特种钴基合金离心铸件产业化发展前景

摘要：本文主要阐述了在军用及民用关键技术领域对特种钴基合金离心铸件技术水平、质量标准和稳定生产能力应用需求日益发展的情下，特种钴基合金离心铸件产业化发展前景

关键词：钴基合金；特种；军用；离心铸造

Abstract: This paper describes the key technologies in the field of military and civilian special cobalt-based alloys for centrifugal casting technology level, quality standards and the application of stable production capacity growing demand situation, the special cobalt-based alloy centrifugal casting industry development prospects

Keywords: cobalt-based alloy; specialty; military; Centrifugal Casting

中图分类号：TG249.4文献标识码：A 文章编号：

钴作为一种重要的战略资源，在高新工业部门已被广泛应用。特种钴基合金指以钴作为主要成分，含有相当数量的镍、铬、钨和少量的钼、铌、钽等金属元素，在650～1100°C具有较高的高温强度、高温抗疲劳性能、抗热震冲击性能和良好的抗氧化、耐腐蚀性能，高的耐磨粒磨损以及良好的抗金属间磨损等性能。

特种钴基合金可以制成焊丝、粉末用于硬面堆焊、热喷涂、喷焊等工艺，也可以制成铸锻件和粉末冶金件，广泛应用于化工、石油、天然气设备、蒸汽轮机、燃气涡轮、航空以及核电工业中。如含钴50%以上的司太立合金即使加热到1000°C也不会失去原有材料的硬度，是金属切削工具的重要原材料，此外通过堆焊或喷焊工艺使该合金熔焊在机械零件的表面，可以使零件的使用寿命提高3-7倍，广泛用作蒸汽轮机、燃气轮机以及核工业中阀座的面层。低碳高铬镍钴基高温合金具有高的强度和抗氧化性，广泛用于军用飞机燃气涡轮的高温段，如筒形燃烧室、火焰稳定器以及加力燃烧室等。利用特种钴基合金的耐蚀、耐磨特性在化学工业中主要用作阀门、泵、混合器以及喷嘴等，在核反应堆中用作涡轮发电机的锅炉等。总之特种钴基合金在耐热、耐蚀、耐高温、摩擦磨损等工况环境下具有非常广泛的用途。

上述特种钴基合金按制备工艺分为铸造钴基高温合金、变形钴基高温合金和粉末冶金高温合金。对于耐磨耐热耐蚀性能要求较高的钴基合金而言，由于在钴中需加入了大量的Cr、Mo或W和C等元素形成的碳化物进行强化，因此合金容易受加工硬化影响而不易采用变形成形，只能采用铸造的方法进行制备成形。而耐磨耐热耐蚀钴基合金产品种类较多，其中很大一部分以管类或环类为主，如钴基合金密封环、导向套以及活塞环等。目前该类产品还主要以静态砂型铸造的方法进行生产，该方法由于一个砂型仅能使用一次，并且每个砂型浇铸完毕后需要去除冒口，冒口的重量约占铸件重量的20%，因此静态浇铸存在批量化生产效率较低、成本高等问题，此外，由于砂型铸造本身还存在铸造合金密度不高、晶粒粗大等问题，如需提高性能需进行后期等静压处理，这进一步增加了制造成本。

针对目前管类或环类特种钴基合金存在的静态铸造效率低、材料浪费严重以及成本高的技术问题，特种钴基合金的离心铸造工艺开发，旨在通过控制离心铸造的温度、转速以及设计涂料成分和厚度，使得合金在离心力下进行凝固，能够细化耐磨耐热耐蚀钴基合金的晶粒、提高合金密度和性能，不需后期的等静压处理，此外本方法一次可以制造长达数米的钴基合金管，可以根据实际长度要求从管上进行截取，因此大大提高了生产效率，降低了生产成本，适合进行批量化生产。离心铸造工艺是我国自19世纪30年代从国外引入，离心铸造生产出的铸件以其致密的内在组织，较高的工艺出品率和生产效率而广泛应用于一些管、筒类铸件如铁管、铜套、耐热钢辊道、无缝钢管等的毛坯制造中。但是对于钴基高温合金的离心铸造工艺则鲜有报道。河北五维航电科技有限公司通过近5年的专业化开发，已经攻克了钴基合金离心铸造工艺中涂料的成分设计、型筒设计、浇铸温度控制、型筒预热及转速设计等多项关键技术，制备出了性能优异、长度超过4米、内口径最小达到18mm的钴基合金离心铸件。在民用领域，已用于超（超）临界汽轮机主汽阀中做为导向套筒、衬套、密封环等，打破了西方国家的技术封锁以及相关产品只能依赖进口的现状，填补了国内空白，实现了相关产品的低成本国产化制造，进一步扩展了Co基合金在超（超）临界汽轮机中的使用范围，产品性能指标经国家钢铁材料测试中心检测，综合性能达到国外进口水平，项目所研制的“K-C20WN / K-C28W离心铸件”已用作330MW及超临界、超超临界汽轮机高压主汽门的导向套筒、衬套、密封环等部件，至今仍在正常运行中，质量达到甚至超过国外进口的水平。在军用领域，与北京科技大学合作采用离心铸造工艺研制的特种钴基合金密封环已在XXX 型战车中获得了应用，研制的XXX舰炮活塞环已在国家靶场射击试验中，累计完成3000发射击试验，活塞环无一失效，大大超过2000发的设计寿命（即：相应的俄罗斯产品寿命），解决了XXX舰炮的瓶颈问题。

军用以及民用日益扩大的市场，需要通过建立专业化的产业化生产线，实现特种钴基合金离心铸造的产业化生产，满足军用舰炮以及民用汽轮机、核电等关键领域的需求，解决目前材料成本高、生产效率低以及钴浪费严重等问题。特种钴基合金离心铸件产业化发展填补了国内相关领域空白，替代部分进口的特种合金配件产品。

随着世界加工制造业向中国的转移，带动了我国电力、能源需求的旺盛发展，而电力机组、石化、核电、煤炭清洁加工等行业的快速发展，无论在近期的大规模建设过程，还是在后期的使用维护过程中，对于耐热、耐蚀、耐磨等特种高温合金材料的需求也一直处于高速发展过程中。

然而我国在上述领域的特种合金材料供货，大多依赖于国外进口和国内几家大型的特钢企业，但在这些企业下游，国内专业满足行业或领域应用需求的特种合金零配件企业却很分散，规模化程度、专业化水平和市场化服务能力均十分薄弱。

我国目前高性能高温合金制品，每年有20亿元的市场需求，而且每年以20-25%势头发展递增，市场前景广阔。

目前民用汽轮机导向套筒、民用及军用密封环和活塞环、XXX发动机排气管、XXX发动机排气管密封环这四种产品的每件售价为3000—4000元。根据市场的调查，原材料价格有上涨的趋势，并且人力资源成本越来越高，研发成本也是越来越高，因此特种钴基合金离心铸件产业化发展势在必行。

2013年4月河北五维航电科技有限公司在现有厂区内建设能力为年产特种钴基合金离心铸件100吨，项目将新增设备15台套，新建生产厂房1000平米。项目完成后将形成一条专业化的钴基合金离心铸件生产线，包括：

（1）年产100吨的特种钴基合金离心铸造生产线

（2）年产100吨的特种钴基合金热处理生产线

（3）特种钴基合金密封环、导向套、活塞环精密加工生产线。

完成后预期可实现年工业产值1亿元，销售利税3000万元。同时该项目的建设完成，不仅能快速填补国内军用及民用市场在该类产品灵活性与专业性等方面的空缺，替代部分进口，推动关键技术装备的国产化步伐，而且能够在本地区形成特种合金材料的冶金加工能力、产品配套能力和技术开发能力，促进区域工业配套能力和工艺技术水平的改善，进而为在本地区形成围绕我省绿色能源工业发展的基础材料产业链奠定基础，为区域产业加工配套体系的建设和经济发展做出贡献。