CN101363097A

CN101363097A - 一种耐低温冲击大断面铸态球铁及其生产方法

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Publication number: CN101363097A
Application number: CNA2008100135272A
Authority: CN
Inventors: 李瑞学; 宫俊波; 陈英
Original assignee: LIAONING LONGDA GROUP BAIXINGDA FOUNDRY CO Ltd
Current assignee: LIAONING LONGDA GROUP BAIXINGDA FOUNDRY CO Ltd
Priority date: 2008-10-07
Filing date: 2008-10-07
Publication date: 2009-02-11

Abstract

本发明公开了一种耐低温冲击大断面铸态球铁及其生产方法，该耐低温冲击大断面铸态球铁较现有技术生产的球铁具有更高的低温冲击韧性和延伸率，不含Ni，可满足对－20℃至－40℃的低温冲击性能有特殊要求的大断面球铁铸件的要求；采用该方法生产的耐低温冲击大断面铸态球铁，以普通铸铁为原料，球化率高，机械性能达到或超出EN1563标准中GJS400－18－LT牌号的要求。

Description

一种耐低温冲击大断面铸态球铁及其生产方法

技术领域

本发明涉及一种铸态球铁及其生产方法，尤其是一种耐低温冲击大断面铸态球铁及其生产方法。

背景技术

大断面高韧性球铁在风力发电设备中具有广泛的应用，包含轮毂、机舱底座等大型铸件，单件重量可达5～15吨。国外一般采用EN1563材料标准，通常材料牌号为EN GJS 400-18-LT(该牌号要求-20℃的低温冲击性能)和EN GJS350-22-LT(该牌号要求-40℃的低温冲击性能)的高韧性球铁，前者相当于中国国家标准GB1348-88中的牌号QT400-18-AL，而后者国内尚未有此牌号标准。部件检验要求取联铸试块进行性能和金相组织检验；根据标准要求，联铸试块的厚度为70mm。其技术要求是：

A、常温机械性能要求为：σ_b≥370MPa、σ_0.2≥220MPa、δ≥12％、HB130～180。

B、球化率要求90％以上(球化等级2级)；基体中铁素体≥90％。

C、-20℃/-40℃低温冲击值要求为：三个试样平均≥10J，最低≥7J。

由于风电铸件的使用条件十分苛刻，且要求使用寿命为20年以上，不允许出现铸件断裂、失效等多种质量事故，每个部件都要求具有可追溯性，因此部件的质量要求、特别是质量稳定性的要求极为严格。国外一般采用加Ni0.2-2％生产此类铸件。但Ni属于贵重金属，成本很高，不适合我国国情。国内公开的申请专利CN03811060.1采取了加Ni、Cu、Mo的方法，并结合热处理，结果会导致成本更高。在国内公布的另一项专利CN 100337770中，取消了加Ni的方法，但所述的球化剂的配方是：Re1-2％，Mg7-9％，Si40-46％。该配方为生产普通球铁的常规配方，生产对-20℃至-40℃的低温冲击性能有特殊要求的大断面球铁铸件，采用这种常规球化剂是很难保证优异的材料性能及其稳定性的。此外，该专利对于Si的规定其上限值过高，为3.0％，会造成铸件的脆性转变温度的急剧降低，从而导致铸件的低温冲击韧性的急剧下降，存在安全隐患。

发明内容

发明要解决的技术问题，本发明要解决的技术问题是提供一种耐低温冲击大断面铸态球铁及其生产方法，该耐低温冲击大断面铸态球铁较现有技术生产的球铁具有更高的低温冲击韧性和延伸率，不含Ni，可满足对-20℃至-40℃的低温冲击性能有特殊要求的大断面球铁铸件的要求；采用该方法生产的耐低温冲击大断面铸态球铁，以普通铸铁为原料，球化率高，机械性能达到或超出EN1563标准中GJS400-18-LT牌号的要求。

解决技术问题所采取的技术方案：一种耐低温冲击大断面铸态球铁，该球铁成分中不含Ni，所述耐低温冲击大断面铸态球铁的化学成分为：C 3.6～3.8％、Si 2.0～2.5％、Mn≤0.350％、S≤0.02％、P≤0.05％、Ti≤0.05％、Mg 0.04～0.06％、Re 0.02～0.03％、余量为Fe。

一种耐低温冲击大断面铸态球铁的生产方法，所述耐低温冲击大断面铸态球铁是按照如下工艺生产的：

调整炉中的原铁水化学成分为：C 3.7～3.9％、Si 0.8～1.2％、Mn≤0.38％、S≤0.035％、P≤0.05％、Ti≤0.05％、余量为Fe；

采用冲入法进行球化处理，同时进行炉前一次孕育，球化处理的温度为1380～1430℃，球化剂加入总量为铁水重量的1.4～1.6％，孕育剂添加比例为铁水重量的0.4～0.5％；

待冲入的铁水达到铁水总量的2/3时，进行出铁槽二次孕育，孕育剂的加入量为处理铁水重量的0.4～0.5％，直至全部铁水冲入完毕，完成出铁槽二次孕育；

将经球化、二次孕育处理后的熔融铁水在1320～1360℃温度条件下浇注到树脂砂铸型中，在浇注过程中同时采取瞬时三次孕育，瞬时孕育剂的加入量为处理铁水重量的0.2％；

浇注后的液态铁水在铸型中凝固成型，并在铸型中缓慢冷却至420℃以下后落砂取出。

所述球化剂为钇基重稀土球化剂和轻稀土-镁球化剂的复合球化剂。

所述复合球化剂中钇基重稀土球化剂的加入量为处理铁水重量的0.8～0.9％，轻稀土-镁球化剂的加入量为处理铁水重量0.6～0.7％。

所述复合球化剂中钇基重稀土球化剂化学成分为Mg7-8％、YRE0.5-2.0％、Ba2-3％、Ca2-3％、Si41-43％、余量为Fe；所述复合球化剂中轻稀土-镁球化剂化学成分为Mg7-8％、CeRE1-2％、Ba2-3％、Ca2-3％、Si41-43％、余量为Fe。

所述炉前一次孕育和出铁槽二次孕育过程中所用的孕育剂化学成分为Ba4-6％、Ca1-2％、Si66-69％、余量为Fe。

所述瞬时三次孕育过程中所用的瞬时孕育剂化学成分为CeRE1-2％、Ba2-3％、Ca0-3％、Si65-68％、余量为Fe。

有益效果

Si在球墨铸铁中对性能的影响较大，主要表现在Si可以代替Ni对基体的固溶强化作用，同时Si能细化石墨，提高石墨球的圆整度，而且球墨铸铁经过球化处理过的铁水有较大的结晶过冷和形成白口倾向，Si能够减少这种倾向，但是Si量控制过高，会促使大断面球铁中碎块状石墨的生成，降低低温冲击韧性，因此，本发明将Si的含量控制在2.0～2.5％；Mn具有严重的正偏析倾向，往往富集于共晶团晶界处，促使形成晶间碳化物，显著降低球墨铸铁的韧性，对厚大断面球铁来说，Mn的偏析倾向更严重，同时Mn含量的提高，基体中的珠光体含量提高，所以提高强度指标的同时，降低韧性，因此对高韧性球墨铸铁中Mn含量控制应更严格，在原材料可能的情况下Mn越低越好，对于厚大铸件，Mn的控制上限为0.35％；P在球墨铸铁中有严重的偏析倾向，易在晶界处形成磷共晶，严重降低球墨铸铁的韧性，特别是低温冲击韧性，P还增大球墨铸铁的缩松倾向，因此，应将P控制在0.05％以下；S在球墨铸铁中与球化元素有很强的化合能力，生成硫化物和硫氧化物，不仅消耗球化剂，造成球化不稳定，而且还使夹杂物数量增多，球化衰退速度加快，因此，本发明将S最终控制在0.02％以下；Ti是反球化元素，会造成石墨畸变，降低球化率，所以必须加以严格控制，因此，本发明中Ti的含量控制在小于0.05％。由于本发明对上述元素的含量进行了合理的限定，使得采用本发明球铁的铸件具有更好的低温冲击韧性，可满足对-20℃至-40℃的低温冲击性能有特殊要求的大断面球铁铸件的要求。

在本发明的生产方法生产厚大断面球铁件时，为了提高抗衰退能力，在球化剂中加入一定比例的重稀土，这样既可以保证起球化作用的Mg的含量，同时也可以增加具有较高抗衰退能力的重稀土元素，其中Y的球化能力仅次于Mg，但其抗衰退能力比Mg强的多，且不回硫，Y可过量加入，高碳孕育良好时，不会出现渗碳体。另外，Y与P可形成高熔点夹杂物，使磷共晶减少并弥散，从而进一步提高球铁的延伸率。因此本发明在球化过程中采用的球化剂为钇基重稀土球化剂和轻稀土-镁球化剂的复合球化剂，使得本发明的球化效果较现有技术有很大的提高，球化率可稳定达到90—95％；孕育处理是耐低温冲击大断面铸态球铁生产的关键，为了保证孕育效果，本发明采用了炉前一次孕育——出铁槽二次孕育——瞬时三次孕育的三级孕育工艺，并采用特殊的孕育剂，有效地防止了孕育衰退，使石墨球的直径、石墨球数和石墨球的园整度等指标均超出现有技术生产的球铁。

由于采用了钇基重稀土球化剂和轻稀土-镁球化剂的复合球化剂和三级孕育工艺使得本发明的工艺稳定性得到大大提高，同时材料性能有较大的提高，采用本发明方法生产的耐低温冲击大断面铸态球铁铸成的铸件不经热处理，在满足常温机械性能的前提下，低温冲击性能可以稳定地超过标准要求20％以上，常温延伸率可以超出标准1倍以上。表1是采用本发明方法生产的耐低温冲击大断面铸态球铁铸件的机械性能与GJS400-18-LT牌号的机械性能对照表，表2是采用本发明方法生产的耐低温冲击大断面铸态球铁铸件的机械性能与GJS350-22-LT牌号的机械性能对照表(表中的试样检验数据分别来自沈阳铸造研究所和大连重工集团检测中心)

表1

	σ_b(MPa)	σ_0.2(MPa)	δ(％)	HB	-20℃冲击(J)(三个平均)	-20℃冲击(J)(最低)	球化率(％)	UT探伤
	σ_b(MPa)	σ_0.2(MPa)	δ(％)	HB	-20℃冲击(J)(三个平均)	-20℃冲击(J)(最低)	球化率(％)	UT探伤	标准值	370	220	12	130～180	10	7	90	3级
试样1	380	245	24	145	13.7	13	90	合格	标准值	370	220	12	130～180	10	7	90	3级
试样1	380	245	24	145	13.7	13	90	合格	试样2	385	285	24.5	148	14.5	13	90～95	合格

表2

	σ_b(MPa)	σ_0.2(MPa)	δ(％)	HB	-40℃冲击(J)(三个平均)	-40℃冲击(J)(最低)	球化率(％)	UT探伤
	σ_b(MPa)	σ_0.2(MPa)	δ(％)	HB	-40℃冲击(J)(三个平均)	-40℃冲击(J)(最低)	球化率(％)	UT探伤	标准值	320	200	15	130～180	10	7	90	3级
试样1	370	240	26	145	13.5	12.5	90	合格	标准值	320	200	15	130～180	10	7	90	3级
试样1	370	240	26	145	13.5	12.5	90	合格	试样2	375	255	26.5	148	14.3	13.6	90～95	合格

具体实施方式

实施例1

生产的耐-20℃的低温冲击大断面铸态球铁，该球铁成分中不含Ni，其化学成分为：C 3.6％、Si 2.0％、Mn 0.35％、S 0.02％、P 0.05％、Ti0.05％、Mg 0.04％、Re 0.02％、余量为Fe。

耐-20℃的低温冲击大断面铸态球铁的生产方法：

对炉中熔化的铁水进行调温、调质，使其化学成分达到：C 3.7％、Si 0.8％、Mn 0.38％、S 0.035％、P 0.05％、Ti 0.05％、余量为Fe；

先将处理包预热至500℃，清除包底残渣铁块，向堤坝或凹坑内装入球化剂，平底包可放入一侧，上面覆盖孕育剂，其粒度等于或小于球化剂，然后再覆盖无锈铁屑或草灰、苏打、珍珠岩集渣剂等，将铁水温度控制在1380～1430℃间，采用冲入法进行球化处理，同时进行炉前一次孕育，球化剂加入总量为处理铁水重量的1.4％，一次孕育剂添加比例为处理铁水重量的0.4％；

待倒入处理包的铁水达到铁水总量的2/3时，从出铁槽将二次孕育剂冲入处理包内，进行出铁槽二次孕育，孕育剂的加入量为处理铁水重量的0.4％，直至全部铁水倒入处理包，完成出铁槽二次孕育；

将经球化、二次孕育处理后的熔融铁水在1320～1360℃温度条件下浇注到树脂砂铸型中，在浇注过程中在水口箱中加入瞬时孕育剂，进行瞬时三次孕育，瞬时孕育剂的加入量为处理铁水重量的0.2％；

所述球化剂为钇基重稀土球化剂和轻稀土-镁球化剂的复合球化剂，复合球化剂中钇基重稀土球化剂的加入量为处理铁水重量的0.8％，轻稀土-镁球化剂的加入量为处理铁水重量0.6％。

钇基重稀土球化剂化学成分为Mg7-8％、YRE0.5-2.0％、Ba2-3％、Ca2-3％、Si41-43％、余量为Fe；轻稀土-镁球化剂化学成分为Mg7-8％、CeRE1-2％、Ba2-3％、Ca2-3％、Si41-43％、余量为Fe。

炉前一次孕育和出铁槽二次孕育过程中所用的孕育剂化学成分为Ba4-6％、Ca1-2％、Si66-69％、余量为Fe。

在瞬时三次孕育过程中所用的瞬时孕育剂化学成分为CeRE1-2％、Ba2-3％、Ca0-3％、Si65-68％、余量为Fe。

实施例2

生产的耐-40℃的低温冲击大断面铸态球铁，该球铁成分中不含Ni，其化学成分为：C 3.8％、Si 2.5％、Mn 0.35％、S 0.02％、P 0.05％、Ti0.05％、Mg 0.06％、Re 0.03％、余量为Fe。

耐-40℃的低温冲击大断面铸态球铁的生产方法：

对炉中融化的铁水进行调温、调质，使其化学成分达到：C 3.9％、Si 1.2％、Mn0.38％、S≤0.035％、P≤0.05％、Ti≤0.05％、余量为Fe；

先将处理包预热至500℃，清除包底残渣铁块，向堤坝或凹坑内装入球化剂，平底包可放入一侧。上面覆盖孕育剂，其粒度等于或小于球化剂，然后再覆盖无锈铁屑或草灰、苏打、珍珠岩集渣剂等。将铁水温度控制在1380～1430℃间，采用冲入法进行球化处理，同时进行炉前一次孕育，球化剂加入总量为处理铁水重量的1.6％，一次孕育剂的加入量为处理铁水重量的0.5％；

待倒入处理包的铁水达到铁水总量的2/3时，从出铁槽将二次孕育剂冲入处理包内，进行出铁槽二次孕育，孕育剂的加入量为处理铁水重量的0.5％，直至全部铁水倒入处理包，完成出铁槽二次孕育；

所述球化剂为钇基重稀土球化剂和轻稀土-镁球化剂的复合球化剂，复合球化剂中钇基重稀土球化剂的加入量为处理铁水重量的0.9％，轻稀土-镁球化剂的加入量为处理铁水重量0.7％。

钇基重稀土球化剂化学成分为Mg7-8％、YRE0.5-2.0％、Ba2-3％、Ca2-3％、Si41-43％、余量为Fe；轻稀土-镁球化剂化学成分为Mg7-8％、CeRE1-2％、Ba2-3％、Ca2-3％、Si41-43％、余量为Fe；炉前一次孕育和出铁槽二次孕育过程中所用的孕育剂化学成分为Ba4-6％、Ca1-2％、Si66-69％、余量为Fe。在瞬时三次孕育过程中所用的瞬时孕育剂化学成分为CeRE1-2％、Ba2-3％、Ca0-3％、Si65-68％、余量为Fe。

本发明中各化学成分的百分比均为重量比。

本发明生产的耐低温冲击大断面铸态球铁铸成的铸件可用于1.5MW风电机组轮毂、机舱底座等大断面、工作环境恶劣、对低温冲击性能有特殊要求的大型铸件。

Claims

1.一种耐低温冲击大断面铸态球铁，该球铁成分中不含Ni，其特征是：所述耐低温冲击大断面铸态球铁的化学成分为：C 3.6～3.8％、Si 2.0～2.5％、Mn≤0.350％、S≤0.02％、P≤0.05％、Ti≤0.05％、Mg 0.04～0.06％、Re 0.02～0.03％、余量为Fe。

2.根据权利要求1所述的耐低温冲击大断面铸态球铁的生产方法，其特征是：所述耐低温冲击大断面铸态球铁是按照如下工艺生产的：

采用冲入法进行球化处理，同时进行炉前一次孕育，球化处理的温度为1380～1430℃，球化剂加入总量为铁水重量的1.4～1.6％，孕育的加入量为处理铁水重量的0.4～0.5％；

待冲入的铁水达到铁水总量的2/3时，进行出铁槽二次孕育，孕育剂添加比例为处理铁水重量的0.4～0.5％，直至全部铁水冲入完毕，完成出铁槽二次孕育；

3.根据权利要求2所述的耐低温冲击大断面铸态球铁的生产方法，其特征是：所述球化剂为钇基重稀土球化剂和轻稀土-镁球化剂的复合球化剂。

4.根据权利要求3所述的耐低温冲击大断面铸态球铁的生产方法，其特征是：所述复合球化剂中钇基重稀土球化剂的加入量为处理铁水重量的0.8～0.9％，轻稀土-镁球化剂的加入量为处理铁水重量0.6～0.7％。

5.根据权利要求3或4所述的耐低温冲击大断面铸态球铁的生产方法，其特征是：所述复合球化剂中钇基重稀土球化剂化学成分为Mg 7-8％、YRE 0.5-2.0％、Ba 2-3％、Ca 2-3％、Si 41-43％、余量为Fe；所述复合球化剂中轻稀土-镁球化剂化学成分为Mg 7-8％、CeRE 1-2％、Ba 2-3％、Ca 2-3％、Si 41-43％、余量为Fe。

6.根据权利要求2所述的耐低温冲击大断面铸态球铁的生产方法，其特征是：所述炉前一次孕育和出铁槽二次孕育过程中所用的孕育剂化学成分为Ba 4-6％、Ca 1-2％、Si 66-69％、余量为Fe。

7.根据权利要求2所述的耐低温冲击大断面铸态球铁的生产方法，其特征是：所述瞬时三次孕育过程中所用的瞬时孕育剂化学成分为CeRE 1-2％、Ba 2-3％、Ca 0-3％、Si 65-68％、余量为Fe。

8.根据权利要求5所述的耐低温冲击大断面铸态球铁的生产方法，其特征是：所述炉前一次孕育和出铁槽二次孕育过程中所用的孕育剂化学成分为Ba 4-6％、Ca 1-2％、Si 66-69％、余量为Fe。

9.根据权利要求5所述的耐低温冲击大断面铸态球铁的生产方法，其特征是：所述瞬时三次孕育过程中所用的瞬时孕育剂化学成分为CeRE 1-2％、Ba 2-3％、Ca 0-3％、Si 65-68％、余量为Fe。