈服强度不低于565Mpa、延伸率30％以上，计算疲劳强度高于567Mpa，显著优于高锰铝青铜。由此可见，采用高氮奥氏体不锈钢制作高性能的螺旋桨，是一个很好的选择。

然而，高氮奥氏体不锈钢在普通环境大气压力下熔炼和铸造时自释放氮气，氮气聚集形成氮气孔洞，留存于铸件中，容易造成铸件孔洞缺陷以及不合理的分布特征。因此，为更好的发挥高氮奥氏体不锈钢的高机械性能、优异耐腐蚀性，有必要开发一种铸造高氮奥氏体不锈钢螺旋桨铸件的方法。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明提供了一种用高氮奥氏体不锈钢在普通大气压力环境条件下，不采用差压或高压冶金技术，铸造高氮奥氏体不锈钢螺旋桨或桨叶铸件的方法，所述方法包括设计螺旋桨或桨叶铸件及其浇注***、制作模型和准备生产、制作蜡模、制壳、熔炼和浇注、后处理、检验七个步骤；其中，

所述制壳过程是：装箱焙烧充分后，控制模壳温度在650～1000℃，准备浇注；

所述熔炼和浇注过程是：在常压条件下熔炼，调节加热功率，在熔融、除渣等熔炼操作过程中，控制氮气释放量在较低的强度，熔融、除渣操作后，迅速调整至浇注温度，将其控制在1480～1590℃之间，在90秒内开始浇注，并在5分钟内完成所有钢水的浇注；浇注完成后，在浇口处采用热浇口技术，延迟凝固；其他步骤按照一般不锈钢精密铸件的工艺控制要求。

在本发明所述的铸造工艺中，其冒口和浇口是一体的，即指同一个。本发明所述热浇口技术包括：采用更大模数的冒口，或者使用保温冒口，或者对浇口覆盖冒口保温或发热覆盖剂，从而延迟浇口凝固，使铸件中聚集的气泡在重力作用下上浮溢出。

为避免高氮奥氏体不锈钢熔炼和铸造时自释放氮气聚集后形成的大气泡作为气孔缺陷残留在铸件中；铸造整体式螺旋桨时，由于不能充分利用重力偏析作用，发生自释放的氮气气泡聚集并且不能充分排出铸件内的状况，在熔炼和浇注过程中，浇注完成进行热浇口后，使用离心机构，通过离心机构旋转产生离心力，利用离心力的辅助充型和异质偏析作用，使气泡在离心力作用下被偏析溢出。离心机构转速调节要求：尽可能高，但不要使浇口处外溢出钢水。

为保障在熔模铸造蜡模制作时满足精度要求，而且在模壳焙烧时少或无蜡料残留物于模壳表面，防止残留物在浇注时高温燃烧和挥发，避免产生其它燃烧或挥发性气体，影响铸件高氮奥氏体不锈钢合金成分，本发明在模壳制备过程中制作蜡模时，采用中或高温蜡制作蜡模，制壳后焙烧要充分；制作模壳时选用硅溶胶或硅酸乙酯作为粘结剂，为了模壳具有更好的强度，可以复合叠层使用。

为了使铸件不发生裂纹缺陷，在熔炼和浇注过程中，浇口凝固封口后，需要控制冷却速度，使其缓慢冷却后进行清理。

为使铸件具有更好的性能，本发明在对铸件模壳和浇注***清理后，进行固溶热处理，所述热处理固溶温度选取在1020-1180℃之间，固溶时间1-8小时；淬火处理的淬火介质选取水、油或水基淬火介质。

本发明所述方法是为应用氮含量≥0.65％的高氮奥氏体不锈钢，其氮含量≥0.65～1.2％、高铬含量15～24％、高锰含量12～24％的铬-锰-氮奥氏体不锈钢，也可以是添加了钼、钒、铌、钽、钨、铜、稀土其中一种或几种合金化元素的铬-锰-氮奥氏体不锈钢制作螺旋桨铸件而研发的；也适用于氮含量≥0.15％、高铬含量15～24％、锰含量3～24％、镍含量≤22％的铬-锰-镍-氮奥氏体不锈钢，以及添加了钼、钒、铌、钽、钨、铜、稀土其中一种或几种合金化元素的铬-锰-镍-氮奥氏体不锈钢。

本发明具有以下优点和积极效果：

1、本发明所述方法不必在差压或高压条件下铸造高氮奥氏体不锈钢结构产品，不受差压或高压技术必须附加的工艺装备的限制，降低了工艺条件要求。

2、通过应用本发明的铸造技术，在保证高氮奥氏体不锈钢合金成分氮浓度的同时，其自释放氮气聚集的气泡不被封压和残留在铸件中，避免了严重的孔洞缺陷，解决了应用高氮奥氏体不锈钢铸造螺旋桨或桨叶铸件不合格的最主要难题。

3、本发明所述方法采用高氮奥氏体不锈钢，铸造高力学性能和高耐腐蚀性的船舰用螺旋桨铸件，对比满足大吨位、高速船舶要求的高锰铝青铜等合金材料制备的螺旋桨，能够提供更好的使用性能，并且节约铜资源，具有更好的应用前景。

4、采用高氮奥氏体不锈钢材料制作的船舰用螺旋桨，具有更好的经济效益。

具体实施方式

下面结合应用于一般的不锈钢、耐热钢、高锰钢材料的熔模铸造常规生产操作规程，以及本发明的特征步骤，通过下面的实施例，对本发明的技术方案进行较为清晰和完整地描述。实施例1

铸造小型船用高氮奥氏体不锈钢整体式螺旋桨铸件(整体式结构直径1050mm)，操作步骤如下：

1.设计铸件和浇注***

铸件成分控制要求：0.6-0.7％N,<0.03％C,18-20％Cr,16-18％Mn,<0.03％P,<0.03％S,<0.5％Si，余量Fe。

2.制作模型和准备生产

2.1在熔炼用纯铁、金属锰、氮化铬铁等铁合金、中间合金，或者配方冶金材料等的成分、颗粒组成和理化性能符合制定的生产标准。熔炼时的造渣剂、硅钙脱氧剂、覆盖剂等原材料和配方材料符合生产标准。炉体、中间包、浇包等筑炉或修补材料如镁砖、镁砂、耐火水泥、水玻璃和配比材料等的成分、理化指标、性能等符合技术要求或生产标准。符合熔炼低碳不锈钢、高锰钢设备的筑炉材料要求，筑炉或修补符合设备使用标准，符合铸造生产准备要求的设备维护状态良好。

2.2采用中性或碱性筑炉材料，按照筑炉材料配比、筑炉操作、修补操作、烘炉和烧结等操作规范，严格执行工艺参数的要求，执行操作程序或过程。

2.3配制的中温蜡料、模具涂料、清洗液等符合成分、理化指标，性能等符合技术要求或生产标准。

2.4除水筒、静止筒、保温箱、压蜡机、模具、清洗槽等设备维护状态良好。

2.5原辅材料如硅酸乙酯、润湿剂、锆英砂和粉、石英砂、莫来砂和粉等符合成分、理化指标，性能等符合技术要求或生产标准，涂料、制壳等设备维护状态良好，涂料配制严格按照配比和性能要求。

2.6按照涂料配制、制壳操作、脱蜡等工艺操作规范，严格执行工艺参数的要求，执行操作程序或过程，对明文要求的注意事项给予高度关注，保障规范和连续、稳定的生产，避免不当操作。

2.7按照生产计划要求排列日程和作业顺序。

3.蜡模制作

3.1按照蜡料处理、压制蜡模、浇道模头制作、蜡模修整、模组焊接组树、模组清洗等工艺操作守则，严格执行工艺参数的要求，执行操作程序或过程，对要求的注意事项给予关注，保障规范和连续、稳定生产，避免不当操作。

3.2通过如上操作，获得桨叶蜡模、轴套蜡模和浇口棒，组焊形成整体式螺旋桨的铸造***蜡模。

4.制壳

4.1按照涂料配制、制壳操作、脱蜡等工艺操作规范，严格执行工艺参数的要求，执行操作程序或过程。

4.2装箱焙烧，模壳焙烧时要充分，焙烧温度950℃。

4.3焙烧充分后，控制模壳最终温度，符合浇注要求的模壳工艺温度。浇注前，保温炉内螺旋桨模壳温度控制在900℃。

5.熔炼和浇注

5.1根据高氮奥氏体不锈钢合金成分要求，按照高氮奥氏体不锈钢铸造方法(专利号：200810050792.8)的专利技术，准备配料，严格执行熔炼、浇注操作程序或过程，保证熔炼后浇注前模壳已经准备好，处于浇注状态。严格执行熔炼和浇注的工艺衔接的生产标准，要求工序连续稳定，避免延迟高氮奥氏体不锈钢的熔炼和浇注，使高氮奥氏体不锈钢铸件高氮含量符合控制目标。

5.2在大气压力条件下熔炼，在熔融、除渣等熔炼操作过程中，调节加热功率，控制氮气释放量在较低的强度，然后迅速调整至浇注温度，浇注温度控制在1530℃。

5.3将模壳从加热炉内移出，放置在离心机构上，检查浇口中心使与旋转轴重合，或者位置对应，将升温至1530℃的钢水在90秒内衔接浇注，浇注完每个螺旋桨模壳，在浇口处添加、覆盖冒口发热覆盖剂，使用了商业销售的无碳发热覆盖剂；开始浇注后在3分钟内完成所有熔炼钢水的浇注。

5.4浇注完成，启动离心机构，转速调节为每分钟60转。在浇口凝固封口后，放入台车式炉内，700℃保温2小时，然后台车炉停止加热。

5.5大气压力下浇注，浇注试块或试样，进行快速或之后的成分检测、性能检查。并且，在浇口部位也取样，分析比较氮含量在浇注前后的差异。

6.后处理

严格执行各项后处理或热处理工艺参数，执行操作程序或过程，对要求的注意事项给予关注，保障规范和连续、稳定的生产，避免不当操作。

铸件随炉缓冷到200℃，出炉清理模壳。

之后采用固溶热处理，温度为1120℃，固溶时间4小时；淬火介质选取水基淬火介质。

7.检验

7.1检验铸造样品成分，按照铸件质量要求逐项检测。

7.2成分检测结果：

0.66％N，0.029％C，19.5％Cr，17.2％Mn，0.029％P，0.02％S，0.4％Si，余量Fe

在大气压力下，及时地、稳流地将高氮奥氏体不锈钢金属液体浇注到模壳中。通过规范的中温蜡-硅酸乙酯精密铸造工艺控制，获得的最终铸件的合金成分尤其高氮含量、孔洞状况及力学性能都满足铸件质量要求。

实施例2

铸造高氮奥氏体不锈钢变距螺旋桨桨叶铸件(总长1680mm)，具体操作步骤如下：

1.铸件和浇注***设计

铸件成分控制要求：0.8-0.9％N,<0.03％C,20-22％Cr,18-20％Mn,2.5-3.5％Mo,<0.03％P,<0.03％S,<0.5％Si,余量Fe。

2.制作模型和生产准备

2.1在熔炼用纯铁、金属锰、氮化铬铁等铁合金、中间合金，或者配方冶金材料等的成分、颗粒组成和理化性能符合制定的生产标准。熔炼时的造渣剂、硅钙脱氧剂、覆盖剂等原材料和配方材料符合生产标准。炉体、中间包、浇包等筑炉或修补材料如镁砖、镁砂、耐火水泥、水玻璃和配比材料等的成分、理化指标、性能等符合技术要求或生产标准。符合熔炼低碳不锈钢、高锰钢设备的筑炉材料要求，筑炉或修补符合设备使用标准，符合铸造生产准备要求的设备维护状态良好。

2.2采用中性或碱性筑炉材料，按照筑炉材料配比、筑炉操作、修补操作、烘炉和烧结等操作规范，严格执行工艺参数的要求，执行操作程序或过程。

2.3商业配方的高温蜡料、模具涂料、清洗液等符合成分、理化指标，性能等符合技术要求或生产标准。

2.4除水筒、静止筒、保温箱、压蜡机、模具、清洗槽等设备维护状态良好。

2.5在原辅材料如硅溶胶和硅酸乙酯、润湿剂、锆英砂和粉、石英砂、莫来砂和粉等符合成分、理化指标，性能等符合技术要求或生产标准，涂料、制壳等设备维护状态良好，涂料配制严格按照配比和性能要求。

2.6按照涂料配制、制壳操作、脱蜡等工艺操作规范，严格执行工艺参数的要求，执行操作程序或过程，对明文要求的注意事项给予高度关注，保障规范和连续、稳定的生产，避免不当操作。

2.7按照生产计划要求排列日程和作业顺序。

3.蜡模制作

3.1按照蜡料处理、压制蜡模、浇道模头制作、蜡模修整、模组焊接组树、模组清洗等工艺操作守则，严格执行工艺参数的要求，执行操作程序或过程，对要求的注意事项给予关注，保障规范和连续、稳定的生产，避免不当操作。

3.2如上操作，对桨叶蜡模和浇口棒进行了焊接，桨叶根部连接浇口棒。

4.制壳

4.1按照涂料配制、制壳操作、脱蜡等工艺操作规范，严格执行工艺参数的要求，执行操作程序或过程。

4.2为避免模壳焙烧后铸造时破裂，模壳干燥硬化后，装箱衬砂。

4.3入炉焙烧，模壳焙烧时要充分，焙烧温度950℃。

4.4焙烧充分后，控制模壳最终温度，符合浇注要求的模壳工艺温度。桨叶模壳浇注前在保温炉内控制在750℃。

5.熔炼和浇注

5.1根据高氮奥氏体不锈钢合金成分要求，以及选用在先申请高氮奥氏体不锈钢铸造方法(专利号：200810050792.8)的专利技术，准备配料，严格执行熔炼、浇注操作程序或过程，保证熔炼后浇注前模壳已经准备好，处于浇注状态。严格执行熔炼和浇注的工艺衔接的生产标准，要求工序连续稳定，避免延迟高氮奥氏体不锈钢的熔炼和浇注，使高氮奥氏体不锈钢铸件高氮含量符合控制目标。

5.2在大气压力条件下熔炼，在熔融、除渣等熔炼操作过程中，调节加热功率，控制氮气释放量在较低的强度，然后迅速调整至浇注温度，浇注温度控制在1550℃，在90秒内开始浇注，并在5分钟内对所有熔炼金属液完成浇注。浇注中，桨叶端部向下倾斜，调整增强重力对铸造充型作用，辅助对气体的偏析溢出。

5.3在浇注完成后通过在浇口处添加覆盖冒口发热覆盖剂，使用了商业销售的无碳发热覆盖剂。浇口凝固封口后，硅酸铝纤维毡包裹浇注***位于箱体外的部分，实现缓慢冷却的控制效果。

5.4大气压力下浇注，浇注试块或试样，进行快速或之后的成分检测、性能检查。在最后浇注的铸件的浇道部位取样，分析比较氮含量在浇注前后的差异。

6.后处理

严格执行各项后处理或热处理工艺参数，执行操作程序或过程，对要求的注意事项给予关注，保障规范和连续、稳定的生产，避免不当操作。

铸件冷到接近室温后，开箱清理去除模壳，然后采用固溶热处理，温度为1100℃，固溶时间4小时；淬火介质选取水基淬火介质。

7.检验

7.1检验铸造样品成分，按照铸件质量要求逐项检测。

7.2成分检测结果：

0.87％N，0.023％C，21.1％Cr，18.9％Mn，2.8％Mo，0.025％P，0.02％S，0.3％Si，余量Fe

在大气压力下，及时地、稳流地将高氮奥氏体不锈钢金属液体浇注到模壳中。通过规范的硅溶胶与硅酸乙酯复合-高温蜡精密铸造工艺控制，获得的最终铸件的合金成分尤其高氮含量、孔洞状况及力学性能都满足铸件质量要求。

Claims (8)

1.一种制造高氮奥氏体不锈钢船舰用螺旋桨铸件的方法，所述方法包括设计螺旋桨或桨叶铸件及其浇注***、制作模型和准备生产、制作蜡模、制壳、熔炼和浇注、后处理、检验七个步骤，其特征在于：

所述制壳过程：装箱焙烧充分后，控制模壳温度在650～1000℃，准备浇注；

所述熔炼和浇注过程：在常压条件下熔炼，调节加热功率，在熔融、除渣熔炼操作后，迅速调整至浇注温度，将其控制在1480～1590℃之间，在90秒内开始浇注，并在5分钟内完成所有钢水的浇注；浇注完成后，在浇口处采用热浇口技术，延迟浇口凝固封口。

2.根据权利要求1所述的一种制造高氮奥氏体不锈钢船舰用螺旋桨铸件的方法，其特征在于：所述熔炼和浇注过程中，热浇口技术其冒口和浇口是一体的，包括采用更大模数的一体的冒口、使用保温冒口、对浇口覆盖冒口保温剂或对浇口覆盖冒口发热覆盖剂。

3.根据权利要求1所述的一种制造高氮奥氏体不锈钢船舰用螺旋桨铸件的方法，其特征在于：所述制作蜡模过程，采用中或高温蜡制作蜡模。

4.根据权利要求1所述的一种制造高氮奥氏体不锈钢船舰用螺旋桨铸件的方法，其特征在于：所述制壳过程，选用硅溶胶或硅酸乙酯作为粘结剂，或者叠层复合使用。

5.根据权利要求1所述的一种制造高氮奥氏体不锈钢船舰用螺旋桨铸件的方法，其特征在于：浇注完成进行热浇口后，使用离心机构进行离心处理，转速：30～240转/分钟。

6.根据权利要求1所述的一种制造高氮奥氏体不锈钢船舰用螺旋桨铸件的方法，其特征在于：浇口凝固封口后，将铸件放入台车式炉内，700℃保温2小时，然后台车炉停止加热，铸件随炉缓冷到200℃，出炉清理模壳后，进行固溶热处理；或使用硅酸铝纤维毡包裹浇注***位于箱体外的部分，铸件冷到接近室温后，开箱清理去除模壳后，进行固溶热处理。

7.根据权利要求6所述的一种制造高氮奥氏体不锈钢船舰用螺旋桨铸件的方法，其特征在于：所述的固溶热处理：温度选取范围为1020-1180℃，固溶时间1-8小时，淬火处理的淬火介质选取水、油或水基淬火介质。

8.根据权利要求1-7所述的一种制造高氮奥氏体不锈钢船舰用螺旋桨铸件的方法，其特征在于：适用于氮含量≥0.65%的高氮奥氏体不锈钢，氮含量≥0.65～1.2%、高铬含量15～24%、高锰含量12～24%的铬-锰-氮奥氏体不锈钢，以及添加了钼、钒、铌、钽、钨、铜、稀土其中一种或几种合金化元素的铬-锰-氮奥氏体不锈钢，氮含量≥0.15%、高铬含量13～24%、锰含量3～24%、镍含量≤22%的铬-锰-镍-氮奥氏体不锈钢，以及添加了钼、钒、铌、钽、钨、铜、稀土其中一种或几种合金化元素的铬-锰-镍-氮奥氏体不锈钢制作螺旋桨铸件。