CN109957631B - 一种高镍奥氏体球墨铸铁熔体的处理方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种高镍奥氏体球墨铸铁熔体的处理方法，包括以下步骤：S1、铁水熔炼；S2、包内熔体处理：采用冲入法，在球化包最底部的一侧放入金属颗粒，然后在所述金属颗粒上方放入无稀土球化剂，并在所述无稀土球化剂上均匀覆盖硅钡钙孕育剂或锆硅孕育剂，将铁水出炉冲入球化包内，进行球化和包内孕育；S3、浇注：将球化包内的铁水转入浇注场地进行浇注，浇注时在浇口杯上方随铁水加入锶硅或硅锰锆或硅钡钙随流孕育剂；S4、过滤净化：采用泡沫陶瓷过滤器对铁水进行过滤净化处理。本发明的有益之处在于，大幅度提高了高镍奥氏体球墨铸铁件的内在质量，促进了高镍奥氏体球墨铸铁成分的均匀化和组织细化，改善了石墨球形貌。

Description

一种高镍奥氏体球墨铸铁熔体的处理方法
技术领域
本发明涉及金属熔体处理技术领域，尤其涉及一种高镍奥氏体球墨铸铁熔体的处理方法。
背景技术
高镍奥氏体球墨铸铁是一种镍元素含量在13wt.％～38wt.％范围内的一种合金奥氏体铸铁，由于基体组织为奥氏体，所以这种球墨铸铁具备优异的抗热冲击性、抗热蠕变性、耐蚀性、高温抗氧化性及低的热膨胀性和低温冲击韧性。近年来，随着重型卡车、大型工程机械和矿山机械的发展，柴油机功率不断提高，增压器应用日趋增多，气体的排放温度逐步提高。当排放气体温度达到750℃，增压器壳体、排气歧管等铸件只能用高温性能更好的高镍奥氏体球墨铸铁件制造。高镍奥氏体球铁铸件也开始用于低温零件，如液化天然气长输管线压缩机的叶轮、主轴和接收站中压缩机缸体、阀片等，工作温度达-193℃。但当前高镍奥氏体球铁出现异形石墨形态的倾向比普通球铁大很多，严重影响了组织均匀性、性能稳定性和应用性。近年来，随着研究的不断深入，人们发现高镍奥氏体球铁的熔体处理已成为制约其应用的关键瓶颈之一。
铸铁中的石墨形态直接影响铸件的金相组织和力学性能，为了得到均匀而细小的球状石墨，通常采用球化和孕育相结合的熔体处理方法。经过对现有技术检索发现，目前高镍奥氏体球铁熔体处理普遍采用的是含稀土镁硅合金和镍镁合金球化剂。然而，对于含高镍材质的铁液在凝固过程中其树枝晶发达，在石墨与奥氏体界面往往吸附着低熔点的稀土原子，导致石墨周围奥氏体晕圈不能完全闭合，形成了碳原子扩散通道，从而最终导致铸件中出现异形石墨。进一步说，使用高、中稀土镁合金球化剂，易使铸件中产生过多的碳化物，石墨形态不圆整，铸件韧性和机加工性能下降。对于凝固速度较慢的厚大铸件，一些轻稀土元素会使石墨球化衰退，易出现异形石墨，因此，普通含稀土球化剂无法应用于高镍奥氏体球铁的生产。而镍镁合金球化剂由于其镍含量较高，比重大且熔点高，一方面会增加熔体中氧化镁含量，增加了熔体中合金元素的烧损，尤其是镁的氧化烧损大大增加。另一方面在处理高镍奥氏体球铁熔体时对铁液的搅拌力变弱，容易导致镁在铁液中的分布不均匀。同时，随着制造业对高镍奥氏体球铁熔体质量和性能要求的不断提高，采用含稀土球化剂和镁镍球化剂进行熔体处理仍难获得满足要求的合金熔体。
高镍奥氏体球铁熔体必须进行孕育处理，用合适的孕育剂进行孕育处理一方面可以在厚大截面上获得规则的球状石墨结构，另一方面可以消除白口倾向，增加石墨球数，避免铸件产生共晶碳化物。高镍奥氏体球铁白口倾向大，因此，高镍奥氏体球铁熔体的处理难度比其它金属球铁材料大得多。球铁熔体孕育处理方法有很多种，如浇口杯孕育法、包底孕育法、随流孕育法、喂丝孕育法。但从成本、使用效果方面考虑，通常采用包底孕育法。由于包内孕育衰退严重，单独采用包内孕育仍难获得满足要求的高镍奥氏体球铁熔体。
为了提高高镍奥氏体球体熔体的质量，目前急需一种改进的熔体处理方法。
发明内容
针对上述缺陷，本发明所要解决的技术问题是提供一种高镍奥氏体球墨铸铁熔体的处理方法，可以提高高镍奥氏体球墨铸铁的内在质量，促进高镍奥氏体球墨铸铁成分的均匀化。
本发明提供了一种高镍奥氏体球墨铸铁熔体的处理方法，包括以下步骤：
S1、铁水熔炼：铁水出炉温度控制在1540～1560℃；
S2、包内熔体处理：在球化包最底部的一侧放入质量百分比为0.03～0.07％的锡或锑或钛金属颗粒，然后在所述金属颗粒上方放入质量百分比为0.8～1.5％的无稀土球化剂，所述无稀土球化剂包括以下质量百分比的成分：Mg：6.3～6.7％，Ca：0.75～1.25％，Si：40～44％，Al：＜1.0％，Fe：余量，并在所述无稀土球化剂上均匀覆盖质量百分比为1～1.2％的硅钡钙孕育剂或锆硅孕育剂，将铁水出炉冲入球化包内，进行球化和包内孕育，球化处理温度为1500～1550℃；
S3、浇注：将球化包内的铁水转入浇注场地进行浇注，铁水浇注温度为1380～1420℃，浇注时在浇口杯上方随铁水加入质量百分比为0.05～0.15％的锶硅或硅锰锆或硅钡钙随流孕育剂；
S4、过滤净化：采用泡沫陶瓷过滤器对铁水进行过滤净化处理。
优选地，在步骤S1中，加入的原材料质量百分比为：生铁20～30％，废钢35～45％，纯镍板32～36％。
优选地，所述生铁包括以下质量百分比的成分：C：4.3％～4.5％，Si：0.8％～1％，Mn：0.08％～0.1％，P：＜0.04％，S＜0.02％，所述废钢包括以下质量百分比的成分：C：0.03％～0.05％，Si：＜0.008％，Mn：0.16％～0.2％，P：＜0.008％，S＜0.006％。
优选地，在步骤S2中，所述硅钡钙孕育剂或锆硅孕育剂的粒度为4～8mm。
优选地，在步骤S2中，所述球化包采用堤坝式处理包，所述无稀土球化剂的粒度为10～30mm。
优选地，在步骤S2中，还包括：将球化包内颗粒舂实，然后用球铁薄板盖住，然后将出炉的铁水全部冲入球化包内，球化反应时间为30～40秒。
优选地，在步骤S2中，所述锡或锑或钛金属颗粒的粒度为10～30mm。
优选地，在步骤S3中，所述锶硅随流孕育剂的粒度为0.2～0.7mm。
优选地，在步骤S4中，所述泡沫陶瓷过滤器的材质为ZrO2、SiC、Al2O3或由ZrO2、SiC和Al2O3混合组成，所述泡沫陶瓷过滤器的孔径为5～30ppi，尺寸为130mm×130mm×25mm。
优选地，在步骤S4中，所述泡沫陶瓷过滤器放置在直浇道底部。
综上所述，本发明的有益之处在于，集包内孕育处理、球化处理、微合金化处理、随流孕育处理和泡沫陶瓷过滤器净化于一体，并对球化剂、孕育剂的选用进行了改进，该处理方法大幅度提高了高镍奥氏体球墨铸铁件的内在质量，促进了高镍奥氏体球墨铸铁成分的均匀化和组织细化，改善了石墨球形貌。
附图说明
图1为采用本发明处理方法后得到的高镍奥氏体球墨铸铁合金铸态金相组织照片；
图2为选用传统含稀土球化剂处理得到的熔体金相组织照片；
图3为选用镍镁硅球化剂处理得到的熔体金相组织照片；
图4为选用硅铁孕育剂处理得到的熔体金相组织照片；
图5为没有采用微合金化处理步骤的熔体金相组织照片；
图6为没有采用泡沫陶瓷过滤处理的熔体金相组织照片。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细说明。这些实施方式仅用于说明本发明，而并非对本发明的限制。
以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。须知，下列实施例中未具体注明的工艺设备或装置均采用本领域内的常规设备或装置。此外应理解，本发明中提到的一个或多个方法步骤并不排斥在所述组合步骤前后还可以存在其他方法步骤或在这些明确提到的步骤之间还可以插入其他方法步骤，除非另有说明；还应理解，本发明中提到的一个或多个设备/装置之间的组合连接关系并不排斥在所述组合设备/装置前后还可以存在其他设备/装置或在这些明确提到的两个设备/装置之间还可以插入其他设备/装置，除非另有说明。而且，除非另有说明，各方法步骤的编号仅为鉴别各方法步骤的便利工具，而非为限制各方法步骤的排列次序或限定本发明可实施的范围，其相对关系的改变或调整，在无实质变更技术内容的情况下，当亦视为本发明可实施的范畴。
本发明提供了一种高镍奥氏体球墨铸铁熔体的处理方法，包括以下步骤：
S1、铁水熔炼：铁水中镍元素的质量百分比大于30％，铁水出炉温度控制在1540～1560℃。优选地，熔炼时加入的原材料质量百分比为：生铁20～30％，废钢35～45％，纯镍板32～36％。其中，生铁包括以下质量百分比的成分：C：4.3％～4.5％，Si：0.8％～1％，Mn：0.08％～0.1％，P：＜0.04％，S＜0.02％，废钢包括以下质量百分比的成分：C：0.03％～0.05％，Si：＜0.008％，Mn：0.16％～0.2％，P：＜0.008％，S＜0.006％，熔化过程温度控制在1350～1390℃。具体地，废钢和生铁在使用前均需经过抛丸处理表面铁锈和其它杂质。
S2、包内熔体处理：在球化包最底部的一侧放入质量百分比为0.03～0.07％的锡或锑或钛金属颗粒，然后在金属颗粒上方放入质量百分比为0.8～1.5％的无稀土球化剂，无稀土球化剂包括以下质量百分比的成分：Mg：6.3～6.7％，Ca：0.75～1.25％，Si：40～44％，Al：＜1.0％，Fe：余量，并在无稀土球化剂上均匀覆盖质量百分比为1～1.2％的硅钡钙孕育剂或锆硅孕育剂，将球化包内颗粒舂实，然后用球铁薄板盖住。其中，锡或锑或钛金属颗粒的质量百分比、无稀土球化剂的质量百分比、硅钡钙孕育剂或锆硅孕育剂均为相对于球化包内铁水总质量的百分比。将铁水表面的熔渣处理干净，然后将出炉的铁水全部冲入球化包内，进行球化和包内孕育，球化反应时间为30～40秒，球化处理温度为1500～1550℃。反应完毕后，向球化包内铁水撒入聚渣剂，将铁水表面的熔渣拔干净后，转入浇注场地进行浇注。
优选地，锡或锑或钛金属颗粒的粒度为10～30mm，硅钡钙孕育剂或锆硅孕育剂的粒度为4～8mm，无稀土球化剂的粒度为10～30mm。球化包采用堤坝式处理包。
S3、浇注：将球化包内的铁水转入浇注场地进行浇注，铁水浇注温度为1380～1420℃，优选地，从球化结束到浇注完毕，时间在6分钟以内。浇注时在浇口杯上方随铁水加入质量百分比为0.05～0.15％的锶硅或硅锰锆或硅钡钙随流孕育剂，并在铁水流动过程中搅拌熔化。优选地，锶硅随流孕育剂的粒度为0.2～0.7mm。为了便于检测，在此步骤中还可以单铸阶梯型试块，试块各截面尺寸分别为8mm、20mm、35mm、52mm，以及单铸Y型试块，其尺寸符合GB/T 26648-2011。
S4、过滤净化：采用泡沫陶瓷过滤器对铁水进行过滤净化处理，具体地泡沫陶瓷过滤器放置在直浇道底部。泡沫陶瓷过滤器由细密的陶瓷枝干骨架构成的三维连续网状结构，铁水通过其细密弯曲的通道时，粒度较大的杂质被阻挡，细小的杂质和气体被其吸附，从而有效减少铁水中的S、P等有害元素和气体，不仅减少二次氧化渣的形成，而且具有改善球化效果、优化材质性能的作用。
泡沫陶瓷过滤器的材质为ZrO2、SiC、Al2O3或由ZrO2、SiC和Al2O3混合组成，在混合组成中ZrO2、SiC和Al2O3的质量百分比含量依次为65～80％、10～25％和10～25％。泡沫陶瓷过滤器的孔径为5～30ppi(ppi为每线性英寸孔的数目)，优选采用5～10ppi，尺寸为130mm×130mm×25mm。
以下为本发明的实施例和对比例：
实施例1
S1、铁水熔炼：加入原材料的质量百分比为：生铁20～30％，废钢35～45％，纯镍板32～36％，铁水出炉温度控制在1540～1560℃；
S2、包内熔体处理：向球化包最底部一侧放入质量百分比为0.03～0.07％的锡金属颗粒，然后在金属颗粒上部放入质量百分比为0.8～1.5％的无稀土球化剂，无稀土球化剂包括以下质量百分比的成分：Mg：6.3～6.7％，Ca：0.75～1.25％，Si：40～44％，Al：＜1.0％，Fe：余量，球化剂上均匀覆盖重量含量为1～1.2％的硅钡钙孕育剂。将铁水出炉冲入球化包内，进行球化和包内孕育，球化处理温度为1500～1550℃；
S3、浇注：将球化包内的铁水转入浇注场地进行浇注，铁水浇注温度为1380～1420℃，浇注时在浇口杯上方随铁水加入质量百分比为0.05～0.15％的锶硅孕育剂；
S4、过滤净化：采用泡沫陶瓷过滤器对铁水进行过滤净化处理，泡沫陶瓷过滤器孔径规格采用10ppi；
S5、铸件保温72小时后开箱清砂。
高镍奥氏体球墨铸铁熔体经过处理后的铸态金相组织如图1所示，结合表1可以看出，高镍奥氏体球墨铸铁球化级别为1级，石墨球大小6级～7级。
对比例1
对比例1涉及一种高镍奥氏体球墨铸铁熔体常规处理方法，其处理方法与实施例1的区别仅在于：本对比例进行包内熔体处理时采用传统的含稀土球化剂，其中稀土含量为1.8-2.2％，经此球化处理后镁残留量控制在0.05～0.9％。
处理后得到的高镍奥氏体球墨铸铁金相组织图如图2所示，结合图1和表1可以看出，实施例1的合金组织更均匀，夹杂物更少，球化级别、石墨球数和石墨球大小均大幅提高。采用传统的含稀土球化剂的处理方法，得到的金相组织中存在蠕虫状、碎块状和点状石墨，同时由拉伸力学性能测试结果可知，实施例1得到的球墨铸铁的抗拉强度和延伸率均比传统熔体处理方法略有提高。
对比例2
对比例2涉及一种高镍奥氏体球墨铸铁熔体常规处理方法，其处理方法与实施例1的区别仅在于：本对比例进行包内熔体处理时采用传统的镍镁硅球化剂，其中各成分含量分别为Ni：25-35％，Mg：10-15％，Si：30-40％，余量为铁，经此球化处理后镁残留量控制在0.05～0.9％。
处理后得到的高镍奥氏体球墨铸铁金相组织图如图3所示，结合图1和表1可以看出，采用传统镍镁硅球化剂的处理方法，得到的金相组织中仍然存在少量变异石墨球，球化级别、石墨球数和石墨球大小均不达标，同时拉伸力学性能低于实施例1。
对比例3
对比例3涉及一种高镍奥氏体球墨铸铁熔体常规处理方法，其处理方法与实施例1的区别仅在于：本对比例进行包内熔体处理时采用传统的硅铁孕育剂。
处理后得到的高镍奥氏体球墨铸铁金相组织图如图4所示，结合图1和表1可以看出，采用传统硅铁孕育剂的处理方法，存在合金组织不均匀，球化级别、石墨球数和石墨球大小大幅降低等现象，同时由拉伸力学性能测试结果可知，采用传统硅铁孕育剂处理得到的球墨铸铁的抗拉强度和延伸率均比实施例1大幅降低。
对比例4
对比例4涉及一种高镍奥氏体球墨铸铁熔体常规处理方法，其处理方法与实施例1的区别仅在于：本对比例无微合金化处理过程，即没有在球化包最底部一侧放入金属颗粒。
处理后得到的高镍奥氏体球墨铸铁金相组织图如图5所示，结合图1和表1可以看出，虽然采用同实施例1相同的包内熔体处理、随流孕育处理步骤，但其金相组织中还存在部分块状石墨、蠕虫状石墨和点状石墨，石墨球球化级别、石墨球数和石墨球大小与实施例1存在差别，虽然不进行微合金化处理也可获得球状石墨，但进行微合金化处理后的实施例1的球墨铸铁中石墨形态更圆整，力学性能更好。
对比例5
对比例5涉及一种高镍奥氏体球墨铸铁熔体常规处理方法，其熔体处理与实施例1的区别仅在于：本对比例没有采用泡沫陶瓷过滤器进行过滤净化。
处理后得到的高镍奥氏体球墨铸铁金相组织图如图6所示，结合图1和表1可以看出，虽然不采用泡沫陶瓷过滤器进行过滤净化，也可获得球状石墨，但其金相组织中还存在部分块状夹杂物和网状夹杂物。
Figure BDA0001983171480000071
表1
综上所述，本发明的有益之处在于，集包内孕育处理、球化处理、微合金化处理、随流孕育处理和泡沫陶瓷过滤器净化于一体，并对球化剂、孕育剂的选用进行了改进，包内孕育和球化处理能促进熔体结晶核心的形成，生成石墨球，阻止碳以渗碳体的形式出现。包内微量合金元素的加入可以进一步改善石墨球形貌，随流孕育处理能防止熔体孕育衰退，防止铸件出现白口缺陷，泡沫陶瓷过滤器可进一步过滤掉合金熔体中的微细夹杂物颗粒和液态熔剂夹杂，不容易造成氧化夹杂和熔体污染。该处理方法大幅度提高了高镍奥氏体球墨铸铁件的内在质量，促进了高镍奥氏体球墨铸铁成分的均匀化和组织细化，改善了石墨球形貌。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和替换，这些改进和替换也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种高镍奥氏体球墨铸铁熔体的处理方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、铁水熔炼：铁水出炉温度控制在1540～1560℃；
S2、包内熔体处理：在球化包最底部的一侧放入质量百分比为0.03～0.07％的锡或锑或钛金属颗粒，然后在所述金属颗粒上方放入质量百分比为0.8～1.5％的无稀土球化剂，所述无稀土球化剂包括以下质量百分比的成分：Mg：6.3～6.7％，Ca：0.75～1.25％，Si：40～44％，Al：＜1.0％，Fe：余量，并在所述无稀土球化剂上均匀覆盖质量百分比为1～1.2％的硅钡钙孕育剂或锆硅孕育剂，将铁水出炉冲入球化包内，进行球化和包内孕育，球化处理温度为1500～1550℃；
S3、浇注：将球化包内的铁水转入浇注场地进行浇注，铁水浇注温度为1380～1420℃，浇注时在浇口杯上方随铁水加入质量百分比为0.05～0.15％的锶硅或硅锰锆或硅钡钙随流孕育剂；
S4、过滤净化：采用泡沫陶瓷过滤器对铁水进行过滤净化处理。
2.根据权利要求1所述的处理方法，其特征在于，在步骤S1中，加入的原材料质量百分比为：生铁20～30％，废钢35～45％，纯镍板32～36％。
3.根据权利要求2所述的处理方法，其特征在于，所述生铁包括以下质量百分比的成分：C：4.3％～4.5％，Si：0.8％～1％，Mn：0.08％～0.1％，P：＜0.04％，S＜0.02％，所述废钢包括以下质量百分比的成分：C：0.03％～0.05％，Si：＜0.008％，Mn：0.16％～0.2％，P：＜0.008％，S＜0.006％。
4.根据权利要求1所述的处理方法，其特征在于，在步骤S2中，所述硅钡钙孕育剂或锆硅孕育剂的粒度为4～8mm。
5.根据权利要求1所述的处理方法，其特征在于，在步骤S2中，所述球化包采用堤坝式处理包，所述无稀土球化剂的粒度为10～30mm。
6.根据权利要求5所述的处理方法，其特征在于，在步骤S2中，还包括：将球化包内颗粒舂实，然后用球铁薄板盖住，然后将出炉的铁水全部冲入球化包内，球化反应时间为30～40秒。
7.根据权利要求1所述的处理方法，其特征在于，在步骤S2中，所述锡或锑或钛金属颗粒的粒度为10～30mm。
8.根据权利要求1所述的处理方法，其特征在于，在步骤S3中，所述锶硅随流孕育剂的粒度为0.2～0.7mm。
9.根据权利要求1所述的处理方法，其特征在于，在步骤S4中，所述泡沫陶瓷过滤器的材质为ZrO2、SiC、Al2O3或由ZrO2、SiC和Al2O3混合组成，所述泡沫陶瓷过滤器的孔径为5～30ppi，尺寸为130mm×130mm×25mm。
10.根据权利要求9所述的处理方法，其特征在于，在步骤S4中，所述泡沫陶瓷过滤器放置在直浇道底部。
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