CN102851574B - 一种耐热合金蠕墨铸铁及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种耐热合金蠕墨铸铁及其制造方法，该蠕墨铸铁包含下列质量百分比的组分：C 2.6～3.1%、Si 3.4～4.5%、Mn 0.20～0.40%、Ni 0.20～0.30%、Mo 0.40～0.60%、Al0.5～0.8%、Sr 0.05～0.08%、Ca 0.02~0.04%、Mg 0.04~0.06%、Er 0.03~0.05%,其余为Fe和不可避免的杂质；上述原料熔炼、蠕化处理、孕育处理及浇注，其中熔炼后的出炉温度为1450～1550℃，铁水经包内冲入和随流孕育处理后扒渣浇注；本发明的合金化蠕墨铸铁材料组织为铁素体基体上分布着蠕化率50~60的蠕虫状石墨，不仅具有较高的强韧性能、导热性能和高温抗氧化性，而且还有良好的铸造工艺性能，可以用于制造长期承受高温成形液体热冲击及冷热交变应力的玻璃模具、轻合金金属型铸造模具。

Description

一种耐热合金蠕墨铸铁及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种耐热合金蠕墨铸铁，该蠕墨铸铁特别适用于制备玻璃制品制造、金属型铸造等长期承受高温成形液体热冲击及冷热交变应力作用的模具，属于耐热金属材料技术领域。本发明还涉及上述耐热合金蠕墨铸铁的制备方法。

背景技术

金属在高温条件下工作，通常会产生氧化和生长等现象。氧化是指在高温下受氧化性气氛的侵蚀，在金属表面产生氧化起皮，因面减少金属的有效断面降低铸件的承载能力。生长是指金属在高温下发生的由于化学冶金变化而产生不可逆的体积长大，造成零件尺寸增大并使机械性能降低。对于长期承受高温成形液体热冲击及冷热交变应力的玻璃模具、轻合金金属型铸造模具来说，模具频繁地接触高温成形熔融物料，不仅长期处于高温状态下工作，而且在反复的开模、合模的过程中产生摩擦，因此，模具材料不仅要求组织致密均匀，应具有良好的耐热、耐磨、耐腐蚀、抗热疲劳、抗氧化、抗生长、导热性好、线膨胀系数小、粘附温度高等性能，此外还应具有良好的机械加工性能和表面光洁度。

铸铁因其因其低廉的价格和良好铸造和机械加工工艺性能而获得了最广泛的应用，铸铁的微观组织（即基体的组成、晶粒的大小、石墨的大小、形状分布）对铸铁的强度、耐热疲劳性能、抗氧化生长性能、导热性能具有直接的影响，因而决定了模具材料的使用性能。铸铁的氧化是指在高温氧化性气氛下石墨作为碳质材料的燃烧破坏，石墨愈粗大，石墨形态愈连续，石墨数量愈多，铸铁的氧化就愈严重。当石墨为片状时，氧化性气氛沿石墨片侵入铸件内部而易发生氧化，而球状石墨时，由于石墨球互不连续，氧化性气氛就不易沿石墨侵入，所以球墨铸铁的抗氧化性总是比片状石墨的灰口铸铁好。球墨铸铁作为主要传热通道的石墨为孤立的球状，形成很大的热阻，导致球墨铸铁的导热性差。球墨铸铁模具的导热系数越小，模具工作时的温度波动范围就越大，因而不仅使产品的质量下降，而且较高的冷热交变热应力降低了模具的使用寿命。尽管具有更高强度性能和表面加工光洁度，但较差的导热性能，致使操作温度高，故大多工厂只限于用它制造员12盎司以下的小型瓶模，用于制造的初型模，使用不太长时间就发生严重的热裂。蠕虫状石墨是介于片状石墨和球状石墨之间的一种过渡性石墨，以外形上互相联结而本身结构近似于球状石墨为其主要特征。因而，蠕墨铸铁具有球墨铸铁相似的耐热性能和耐疲劳性能，同时有具有良好的导热性能，成为制造上述应用模具的最好铸铁材料。

普通蠕墨铸铁铸铁的耐热性能仍然较低，通过合金化和组织细化以获得导热性和抗氧化性更为优异的蠕墨铸铁成为这类模具材料研究开发的重要方向并开发了多种新型合金化蠕墨铸铁材料，例如，文献CN1009283B（用于玻璃瓶成形用的铸铁材料）， CN85107725A（制造玻璃瓶模具的蠕墨铸铁），CN85108041A（玻璃模具材料及其生产工艺），等。

上述新型模具材料均以Cr、Ni、Mo、Cu中的一种或几种元素作为主要合金化元素，由于这些元素均为共析转变时阻碍石墨化的元素，基体组织中珠光体的数量将增大，石墨的数量减少。尽管Mo、Ni合金元素具有稳定珠光体的作用，但对高熔点玻璃料、高熔点的金属液金属型铸造以及大型模具来说，珠光体基体仍不稳定，其石墨化析出过程将导致铸铁的生长而导致模具龟裂报废，因此，合金基体中抗氧化性和导热性能较低，模具的使用性能下降。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种以铁素体为基体合金蠕墨铸铁，该蠕墨铸铁抗氧化生长性能和导热性能显著优于已有技术中的耐热蠕墨铸铁。本发明还提供上述耐热合金蠕墨铸铁的制备方法，该方法制备要求不苛刻并且能低成本保障合金的技术效果的全面体现，该方法既有利细化合金组织以获得细小均布蠕虫状石墨形成，同时有利于合金元素固溶于基体而避免形成游离的合金碳化物而影响合金的可加工性能和使用性能。

为了解决上述技术问题，本发明耐热合金蠕墨铸铁包含下列质量百分比的组分：C 2.6～3.1%、Si 3.4～4.5%、Mn 0.20～0.40%、Ni0.20～0.30%、Mo 0.40～0.60%、Al0.5～0.8%、Sr 0.05～0.08%、Ca 0.02~0.04%、Mg 0.04~0.06%、Er 0.03~0.05%,其余为Fe和不可避免的杂质（其中P≤0.05%、S≤0.05%）。Ca、Mg、Er为残留元素。

所述耐热合金蠕墨铸铁的拉伸强度为400～550MPa，布氏硬度为170～210HBW,在100℃时导热系数48～51 W/(m·K)。

本发明耐热合金蠕墨铸铁的制备方法包括以下步骤：

（1）配料：将废钢、铸造生铁、硅铁、锰铁、钼铁、电解镍、Al-Sr中间合金炉料进行化学成分分析,然后按下列质量百分比称取上述炉料配置在中频感应电炉中熔炼耐热合金蠕墨铸铁：C 2.6～3.1%、Si 3.4～4.5%、Mn 0.20～0.40%、Ni 0.20～0.30%、Mo 0.40～0.60%、Al0.5～0.8%、Sr 0.05～0.08%,其余为Fe和不可避免的杂质（其中P≤0.05%、S≤0.05%）；上述铸造生铁、硅铁、锰铁、钼铁均为国标规定的牌号炉料，Al-Sr中间合金采用Sr质量百分比为10%的Al-10%Sr中间合金,并在最后加入。Si元素在配料时要扣除下述蠕化处理和孕育处理步骤中Si的含量。

（2）熔炼：将按配比称量好废钢、铸造生铁放入中频感应熔炼炉中加热完全熔化后，再将硅铁、锰铁、钼铁炉料和电解镍加入熔化并调整铁水温度出炉温度为1450℃~1550℃。

（3）蠕化处理、孕育处理与浇注：将占炉料总重量1.2~2.0%的Er-Mg-Ca蠕化剂和0.5~0.8% 的10~20mm Al-10%Sr中间合金置于浇包的底部或凹坑式球化处理包的凹坑内，然后用压铁片覆盖；将熔化好的铁水加入到浇包中，同时随流加入4~8mm 75SiFe孕育剂，孕育剂的加入量占铁水总重量的0.4~0.6%；最后，对浇包内的铁水进行扒渣、浇注，浇注时随流加入占铁水总重量的0.2~0.4%的4~8mm 75SiFe孕育剂。

上述所用的Er-Mg-Ca蠕化处理剂组分的质量百分比为：Er 10%、Mg5%、Ca 5%、Si20%，其余为Fe。

本发明的有益效果在于：

从合金的耐热性能和组织设计上，Al作为提高合金耐热性能并强烈促进所有阶段石墨化的合金元素引入到合金中，在调整合金成分以保留合金中Mo、Ni有益作用的同时，克服了共析转变时阻碍石墨化促进基体组织中珠光体形成的不利影响，使合金的基体组织为铁素体基体，因此，不仅提高了模具的使用寿命，而且去除了现有合金蠕墨铸铁所必须采用的退火处理工艺，降低了成本。

因Mn促使铸铁得到珠光体组织，故本发明合金中的Mn含量只有Mn 0.50～0.70%。由于Al每增加1%使转变的相变点温度（A1点）提高50℃，并且Al消弱了铁-碳原子间的结合能力，在4%以下其石墨化能力随含量的升高而增大，因而合金中铁素体和石墨的数量增加；同时也考虑到铝的比重轻，过高的Al含量在熔炼过程中易产生氧化烧损、偏析和收缩，因此本发明合金中铝的加入量为0.5～0.8%。Mo、Ni尽管能改善合金的塑性、抗氧化性和体积稳定性，并且有使石墨细化的能力，但作为珠光体稳定元素，其加入量不易过多，同时Ni和Mo的价格较为贵重，故合金中Ni为Ni 0.20～0.30%、Mo 0.40～0.60%。

从蠕化处理技术上，孕育剂中的Al又作为蠕化处理剂中的反球化元素被引入到蠕化处理工艺中，实现了制备要求不苛刻并且能低成本保障合金的蠕化处理效果。

从孕育机理的理解和孕育处理的工业实践来看，蠕化剂中含有一定量的钙可以提高孕育处理的效果。本发明的孕育处理技术采用最为普通的75SiFe为主要孕育剂并采用最为常用的随流孕育，与浇包中铁水冲入时熔化的Al-Si中间合金配合增强了孕育的效果，同时Sr的加入避免了孕育衰退，达到了商用长效孕育剂的效果。

具体实施方式

实施例1

按质量百分配比，C 3.1%、Si 3.4%、Mn 0.20%、Ni0.20%、Mo 0.40%、Al0.5%、其余为Fe和不可避免的杂质配取合金材料，在250Kg中频感应电炉中加入将按配比称量好废钢、Z18铸铁生铁放入中频感应熔炼炉中加热完全熔化后，再将FeSi75硅铁、锰铁、钼铁炉料和电解镍加入熔化并调整铁水温度出炉温度为1450℃。

蠕化处理、孕育处理与浇注：将占炉料总重量2.0%的Er-Mg-Ca蠕化剂和0.5% 的Al-10%Sr中间合金(10mm大小)置于浇包的底部或凹坑式球化处理包的凹坑内，然后用压铁片覆盖；将熔化好的铁水加入到浇包中，同时随流加入4mm大小75SiFe孕育剂，孕育剂的加入量占铁水总重量的0.4%。最后，对浇包内的铁水进行扒渣、浇注。浇注时随流加入占铁水总重量的0.3%的4mm 75SiFe孕育剂。

经测试残留元素在铸铁中的质量百分比为：Ca 0.04%、Mg 0.06%、Er0.05%。

经测试该合金铁素体基体上分布着蠕虫状石墨，石墨的蠕化率为60；性能为：耐热合金蠕墨铸铁的拉伸强度为400MPa，布氏硬度为170HBW,在100℃时导热系数51 W/(m·K)。

实施例2

按质量百分配比，C 2.6%、Si 4.5%、Mn 0.40%、Ni0.30%、Mo 0.60%、Al0.8%、其余为Fe和不可避免的杂质配取合金材料，在250Kg中频感应电炉中加入将按配比称量好废钢、Z18铸铁生铁放入中频感应熔炼炉中加热完全熔化后，再将FeSi75硅铁、锰铁、钼铁炉料和电解镍加入熔化并调整铁水温度出炉温度为1550℃；

蠕化处理、孕育处理与浇注：将占炉料总重量1.2%的Er-Mg-Ca蠕化剂和0.8% 的Al-10%Sr中间合金(20mm大小)置于浇包的底部或凹坑式球化处理包的凹坑内，然后用压铁片覆盖；将熔化好的铁水加入到浇包中，同时随流加入8mm大小75SiFe孕育剂，孕育剂的加入量占铁水总重量的0.8%。最后，对浇包内的铁水进行扒渣、浇注。浇注时随流加入占铁水总重量的0.4%的8mm 75SiFe孕育剂。

经测试残留元素在铸铁中的质量百分比为：Ca 0.02%、Mg 0.04%、Er0.03%。

经测试该合金铁素体基体上分布着蠕虫状石墨，石墨的蠕化率为50；性能为：耐热合金蠕墨铸铁的拉伸强度为550MPa，布氏硬度为210HBW,在100℃时导热系数48 W/(m·K)。

实施例3

按质量百分配比，C 2.9%、Si 4.0%、Mn 0.30%、Ni0.25%、Mo 0.50%、Al0.6%、其余为Fe和不可避免的杂质配取合金材料，在250Kg中频感应电炉中加入将按配比称量好废钢、Z18铸铁生铁放入中频感应熔炼炉中加热完全熔化后，再将FeSi75硅铁、锰铁、钼铁炉料和电解镍加入熔化并调整铁水温度出炉温度为1500℃；

蠕化处理、孕育处理与浇注：将占炉料总重量1.6%的Er-Mg-Ca蠕化剂和0.6% 的Al-10%Sr中间合金(15mm大小)置于浇包的底部或凹坑式球化处理包的凹坑内，然后用压铁片覆盖；将熔化好的铁水加入到浇包中，同时随流加入6mm大小75SiFe孕育剂，孕育剂的加入量占铁水总重量的0.6%。最后，对浇包内的铁水进行扒渣、浇注。浇注时随流加入占铁水总重量的0.2%的6mm 75SiFe孕育剂。

经测试残留元素在铸铁中的质量百分比为：Ca 0.03%、Mg 0.05%、Er 0.04%。

经测试该合金铁素体基体上分布着蠕虫状石墨，石墨的蠕化率为55；性能为：耐热合金蠕墨铸铁的拉伸强度为480MPa，布氏硬度为190HBW,在100℃时导热系数50 W/(m·K)。

上述实施例不以任何方式限制本发明，凡是采用等同替换或等效变换的方式获得的技术方案均落在本发明的保护范围内。

Claims (3)

1.一种耐热合金蠕墨铸铁的制备方法，其特征在于包括以下步骤：

（1）配料：将废钢、铸造生铁、硅铁、锰铁、钼铁、电解镍、Al-Sr中间合金炉料进行化学成分分析,然后按下列质量百分比称取上述炉料配置在中频感应电炉中熔炼耐热合金蠕墨铸铁：C 2.6～3.1%、Si 3.4～4.5%、Mn 0.20～0.40%、Ni 0.20～0.30%、Mo 0.40～0.60%、Al0.5～0.8%、Sr 0.05～0.08%,其余为Fe和不可避免的杂质；

（2）熔炼：将按配比称量好废钢、铸造生铁放入中频感应熔炼炉中加热完全熔化后，再将硅铁、锰铁、钼铁炉料和电解镍加入熔化并调整铁水温度出炉温度为1450℃~1550℃；

（3）蠕化处理、孕育处理与浇注：将占炉料总重量1.2~2.0%的Er-Mg-Ca蠕化剂和0.5~0.8% 的10~20mm Al-10%Sr中间合金置于浇包的底部或凹坑式球化处理包的凹坑内，然后用压铁片覆盖；将熔化好的铁水加入到浇包中，同时随流加入4~8mm 75SiFe孕育剂，孕育剂的加入量占铁水总重量的0.4~0.6%；最后，对浇包内的铁水进行扒渣、浇注；浇注时随流加入占铁水总重量的0.2~0.4%的4~8mm 75SiFe孕育剂。

2.根据权利要求1所述的耐热合金蠕墨铸铁的制备方法，其特征在于：步骤（3）中所用的Er-Mg-Ca蠕化处理剂组分的质量百分比为：Er 10%、Mg 5%、Ca 5%、Si20%，其余为Fe。

3.根据权利要求1所述的耐热合金蠕墨铸铁的制备方法，其特征在于：步骤（1）中的铸造生铁、硅铁、锰铁、钼铁均为国标规定的牌号炉料，Al-Sr中间合金采用Sr质量百分比为10%的Al-10%Sr中间合金。