CN103602878A

CN103602878A - 高强韧球墨铸铁制备方法

Info

Publication number: CN103602878A
Application number: CN201310542535.7A
Authority: CN
Inventors: 符寒光; 桑培; 蒋志强; 成小乐
Original assignee: Beijing University of Technology
Current assignee: JIANGSU XIHYUA FOUNDRY CO., LTD.
Priority date: 2013-11-05
Filing date: 2013-11-05
Publication date: 2014-02-26
Anticipated expiration: 2033-11-05
Also published as: CN103602878B

Abstract

高强韧球墨铸铁制备方法，属于铸造技术领域。球墨铸铁球化和孕育前的铁水组成及其质量分数为：3.4～3.6%C,1.0～1.2%Si,0.3～0.5%Mn,0.3～0.5%Cu,0.08～0.12%Nb,P≤0.04%,S≤0.03%,余量为Fe。当铁水温度达到1530～1560℃，用质量分数70%的稀土镁硅铁合金和30%镍镁合金进行球化处理，铁水经球化和扒渣处理后，通过喂丝机将直径

Description

高强韧球墨铸铁制备方法

技术领域

本发明涉及一种球墨铸铁制备方法，特别涉及一种高强韧球墨铸铁制备方法，属于铸造技术领域。

背景技术

球墨铸铁是在灰铸铁基础上发展起来的一种新型铸造金属材料，在国内外获得了广泛的应用，因球铁具有良好的铸造成形能力和较高的强度，在许多工业领域已实现了以铁代钢。但是球墨铸铁因组织粗大和石墨的存在，使球墨铸铁强韧性下降，为了提高球墨铸铁的强韧性，中国发明专利CN102233407A公开了一种铸态高强度球铁曲轴铸造方法，该方法首先向熔炼的铁水中添加锰铁、锡和铜，然后将熔炼好的铁水在球化处理包内进行球化处理和第一次孕育处理，接着在浇注时，在壳型的定量浇口杯内放置一个孕育块，铁水进入定量浇口杯，进行第二次孕育处理，并完成浇注。该方法通过在铁水中加入Cu、Sn、Mn等合金元素，增加和细化珠光体；经过两次强化孕育处理，增加外来晶核，使晶粒和石墨细小，且石墨球圆整度提高；择用壳型和掌控浇注温度，对获得所需的珠光体量及其稳定性具有保障作用，从而提高了曲轴的抗拉强度，使曲轴材质可稳定达到技术要求。中国发明专利CN102080178A还公开了一种准铸态高强韧性贝氏体低碳球铁及其制取方法，其组织为在贝氏铁素体加奥氏体的金属基体上均匀分布着细小、圆整的石墨球。主要工艺步骤包括：低碳球铁的配料、低碳球铁的熔炼和变质处理、低碳球铁的准铸态贝氏体处理。具有工艺简单、可操作性强、成本低廉、耗能低、污染小，绿色环保，所得低碳球铁铸件具有高强韧性及高耐磨性的优点。中国发明专利CN102071353A还公开了一种耐低温高韧性铸态球铁，按重量百分比计，其化学成分为：C3.4～3.6％、Si2.0～2.3％、Mn≤0.2％、P≤0.02％、S≤0.01％、Mg残留0.035～0.05％、∑Re残留0.015～0.025％、Sr0.05～0.1％、Ni0.15～0.25％、Ti0.10～0.15％，余量为Fe。该发明还公开了所述耐低温高韧性铸态球铁的生产方法及其在制备风力发电机配件、汽车配件、船用配件和石油化工中的应用。该发明生产的耐低温高韧性铸态球铁，在铸态下能够达到GB/T1348-2009之QT400-18L各项技术指标，免除了石墨化退火热处理，降低了能耗，同时具有操作简便、质量稳定等突出优点。中国发明专利CN103205544A还公开了一种盐浴自升温的球墨铸铁双级等温淬火方法，其特征在于包括以下步骤：①铸件奥氏体化；②铸件淬火及盐浴升温；③铸件等温及冷却。该发明可实现在单一盐浴内实现球墨铸铁的双级等温淬火，该发明还提供了一种利用上述等温淬火方法生产的等温淬火球铁，该等温淬火球铁具有发生等温相变时兼有高形核率和快生长速度的特点，同时大大改善了球铁的强度和韧性，并提高铸件的淬透层深度。中国发明专利CN102330012A还公开了一种含铌贝氏体球铁及其生产工艺，材料配方（wt%）：C3.5～3.8，Si2.4～2.8，Mn1.5～2.2，Mo0.2～0.5，Cu0.5～0.8，Nb0.2～0.6。组织特征为贝氏体+马氏体+奥氏体+碳化物和球状石墨，力学特征为HRC47～49，A_k13～15J/cm²。其生产工艺包括：（1）铸造工艺，按配方配料后熔炼；出炉温度为1450～1500℃，浇注温度为1400±20℃；采用冲入法球化，球化剂为FeSiMg8RE7，用量为1.8wt%；采用75SiFe孕育，用量为1.0wt%；（2）热处理工艺，900℃奥氏体化，保温3h，空冷到300℃进行中温转变，保温2h。该材料用于耐磨性铸件，生产成本低，生产工艺简单易行，采用铌的合金化后提高了材料的力学性能和耐磨性。中国发明专利CN102330011A还公开了一种不加铁合金、不等温淬火生产高强度、高韧性球铁曲轴方法，它包括以下步骤：(1)选用含量为总重量的优质Q10生铁55～60％，配含CrMo或含CrMoCu的废钢含量为总重量的12～15％，其余为球铁回炉铁；(2)按珠光体球铁正常熔炼工艺熔炼，熔炼孕育处理和球化处理，最终珠光体含量85％，球化一、二级，石墨6～7级，要求球铁曲轴最终含Cr：0.1％，Mo：0.04～0.05％，C：3.72～3.78％，Si：2～2.5％，Mn：0.45～0.5％。该发明将废钢及球铁回炉铁再利用，不仅节约的资源，而且降低了企业生产成本，生产的球铁曲轴强度高、韧度好，提高了企业的经济效益。中国发明专利CN103205625A还公开了一种高强韧等温淬火球铁及其生产方法和应用，该发明主要在普通球墨铸铁的基础上，以铸件主要承载部位的厚度作为铸件的尺寸因子，并以此为依据限定Mn、Mo和Ni元素的加入量，从而确定适合不同壁厚铸件的高强韧等温淬火球铁。在同等淬透性条件下由于合金元素的有效减少，等温淬火球铁的生产成本显著降低，因此该发明可广泛用于承受大载荷、安全系数要求高的各种金属结构部件，尤其适用于替代锻钢生产轿车增压汽油发动机曲轴及大功率柴油发动机曲轴。

但是，上述球墨铸铁尽管具有较好的强韧性，但还有进一步提高的必要。

发明内容

本发明在普通球墨铸铁基础上，通过改变合金成分，并改进铁水球化工艺和孕育工艺，使球铁组织细小，石墨球细小、圆滑，在基体上分布均匀，实现球墨铸铁强度和韧性的提高。

本发明的目的可以通过以下措施来实现。

高强韧球墨铸铁制备方法，其特征在于，采用电炉熔炼，包括以下步骤：

先在电炉内熔炼球墨铸铁，球墨铸铁球化和孕育前的铁水组成及其质量分数为：3.4～3.6%C,1.0～1.2%Si,0.3～0.5%Mn,0.3～0.5%Cu,0.08～0.12%Nb,P≤0.04%,S≤0.03%,余量为Fe，当铁水温度达到1530～1560℃，将铁水注入球化包，球化包底部预先放入有球化剂，并用铸铁屑将球化剂覆盖严实，铸铁屑的覆盖层厚度为8～15mm，球化剂加入量占注入球化包内铁水总质量的1.0～1.2%，球化剂由质量分数70%的稀土镁硅铁合金和30%镍镁合金组成；铁水经球化和扒渣处理后，通过喂丝机将直径

的合金线加入到球化后的铁水中，对球化过的铁水进行孕育和微合金化处理，其中合金线的加入量占球化后铁水质量分数的1.8～2.5%，当铁水温度降至1340～1370℃时，将铁水浇入铸型得到球铁铸件，球铁铸件经开箱清砂处理后，在200～260℃进行去应力处理，保温时间6～10h，然后空冷至室温，即得到高强韧球墨铸铁。

其中合金线的化学组成及其质量分数为：5～8%Ca,6～8%Ba,25～28%Si,0.8～1.0%Sb,1.5～2.0%Ti,0.8～1.2%Zr,<0.3%C,余量为Fe和微量其它杂质。

其中镍镁合金的化学组成及其质量分数为：70～85%Ni,15～30%Mg。

其中稀土镁硅铁合金的化学组成及其质量分数为：6～8%RE,7～9%Mg,35～44%Si,≤1%Ti,≤1%Al,余量为Fe和微量其它杂质。

本发明球墨铸铁采用电炉熔炼，便于控制铁水温度。本发明球铁在球化和孕育前的铁水组成及其质量分数为：3.4～3.6%C,1.0～1.2%Si,0.3～0.5%Mn,0.3～0.5%Cu,0.08～0.12%Nb,P≤0.04%,S≤0.03%,余量为Fe。其中加入0.3～0.5%Mn和0.3～0.5%Cu主要是对基体起强化作用，为了得到高强度的珠光体基体。此外，加入0.08～0.12%Nb，主要是为了细化凝固组织。铌直接加入炉内，主要是铌的熔点高，在铁水熔炼后加入，不易吸收。此外，本发明球铁采用质量分数70%的稀土镁硅铁合金和30%镍镁合金组成的复合球化剂进行球化处理，易获得细小、均匀分布的石墨球，有利于提高球铁强韧性。在此基础上，在球化后的铁水中，采用喂丝机将直径

的合金线加入到球化后的铁水中，对球化过的铁水进入孕育和微合金化处理。合金线的加入量占球化后铁水质量分数的1.8～2.5%，合金线的化学组成及其质量分数为5～8%Ca,6～8%Ba,25～28%Si,0.8～1.0%Sb,1.5～2.0%Ti,0.8～1.2%Zr,<0.3%C,余量为Fe和微量其它杂质。这样既可防止出现石墨衰退，也可以防止出现铁水的白口化倾向，还可以细化铸铁组织，有利于球铁获得良好的性能。

本发明效果：

（1）本发明球墨铸铁石墨球化效果好，球化率达到100%；

（2）本发明球墨铸铁球状石墨尺寸细小，且在基体中分布均匀，基体得到全部珠光体，使球墨铸铁具有较高的强度；

（3）本发明球墨铸铁凝固组织细小，且夹杂物少，使球铁具有良好的强韧性，其中抗拉强度大于620MPa,延伸率大于4%，冲击韧性大于30J/cm²。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明做进一步详述，但本发明并不限于以下实施例。

实施例1：

采用1000公斤中频感应电炉熔炼本发明材料，具体制备工艺是：先在电炉内熔炼球墨铸铁，球墨铸铁球化和孕育前的铁水组成及其质量分数为：3.41%C,1.18%Si,0.32%Mn,0.47%Cu,0.081%Nb,0.036%P,0.025%S,余量为Fe。当铁水温度达到1532℃，将铁水注入球化包，球化包底部预先放入球化剂，并用铸铁屑将球化剂覆盖严实，铸铁屑的覆盖层厚度为8mm，球化剂加入量占注入球化包内铁水总质量的1.0%，球化剂由质量分数70%的稀土镁硅铁合金（稀土镁硅铁合金的化学组成及其质量分数为：6.77%RE,8.03%Mg,41.01%Si,0.27%Ti,0.35%Al,余量为Fe和微量其它杂质）和30%镍镁合金（镍镁合金的化学组成及其质量分数为：70%Ni,30%Mg）组成。铁水经球化和扒渣处理后，通过喂丝机将直径的合金线加入到球化后的铁水中，对球化过的铁水进入孕育和微合金化处理。合金线的加入量占球化后铁水质量分数的1.8%，合金线的化学组成及其质量分数为5.03%Ca,7.91%Ba,25.17%Si,0.96%Sb,1.50%Ti,1.12%Zr,0.18%C,余量为Fe和微量其它杂质。当铁水温度降至1343℃时，将铁水浇入铸型得到球铁铸件，球铁铸件经开箱清砂处理后，在260℃进行去应力处理，保温时间6h，然后空冷至室温，即得到高强韧球墨铸铁，其力学性能见表1。

实施例2：

采用1000公斤中频感应电炉熔炼本发明材料，具体制备工艺是：先在电炉内熔炼球墨铸铁，球墨铸铁球化和孕育前的铁水组成及其质量分数为：3.56%C,1.03%Si,0.49%Mn,0.30%Cu,0.097%Nb,0.035%P,0.022%S,余量为Fe。当铁水温度达到1558℃，将铁水注入球化包，球化包底部预先放入球化剂，并用铸铁屑将球化剂覆盖严实，铸铁屑的覆盖层厚度为15mm，球化剂加入量占注入球化包内铁水总质量的1.2%，球化剂由质量分数70%的稀土镁硅铁合金（稀土镁硅铁合金的化学组成及其质量分数为：6.77%RE,8.03%Mg,41.01%Si,0.27%Ti,0.35%Al,余量为Fe和微量其它杂质）和30%镍镁合金（镍镁合金的化学组成及其质量分数为：85%Ni,15%Mg）组成。铁水经球化和扒渣处理后，通过喂丝机将直径

的合金线加入到球化后的铁水中，对球化过的铁水进入孕育和微合金化处理。合金线的加入量占球化后铁水质量分数的2.5%，合金线的化学组成及其质量分数为7.99%Ca,6.02%Ba,27.94%Si,0.81%Sb,1.95%Ti,0.83%Zr,0.20%C,余量为Fe和微量其它杂质。当铁水温度降至1368℃时，将铁水浇入铸型得到球铁铸件，球铁铸件经开箱清砂处理后，在200℃进行去应力处理，保温时间10h，然后空冷至室温，即得到高强韧球墨铸铁，其力学性能见表1。

实施例3：

采用1000公斤中频感应电炉熔炼本发明材料，具体制备工艺是：先在电炉内熔炼球墨铸铁，球墨铸铁球化和孕育前的铁水组成及其质量分数为：3.49%C,1.08%Si,0.40%Mn,0.44%Cu,0.114%Nb,0.031%P,0.027%S,余量为Fe。当铁水温度达到1544℃，将铁水注入球化包，球化包底部预先放入球化剂，并用铸铁屑将球化剂覆盖严实，铸铁屑的覆盖层厚度为12mm，球化剂加入量占注入球化包内铁水总质量的1.1%，球化剂由质量分数70%的稀土镁硅铁合金（稀土镁硅铁合金的化学组成及其质量分数为：6.77%RE,8.03%Mg,41.01%Si,0.27%Ti,0.35%Al,余量为Fe和微量其它杂质）和30%镍镁合金（镍镁合金的化学组成及其质量分数为：80%Ni,20%Mg）组成。铁水经球化和扒渣处理后，通过喂丝机将直径

的合金线加入到球化后的铁水中，对球化过的铁水进入孕育和微合金化处理。合金线的加入量占球化后铁水质量分数的2.2%，合金线的化学组成及其质量分数为7.04%Ca,6.95%Ba,26.70%Si,0.92%Sb,1.77%Ti,0.96%Zr,0.19%C,余量为Fe和微量其它杂质。当铁水温度降至1361℃时，将铁水浇入铸型得到球铁铸件，球铁铸件经开箱清砂处理后，在240℃进行去应力处理，保温时间8h，然后空冷至室温，即得到高强韧球墨铸铁，其力学性能见表1。

表1高强韧球墨铸铁力学性能

本发明球墨铸铁强度高，韧性好，其中抗拉强度大于620MPa,延伸率大于4%，冲击韧性大于30J/cm²，具有优异的强韧性，可用于制造齿轮、曲轴等产品，取代锻钢具有良好的经济和社会效益。

Claims

1.高强韧球墨铸铁制备方法，其特征在于，采用电炉熔炼，包括以下步骤：

先在电炉内熔炼球墨铸铁，球墨铸铁球化和孕育前的铁水组成及其质量分数为：3.4～3.6%C,1.0～1.2%Si,0.3～0.5%Mn,0.3～0.5%Cu,0.08～0.12%Nb,P≤0.04%,S≤0.03%,余量为Fe，当铁水温度达到1530～1560℃，将铁水注入球化包，球化包底部预先放入有球化剂，并用铸铁屑将球化剂覆盖严实，铸铁屑的覆盖层厚度为8～15mm，球化剂加入量占注入球化包内铁水总质量的1.0～1.2%，球化剂由质量分数70%的稀土镁硅铁合金和30%镍镁合金组成；铁水经球化和扒渣处理后，通过喂丝机将直径的合金线加入到球化后的铁水中，对球化过的铁水进行孕育和微合金化处理，其中合金线的加入量占球化后铁水质量分数的1.8～2.5%，当铁水温度降至1340～1370℃时，将铁水浇入铸型得到球铁铸件，球铁铸件经开箱清砂处理后，在200～260℃进行去应力处理，保温时间6～10h，然后空冷至室温，即得到高强韧球墨铸铁。

2.按照权利要求1的方法，其特征在于，合金线的化学组成及其质量分数为：5～8%Ca,6～8%Ba,25～28%Si,0.8～1.0%Sb,1.5～2.0%Ti,0.8～1.2%Zr,<0.3%C,余量为Fe和微量其它杂质。

3.按照权利要求1的方法，其特征在于，镍镁合金的化学组成及其质量分数为：70～85%Ni,15～30%Mg。

4.按照权利要求1的方法，其特征在于，稀土镁硅铁合金的化学组成及其质量分数为：6～8%RE,7～9%Mg,35～44%Si,≤1%Ti,≤1%Al,余量为Fe和微量其它杂质。

5.按照权利要求1-4的方法制备得到的高强韧球墨铸铁。