CN103789481A

CN103789481A - 一种高强韧球铁及其制造方法

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Publication number: CN103789481A
Application number: CN201410035559.8A
Authority: CN
Inventors: 符寒光; 蒋志强; 冯宪章; 王振; 李卫; 刘元朋; 文振华; 刘建伟; 魏永强
Original assignee: Beijing University of Technology
Current assignee: Beijing University of Technology
Priority date: 2014-01-24
Filing date: 2014-01-24
Publication date: 2014-05-14
Anticipated expiration: 2034-01-24
Also published as: CN103789481B

Abstract

一种高强韧球铁及其制造方法，属于铸铁技术领域。先在电炉内采用废钢、炼钢生铁和增碳剂熔炼低硅球铁原铁水，低硅球铁原铁水的化学组成及质量分数是：3.5～3.7%C,Si<1.0%,Mn<0.35%,S<0.04%,P<0.05%,余量Fe。然后用硅铁对低硅球铁原铁水进行随流孕育处理，并用铜镁合金和镍镁合金进行球化处理和微合金处理，球化处理后，继续用复合孕育剂、金属铋和金属锑对铁水进行孕育和微合金化，可得到强度高、韧性好，无白口组织的高强韧球铁。

Description

一种高强韧球铁及其制造方法

技术领域

本发明公开了一种球墨铸铁及其制造方法，特别涉及一种高强韧球铁及其制造方法，属于铸铁技术领域。

背景技术

球铁因具有强度高、韧性好、价格低廉和铸造工艺性能好等特点，在机械和汽车等领域获得了广泛的应用。但是，对于一些球铁薄壁件，因凝固冷却速度快，凝固组织中易出现碳化物，球铁出现白口化倾向，导致球铁韧性大幅度下降。为了减少薄壁球铁件中的碳化物，以往主要采用正火方法消除，工艺复杂，且正火过程中，球铁件易变形、开裂，还明显增加能耗，并延长了生产周期。

为了减少球铁件的白口化倾向，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、韧度度，提高了企业的经济效益。中国发明专利CN101851722A还公开了一种高硅钼球铁排气岐管的配方及其制备方法，涉及汽车发动机排气歧管领域，目前现有的高硅钼球铁排气岐管制备，主要制备工艺一般包括以下步骤：称重、入炉融化、球化处理，扒渣至铁水干净后撒覆盖剂、加盖保温，浇注铸型，开箱落砂。此方法制备工艺不易操作且不稳定，产量低、产品品质差，废品率较高。该发明为克服这些缺点，将回炉铁抛丸处理，将生铁、废钢、回炉铁、钼铁、75#硅铁依次加入电炉熔炼，球化处理、在球化剂表面覆盖孕育剂，并在浇注的同时采用随流孕育，使孕育剂随铁水进入型腔，最后开型落砂，制得成品。与现有方法相比，具有产品质量稳定、降低材料成本、操作方便快捷等优点。中国发明专利CN101585078还公开了机车铸态高韧性球铁轴承盖铸造方法，其步骤包括混砂、造型、制芯、合型、炉料熔炼、出铁球化孕育处理、浇注、冷却、开箱、铸件清理。炉料熔炼步骤包括配置炉料和熔炼，炉料质量百分比：生铁35～45％、回炉铁25～35％、废钢25～35％；中频感应电炉熔炼。出炉球化孕育处理包括球化处理和硅钡二次孕育。在浇注时进行第三次硫氧孕育剂随流孕育。该发明生产出的机车轴承盖抗拉强度≥400MPa，延伸率≥18％，硬度HBS＝130～180，低温(-20℃)冲击值≥12焦耳/厘米²；铸件本体金相组织的球化率≥85％、铁素体含量≥95％；铸件壁厚差≤±1mm；铸件超声波及磁粉探伤检测结果达到国家二级标准。中国发明专利CN101358262还公开了大功率空调压缩机铸态球铁曲轴的生产工艺，其步骤包括混砂、造型、炉料熔炼、出铁球化孕育处理、浇注、冷却、开箱、铸件清理。炉料熔炼步骤包括配置炉料和熔炼，炉料质量百分比为：生铁20～30％、回炉铁35～45％、废钢30～40％；中频感应电炉熔炼；出铁球化孕育处理包括球化处理和硅钡一次孕育处理；在浇注时进行第二次硫氧孕育剂随流孕育。该发明所采用的曲轴铸件是垂直排布工艺，铁液通过直浇道的三层薄片内浇道同时进入铸件及冒口；生产出的曲轴，其抗拉强度≥700MPa，伸长率≥2％；铸件本体的球化率≥80％，珠光体含量≥90％，碳化物≤1％，磷共晶≤1％；硬度为220～280HBS，单件曲轴上各点的硬度差≤20HBS。中国发明专利CN101445853还公开了电梯铸态球铁曳引轮铸造方法，其步骤包括混砂造型制芯合型、炉料熔炼、出铁球化孕育处理、浇注、冷却、开箱、铸件清理、铸件粗加工；炉料熔炼步骤包括配置炉料和熔炼，炉料重量配比：生铁35～45％、回炉铁25～35％、废钢25～35％；中频感应电炉熔炼，温度1450～1550℃；出炉球化孕育处理包括球化处理和硅钡一次孕育处理；底注浇注，浇注温度1320～1420℃。该发明生产出的电梯曳引轮抗拉强≥700MPa，延伸率≥2％，硬度HBS＝240～270，工作面轮缘硬度差≤30HBS，冲击值≥3J/cm²；工作面金相组织的珠光体含量≥95％，球化率≥85％；曳引轮各部位没有铸造缺陷存在，完全满足电梯曳引轮的各项技术要求。中国发明专利CN101209491还公开了一种印刷机铸态球铁辊筒体铸造方法，其步骤包括混沙造型、合型，炉料熔炼，孕育出铁，浇注，冷却、开箱，铸件清理，质检，铸件粗加工，人工时效，其特征在于：所述的炉料熔炼步骤包括配置炉料和熔炼，炉料的重量配比为：含有40-50％的生铁，30-40％的回炉铁，10-30％的废钢；所配炉料采用中频感应电炉进行铁液熔炼，熔化时最高温度为1530-1540℃；所述的孕育出铁工序包括球化处理和硅钡一次孕育两个步骤；并且在浇注工序同时要进行随流硫氧二次孕育处理。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。中国发明专利CN102051432A还公开了一种铸态球铁件铁素体控制方法。该发明首先结合炉料的含锰量和生产环境的限制条件，确定铸态球铁件的铁素体含量要求，调节炉内铁水的锰含量至所需要的含量。然后在铸件型腔的外围再增设一个保温道。最后将铁水注入，铁水将分别充满铸件型腔和管腔。该发明的方法不需要热处理，因而节能环保，缩短了生产周期，降低了生产成本，适用于铸态铁素体球墨铸铁生产，尤其适用于铸态铁素体球铁薄壁小件的生产。中国发明专利CN101168785还公开了一种-40℃低温铸态无Ni球铁铸造兆瓦级风电机组部件——轮毂、底座的方法，它是以国产生铁为原料，经熔炼、球化、孕育处理制得低温铸态无Ni球铁，再经铸造得轮毂、底座，所述低温铸态无Ni球铁的成分配方是：C3.6％～3.9％，Si1.7％～2.5％，Mn0.1％～0.3％，不加Ni，Mg的残余含量0.045％～0.07％，剩余的是铁和杂质，杂质中P＜0.04％，S＜0.02％；上述含量低温铸态无Ni球铁的成分是通过添加球化剂、孕育剂及采用二次孕育方法获得；球化后铸造工艺为：在1300℃～1380℃将球化后的液态混合物浇铸到铸型中，并使其在铸型中缓慢冷却到400℃以下，从铸型中清出。该发明可以使用比国外生铁质量差的国内生铁，在不加Ni的条件下达到-40℃冲击韧性要求，同时满足其它机械性能要求。中国发明专利CN1772417还公开了一种高性能球铁卷筒制造方法，主要解决一次铸造成形问题。通过铸态高性能球铁的研究、铸型材料、涂料及铸造工艺研究，简化卷筒的制造工艺，提高材料的利用率、节能降耗，在显著提高卷筒力学性能及使用性能、满足卷筒绳槽几何尺寸的前体下，显著降低生产成本。因此该发明不仅节省加工设备投资、降低生产成本，经济效益巨大，而且节能降耗，社会效益显著。中国发明专利CN102071353A还公开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。

但是上述发明仍存在球铁中珠光体含量多，且凝固组织中在薄壁处易出现碳化物，导致球铁韧性低。

发明内容

本发明针对现有球铁生产中存在的上述问题，提出在加强球铁孕育基础上，减少球铁中的白口化元素，同时细化凝固组织，改善球铁中夹杂物的形态和分布，并提高石墨球化效果，使球铁在消除白口组织基础上，铸态下获得优异的强韧性。

本发明的目的可以通过以下措施来实现：

本发明高强韧球铁采用铸造方法生产，其制备工艺过程包括如下：

①先在电炉内采用废钢、炼钢生铁和增碳剂熔炼低硅球铁原铁水，低硅球铁原铁水的组成及质量分数是：3.5～3.7%C,Si<1.0%,Mn<0.35%,S<0.04%,P<0.05%,余量Fe；当铁水温度达到1460～1490℃时出炉到球化包，球化包底部预先加入占进入包内铁水质量分数0.5～0.8%的铜镁合金和0.3～0.5%的镍镁合金，用于球化处理和微合金处理；低硅球铁原铁水出炉过程中，加入占出炉铁水质量分数1.5～1.8%的硅铁对低硅球铁原铁水进行随流孕育处理；

②铁水在球化包经球化处理后扒渣，然后将球化后的铁水倒入到浇注包中，浇注包底部预先加入占进入包内铁水质量分数1.0～1.2%的复合孕育剂、0.010～0.015%的金属铋和0.010～0.015%的金属锑，当铁水温度降至1320～1350℃，将铁水浇入铸型，铸件浇注0.5～3.0小时后，开箱空冷铸件，铸件经清沙和打磨后，随炉加热至280～320℃，保温6～10小时后，空冷至室温，得到高强韧球铁。

如上所述硅铁的化学组成及其质量分数为：74.0～80.0%Si,≤0.5%Al,≤1.0%Ca,≤0.4%Mn,≤0.1%C,其余为Fe和不可避免的杂质。

如上所述的复合孕育剂的化学组成及其质量分数为：6～9%Ba,4～6%Sr,3～4%Ca,35～38%Si,≤0.5%C,其余为Fe和不可避免的杂质。

如上所述的铜镁合金的化学组成及其质量分数为：80～85%Cu,15～20%Mg。

如上所述的镍镁合金的化学组成及其质量分数为：82～86%Ni,14-18%Mg。

本发明高强韧球铁在电炉内熔炼，原料采用废钢、炼钢生铁和增碳剂，确保获得低硅球铁原铁水，采用低硅球铁原铁水进行球化处理，可以增加孕育剂加入量，确保球铁凝固组织中不出现碳化物。低硅球铁原铁水的组成及质量分数是：3.5～3.7%C,Si<1.0%,Mn<0.35%,S<0.04,P<0.05%,余量Fe。当铁水温度达到1460～1490℃时出炉到球化包，铁水处理时，加入占出炉铁水质量分数1.5～1.8%的硅铁对低硅球铁原铁水进行随流孕育处理，对阻止球铁凝固组织中出现碳化物效果明显。此外，本发明采用占进入包内铁水质量分数0.5～0.8%的铜镁合金和0.3～0.5%的镍镁合金，用于球化处理和微合金处理，可以确保石墨变成球状，且石墨球尺寸细小。铜和镍进入基体，可以提高基体强度。铁水在球化包经球化处理后扒渣，然后将球化后的铁水倒入到浇注包中，浇注包底部预先加入占进入包内铁水质量分数1.0～1.2%的复合孕育剂、0.010～0.015%的金属铋和0.010～0.015%的金属锑，复合孕育剂的化学组成及其质量分数为：6～9%Ba,4～6%Sr,3～4%Ca,35～38%Si,≤0.5%C,其余为Fe和不可避免的杂质，可以确保球铁凝固组织中不出现脆性的碳化物，且可防止石墨出现球化衰退，有利于提高球铁强韧性。球铁铸件最后随炉加热至280～320℃，保温6～10小时后，空冷至室温，有利于消除铸造应力，提高球铁综合力学性能。

本发明与现有技术相比具有以下特点：

1）本发明球铁铸态组织中无碳化物出现，球铁无需进行高温正火，本发明球铁生产工艺简便，与正火处理球铁相比，能耗下降明显。

2）本发明球铁石墨球尺寸细小，球化率大于98%，石墨球在基体上分布均匀。

3）本发明球铁基体中铁素体含量超过85%，无马氏体和贝氏体组织出现，确保球铁具有良好的综合力学性能，其中抗拉强度大于600MPa，延伸率超过5%，冲击韧性大于20J/cm2。

具体实施方式

以下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：

本发明高强韧球铁采用1000公斤中频感应电炉熔炼，采用覆膜砂铸造成型，其制备工艺过程是：

①先在1000公斤中频感应电炉内采用废钢、炼钢生铁和增碳剂熔炼低硅球铁原铁水，低硅球铁原铁水的组成及质量分数是：3.52%C,0.87%Si,0.31%Mn,0.033%S,0.047%P,余量Fe。当铁水温度达到1488℃时出炉到球化包，球化包底部预先加入占进入包内铁水质量分数0.5%的铜镁合金（铜镁合金的化学组成及其质量分数为：80%Cu,20%Mg）和0.5%的镍镁合金（镍镁合金的化学组成及其质量分数为：86%Ni,14%Mg），用于球化处理和微合金处理。低硅球铁原铁水出炉过程中，加入占出炉铁水质量分数1.8%的硅铁（硅铁的化学组成及其质量分数为：74.97%Si,0.28%Al,0.63%Ca,0.17%Mn,0.08%C,其余为Fe和不可避免的杂质）对低硅球铁原铁水进行随流孕育处理。

②铁水在球化包经球化处理后扒渣，然后将球化后的铁水倒入到浇注包中，浇注包底部预先加入占进入包内铁水质量分数1.0%的复合孕育剂（复合孕育剂的化学组成及其质量分数为：6.33%Ba,5.90%Sr,3.57%Ca,35.19%Si,0.30%C,其余为Fe和不可避免的杂质）、0.010%的金属铋和0.015%的金属锑，当铁水温度降至1329℃，将铁水浇入铸型，铸件浇注0.5小时后，开箱空冷铸件，铸件经清沙和打磨后，随炉加热至280℃，保温8小时后，空冷至室温，得到高强韧球铁，其力学性能见表1。

实施例2：

本发明高强韧球铁采用1000公斤中频感应电炉熔炼，采用潮模砂铸造成型，其制备工艺过程是：

①先在1000公斤中频感应电炉内采用废钢、炼钢生铁和增碳剂熔炼低硅球铁原铁水，低硅球铁原铁水的组成及质量分数是：3.69%C,0.70%Si,0.29%Mn,0.037%S,0.040%P,余量Fe。当铁水温度达到1460℃时出炉到球化包，球化包底部预先加入占进入包内铁水质量分数0.8%的铜镁合金（铜镁合金的化学组成及其质量分数为：85%Cu,15%Mg）和0.3%的镍镁合金（镍镁合金的化学组成及其质量分数为：82%Ni,18%Mg），用于球化处理和微合金处理。低硅球铁原铁水出炉过程中，加入占出炉铁水质量分数1.5%的硅铁（硅铁的化学组成及其质量分数为：76.12%Si,0.39%Al,0.60%Ca,0.22%Mn,0.08%C,其余为Fe和不可避免的杂质）对低硅球铁原铁水进行随流孕育处理。

②铁水在球化包经球化处理后扒渣，然后将球化后的铁水倒入到浇注包中，浇注包底部预先加入占进入包内铁水质量分数1.2%的复合孕育剂（复合孕育剂的化学组成及其质量分数为：8.91%Ba,4.37%Sr,3.04%Ca,37.65%Si,0.30%C,其余为Fe和不可避免的杂质）、0.015%的金属铋和0.010%的金属锑，当铁水温度降至1347℃，将铁水浇入铸型，铸件浇注3.0小时后，开箱空冷铸件，铸件经清沙和打磨后，随炉加热至320℃，保温6小时后，空冷至室温，得到高强韧球铁，其力学性能见表1。

实施例3：

本发明高强韧球铁采用1000公斤中频感应电炉熔炼，采用树脂砂铸造成型，其制备工艺过程是：

①先在1000公斤中频感应电炉内采用废钢、炼钢生铁和增碳剂熔炼低硅球铁原铁水，低硅球铁原铁水的组成及质量分数是：3.63%C,0.61%Si,0.29%Mn,0.028%S,0.037%P,余量Fe。当铁水温度达到1474℃时出炉到球化包，球化包底部预先加入占进入包内铁水质量分数0.6%的铜镁合金（铜镁合金的化学组成及其质量分数为：83%Cu,17%Mg）和0.4%的镍镁合金（镍镁合金的化学组成及其质量分数为：85%Ni,15%Mg），用于球化处理和微合金处理。低硅球铁原铁水出炉过程中，加入占出炉铁水质量分数1.6%的硅铁（硅铁的化学组成及其质量分数为：76.30%Si,0.36%Al,0.85%Ca,0.33%Mn,0.09%C,其余为Fe和不可避免的杂质）对低硅球铁原铁水进行随流孕育处理。

②铁水在球化包经球化处理后扒渣，然后将球化后的铁水倒入到浇注包中，浇注包底部预先加入占进入包内铁水质量分数1.1%的复合孕育剂（复合孕育剂的化学组成及其质量分数为：7.17%Ba,4.83%Sr,3.99%Ca,36.74%Si,0.25%C,其余为Fe和不可避免的杂质）、0.012%的金属铋和0.012%的金属锑，当铁水温度降至1338℃，将铁水浇入铸型，铸件浇注2.0小时后，开箱空冷铸件，铸件经清沙和打磨后，随炉加热至300℃，保温6小时后，空冷至室温，得到高强韧球铁，其力学性能见表1。

表1本发明球铁力学性能

力学性能	抗拉强度/MPa	延伸率/%	冲击韧性/J.cm^-2
				实施例1	635	6.4	22.7
实施例2	620	6.3	22.0
				实施例3	640	5.7	22.8

本发明球铁铸态组织中无碳化物析出，球铁无需进行高温正火，在铸态下经应力消除后可直接使用。本发明球铁石墨球尺寸细小，球化率大于98%，石墨球在基体上分布均匀。本发明球铁基体中铁素体含量超过85%，具有良好的综合力学性能，其中抗拉强度大于600MPa，延伸率超过5%，冲击韧性大于20J/cm²，可用于制造汽车发动机铸件。

Claims

1.一种高强韧球铁的制造方法，其特征在于，采用电炉熔炼，铸造方法生产，其制备工艺过程包括如下步骤：

2.一种如权利要求1所述的高强韧球铁的制造方法，其特征在于，所述硅铁的化学组成及其质量分数为：74.0～80.0%Si,≤0.5%Al,≤1.0%Ca,≤0.4%Mn,≤0.1%C,其余为Fe和不可避免的杂质。

3.一种如权利要求1所述的高强韧球铁的制造方法，其特征在于，所述复合孕育剂的化学组成及其质量分数为：6～9%Ba,4～6%Sr,3～4%Ca,35～38%Si,≤0.5%C,其余为Fe和不可避免的杂质。

4.一种如权利要求1所述的高强韧球铁的制造方法，其特征在于，所述铜镁合金的化学组成及其质量分数为：80～85%Cu,15～20%Mg。

5.一种如权利要求1所述的高强韧球铁的制造方法，其特征在于所述镍镁合金的化学组成及其质量分数为：82～86%Ni,14～18%Mg。

6.一种按照权利要求1-5任一方法制备得到的高强韧球铁。