CN101580914B - Mn系无磁球墨铸铁材料 - Google Patents
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Abstract
Mn系无磁球墨铸铁材料，属于铸铁材料领域，主要解决普通无磁合金材料成本高或者机械性能较差的问题，该材料的各组分及其重量百分比为：碳：3.3％-3.8％，硅：4.0％-5.0％，锰：8.0％-9.5％，稀土：0.01％-0.05％，镁：0.01％-0.05％，铜：1.5％-3.0％，铝：0.5％-1.5％，其余为铁。Mn系无磁球墨铸铁材料通过原材料配制、材料的熔炼、材料的球化处理及孕育与变质处理，然后浇注制得。该材料保留球墨铸铁的优良性能，把高导磁率的球墨铸铁转化成无磁性材料，在防磁、隔磁的电力设备结构类受力较大的部件中，能有效替代铝、铜及其合金节约生产成本。
Description
技术领域
本发明涉及铸铁材料领域，具体涉及一种Mn系无磁球墨铸铁材料。
背景技术
目前，在大型的发电机组、感应电炉、变压器、电力输送等设备中都设有防磁、隔磁结构的零件，如果这些零件磁导率高，就会在零件内部产生很大的涡流，使零件温度升高而损坏，因此这些零件需要选用磁导率比较低的金属材料制得，一般要求相对磁导率小于3.5h/m，所以很多生产中使用低磁导率的金属材料如铝、铜等有色金属及其合金，这些有色金属及合金力学性能低，而且其资源少，价格高，导致产品成本较高。因此，国内有很多关于无磁材料的研究，在国内使用的防磁材料锰系无磁铸铁合金材料，虽然它使用的原始材料比较普遍，成本比较低，但是属于普通灰口铸铁范畴，抗拉强度只有150MPa-180MPa，只能作为防磁、隔磁受力条件较小的零件上，在受力较大的大型发电机组的无磁性护环，中频或高频电炉外壳与支撑框架等设备中应用受到限制。
发明内容
针对现有锰系无磁铸铁合金材料等其他防磁材料的诸多不足之处，本发明提供了一种新型的Mn系无磁球墨铸铁材料，该材料的金相组织为：球状石墨+奥氏体+渗碳体(3％-5％)，机械性能为抗拉强度达到350MPa-500MPa，延伸率1％-2％，冲击值15J/cm2-30J/cm2，布氏硬度260HB-290HB，物理性能为导磁率达到＜2h/m，电阻率0.8μΩm-1.2μΩm，有效满足防磁构件的磁导率需要，而且抗拉强度比较高，适于受力较大的大型发电机组的无磁性护环，中频或高频电炉外壳与支撑框架等设备中应用。
本发明采用的具体技术方案是：Mn系无磁球墨铸铁材料，其特征是：各组分及其重量百分比为：碳：3.3％-3.8％，硅：4.0％-5.0％，锰：8.0％-9.5％，稀土：0.01％-0.05％，镁：0.01％-0.05％，铜：1.5％-3.0％，铝：0.5％-1.5％，其余为铁。
Mn系无磁球墨铸铁材料的主要原料是：原生铁、废钢、锰铁、硅铁、铜、铝、稀土镁球化剂等。
所述的Mn系无磁球墨铸铁材料通过原材料配制、材料的熔炼、材料的球化处理及孕育与变质处理，然后浇注制得。
原材料配制：材料的配比最好根据硅和锰的比例来确定锰与硅的含量，当Mn的含量为8％-9.5％时，Si/Mn＝0.48-0.58，也可以在规定的范围内添加锰和硅的含量。该步骤中控制Si的含量在3.2％-4.0％范围内，以保证后续步骤中添加其他含硅材料时不会使硅超标，使用的原材料主要有：原生铁、废钢、锰铁、硅铁、铜、铝、稀土镁球化剂等。
材料的熔炼：根据上一步骤的材料配比，将这些材料在冲天炉或电炉中进行熔炼，出炉温度控制在1450℃-1550℃范围内，完成材料的合金化过程，达到混合基体(铁素体、珠光体、渗碳体)转变成奥氏体基体的条件。
铁碳合金的磁性与金相组织状态有关，Mn系无磁球墨铸铁材料的合金化处理过程，原理就是在铸铁的金相组织中获得奥氏体型的金属基体，从而得到磁导率很低的无磁铸铁；为了使铸铁在常温下得到奥氏体基体，须在铸铁中加入一定量的扩大奥氏体区、稳定奥氏体的合金元素；通过锰的合金化处理技术，扩大了奥氏体区并稳定了奥氏体，结晶条件发生了改变，把高导磁率的铁素体、珠光体、渗碳体的混合基体组织转变成无磁的奥氏体基体，并使奥氏体金属基体保持到室温，从而得到锰系无磁铸铁材料。
材料的球化处理：对合金化的金属液体进行球化处理，采用7-8稀土镁球化剂(FeSiMg8RE7)，加入量为0.5％-0.7％(普通球墨铸铁球化剂的二分之一或三分之一)，完成基体中石墨形态从片状到球状的转变。
球化处理技术是为了大幅度提高该材料的力学和物理性能，采用7-8稀土镁球化剂(FeSiMg8RE7)进行球化处理，进行灰口铸铁与球墨铸铁的转化处理；锰系无磁球墨铸铁中的石墨呈球状，与片状石墨相比，球状石墨对金属的切口作用大为减少，基本上消除了因石墨而引起的应力集中现象，使得金属基体的强度利用率达到70％-90％，基体的塑性和韧性也得到了一定的发挥，锰系无磁球墨铸铁的强度基本上接近钢材(抗拉强度350MPa-500MPa)。
孕育与变质处理：对球化的金属液体进行孕育与变质处理，采用硅铁(75FeSi)进行孕育处理，加入量在1.5％-1.8％，达到控制渗碳体的数量和形态目的；变质剂采用Cu和Al，加入量分别在Cu1.5％-3.0％，Al0.5％-1.5％范围内，改善和消除Mn的偏析与渗碳体的数量与形态。
锰元素合金化可以得到奥氏体金属基体，7-8稀土镁球化剂(FeSiMg8RE7)的球化处理可以得到球状石墨铸铁材料，但同时多会产生大量渗碳体，渗碳体不仅影响磁导率，而且大大降低了铸铁的力学性能和工艺性能。因此，以锰为主要元素制备无磁铸铁时，还必须进行有效的孕育与变质处理，才能使锰系无磁铸铁得到完善，达到实用的标准。为了克服锰系无磁铸铁中锰的不利影响，除了采用硅铁(75FeSi)孕育以外，还需要加入Cu、Al等变质元素，可以稳定奥氏体、促进石墨化、降低碳化物的数量、保证低的磁导率、提高力学性能、改善加工工艺性能起到了良好的作用。
浇注：浇注以后，须控制在850℃-950℃开箱空冷，避免索氏体或针状组织的产生，确保铸件与试样常温下获得奥氏体基体。
所述的Mn系无磁球墨铸铁材料的机械性能为抗拉强度350MPa-500MPa，延伸率1％-2％，冲击值15J/cm2-30J/cm2，布氏硬度260HB-290HB；物理性能为导磁率达到＜2h/m，电阻率0.8μΩm-1.2μΩm。
本发明的有益效果是：Mn系无磁球墨铸铁材料立足于我国资源特点，以锰为主要合金元素，通过合金化处理、球化处理及孕育与变质处理技术，保留球墨铸铁的优良性能，把高导磁率的球墨铸铁转化成无磁性材料，在防磁、隔磁的电力设备结构类受力较大的部件中，能有效替代铝、铜及其合金节约生产成本。
具体实施方式
实施例1：
原材料配制：使用的原材料主要有：原生铁、废钢、锰铁、硅铁、铜、铝、稀土镁球化剂等；该步骤选择的配料的组分及其重量百分比为Mn8.1％，Si3.2％，C3.3％，其余为铁。
材料的熔炼：根据上一步骤的材料配比，将这些材料在冲天炉或电炉中进行熔炼，其液态金属中硅的含量为3.2％，前期硅含量较少，以保证后续工艺中添加的含硅材料不会超量。出炉温度控制在1450℃，完成材料的合金化过程，达到混合基体(铁素体、珠光体、渗碳体)转变成奥氏体基体的条件。
材料的球化处理：对合金化的金属液体进行球化处理，采用7-8稀土镁球化剂(FeSiMg8RE7)，加入量为0.5％，完成基体中石墨形态从片状到球状的转变。
孕育与变质处理：对球化的金属液体进行孕育与变质处理，采用硅铁(75FeSi)进行孕育处理，加入量在1.8％，达到控制渗碳体的数量和形态目的；变质剂采用Cu和Al，加入量分别在Cu1.5％，Al0.6％，改善和消除Mn的偏析与渗碳体的数量与形态。
浇注：浇注以后，控制在850℃开箱空冷，避免索氏体或针状组织的产生，确保铸件与试样常温下获得奥氏体基体。
Mn系无磁球墨铸铁材料的机械性能为抗拉强度355MPa，延伸率1.15％，冲击值15.2J/cm2，布氏硬度290HB；物理性能为导磁率达到1.9h/m，电阻率1.2μΩm。
实施例2：
原材料配制：使用的原材料主要有：原生铁、废钢、锰铁、硅铁、铜、铝、稀土镁球化剂等；该步骤选择的配料的组分及其重量百分比为Mn8.3％，Si3.3％，C3.4％，其余为铁。
材料的熔炼：根据上一步骤的材料配比，将这些材料在冲天炉或电炉中进行熔炼，其液态金属中硅的含量为3.3％，前期硅含量较少，以保证后续工艺中添加的含硅材料不会超量。出炉温度控制在1450℃，完成材料的合金化过程，达到混合基体(铁素体、珠光体、渗碳体)转变成奥氏体基体的条件。
材料的球化处理：对合金化的金属液体进行球化处理，采用7-8稀土镁球化剂(FeSiMg8RE7)，加入量为0.5％，完成基体中石墨形态从片状到球状的转变。
孕育与变质处理：对球化的金属液体进行孕育与变质处理，采用硅铁(75FeSi)进行孕育处理，加入量在1.8％，达到控制渗碳体的数量和形态目的；变质剂采用Cu和Al，加入量分别在Cu1.8％，Al0.7％，改善和消除Mn的偏析与渗碳体的数量与形态。
浇注：浇注以后，控制在850℃开箱空冷，避免索氏体或针状组织的产生，确保铸件与试样常温下获得奥氏体基体。
Mn系无磁球墨铸铁材料的机械性能为抗拉强度365MPa，延伸率1.2％，冲击值18.4J/cm2，布氏硬度286HB；物理性能为导磁率达到1.5h/m，电阻率1.05μΩm。
实施例3：
原材料配制：使用的原材料主要有：原生铁、废钢、锰铁、硅铁、铜、铝、稀土镁球化剂等；该步骤选择的配料的组分及其重量百分比为Mn8.6％，Si3.4％，C3.5％，其余为铁。
材料的熔炼：根据上一步骤的材料配比，将这些材料在冲天炉或电炉中进行熔炼，其液态金属中硅的含量为3.4％，前期硅含量较少，以保证后续工艺中添加的含硅材料不会超量。出炉温度控制在1500℃，完成材料的合金化过程，达到混合基体(铁素体、珠光体、渗碳体)转变成奥氏体基体的条件。
材料的球化处理：对合金化的金属液体进行球化处理，采用7-8稀土镁球化剂(FeSiMg8RE7)，加入量为0.6％，完成基体中石墨形态从片状到球状的转变。
孕育与变质处理：对球化的金属液体进行孕育与变质处理，采用硅铁(75FeSi)进行孕育处理，加入量在1.7％，达到控制渗碳体的数量和形态目的；变质剂采用Cu和Al，加入量分别在Cu2.2％，Al0.9％，改善和消除Mn的偏析与渗碳体的数量与形态。
浇注：浇注以后，控制在900℃开箱空冷，避免索氏体或针状组织的产生，确保铸件与试样常温下获得奥氏体基体。
Mn系无磁球墨铸铁材料的机械性能为抗拉强度385MPa，延伸率1.35％，冲击值22.5J/cm2，布氏硬度279HB；物理性能为导磁率达到1.3h/m，电阻率1.15μΩm。
实施例4：
原材料配制：使用的原材料主要有：原生铁、废钢、锰铁、硅铁、铜、铝、稀土镁球化剂等；该步骤选择的配料的组分及其重量百分比为Mn8.9％，Si3.6％，C3.6％，其余为铁。
材料的熔炼：根据上一步骤的材料配比，将这些材料在冲天炉或电炉中进行熔炼，其液态金属中硅的含量为3.6％，前期硅含量较少，以保证后续工艺中添加的含硅材料不会超量。出炉温度控制在1500℃，完成材料的合金化过程，达到混合基体(铁素体、珠光体、渗碳体)转变成奥氏体基体的条件。
材料的球化处理：对合金化的金属液体进行球化处理，采用7-8稀土镁球化剂(FeSiMg8RE7)，加入量为0.6％，完成基体中石墨形态从片状到球状的转变。
孕育与变质处理：对球化的金属液体进行孕育与变质处理，采用硅铁(75FeSi)进行孕育处理，加入量在1.6％，达到控制渗碳体的数量和形态目的；变质剂采用Cu和Al，加入量分别在Cu2.4％，Al1.2％，改善和消除Mn的偏析与渗碳体的数量与形态。
浇注：浇注以后，须控制在900℃开箱空冷，避免索氏体或针状组织的产生，确保铸件与试样常温下获得奥氏体基体。
Mn系无磁球墨铸铁材料的机械性能为抗拉强度405MPa，延伸率1.65％，冲击值24.2J/cm2，布氏硬度271HB；物理性能为导磁率达到1.0h/m，电阻率0.89μΩm。
实施例5：
原材料配制：使用的原材料主要有：原生铁、废钢、锰铁、硅铁、铜、铝、稀土镁球化剂等；该步骤选择的配料的组分及其重量百分比为Mn9.2％，Si3.8％，C3.7％，其余为铁。
材料的熔炼：根据上一步骤的材料配比，将这些材料在冲天炉或电炉中进行熔炼，其液态金属中硅的含量为3.8％，前期硅含量较少，以保证后续工艺中添加的含硅材料不会超量。出炉温度控制在1550℃，完成材料的合金化过程，达到混合基体(铁素体、珠光体、渗碳体)转变成奥氏体基体的条件。
材料的球化处理：对合金化的金属液体进行球化处理，采用7-8稀土镁球化剂(FeSiMg8RE7)，加入量为0.7％，完成基体中石墨形态从片状到球状的转变。
孕育与变质处理：对球化的金属液体进行孕育与变质处理，采用硅铁(75FeSi)进行孕育处理，加入量在1.6％，达到控制渗碳体的数量和形态目的；变质剂采用Cu和Al，加入量分别在Cu2.6％，Al1.3％，改善和消除Mn的偏析与渗碳体的数量与形态。
浇注：浇注以后，须控制在950℃开箱空冷，避免索氏体或针状组织的产生，确保铸件与试样常温下获得奥氏体基体。
Mn系无磁球墨铸铁材料的机械性能为抗拉强度425MPa，延伸率1.75％，冲击值28.1J/cm2，布氏硬度262HB；物理性能为导磁率达到0.8h/m，电阻率0.85μΩm。
实施例6：
原材料配制：使用的原材料主要有：原生铁、废钢、锰铁、硅铁、铜、铝、稀土镁球化剂等；该步骤选择的配料的组分及其重量百分比为Mn9.5％，Si4.0％，C3.8％，其余为铁。
材料的熔炼：根据上一步骤的材料配比，将这些材料在冲天炉或电炉中进行熔炼，其液态金属中硅的含量为4.0％，前期硅含量较少，以保证后续工艺中添加的含硅材料不会超量。出炉温度控制在1550℃，完成材料的合金化过程，达到混合基体(铁素体、珠光体、渗碳体)转变成奥氏体基体的条件。
材料的球化处理：对合金化的金属液体进行球化处理，采用7-8稀土镁球化剂(FeSiMg8RE7)，加入量为0.7％，完成基体中石墨形态从片状到球状的转变。
孕育与变质处理：对球化的金属液体进行孕育与变质处理，采用硅铁(75FeSi)进行孕育处理，加入量在1.5％，达到控制渗碳体的数量和形态目的；变质剂采用Cu和Al，加入量分别在Cu3.0％，Al1.5％，改善和消除Mn的偏析与渗碳体的数量与形态。
浇注：浇注以后，须控制在950℃开箱空冷，避免索氏体或针状组织的产生，确保铸件与试样常温下获得奥氏体基体。
Mn系无磁球墨铸铁材料的机械性能为抗拉强度500MPa，延伸率1.98％，冲击值30J/cm2，布氏硬度260HB；物理性能为导磁率达到0.5h/m，电阻率0.8μΩm。
Claims (3)
1.Mn系无磁球墨铸铁材料，其特征是：各组分及其重量百分比为：碳：3.3％-3.8％，硅：4.0％-5.0％，锰：8.0％-9.5％，稀土：0.01％-0.05％，镁：0.01％-0.05％，铜：1.5％-3.0％，铝：0.5％-1.5％，其余为铁。
2.根据权利要求1所述的Mn系无磁球墨铸铁材料，其特征是：所述的Mn系无磁球墨铸铁材料通过原材料配制、材料的熔炼、材料的球化处理及孕育与变质处理，然后浇注制得。
3.根据权利要求1所述的Mn系无磁球墨铸铁材料，其特征是：所述的Mn系无磁球墨铸铁材料的机械性能为抗拉强度350MPa-500MPa，延伸率1％-2％，冲击值15J/cm2-30J/cm2，布氏硬度260HB-290HB；物理性能为导磁率达到＜2h/m，电阻率0.8μΩm-1.2μΩm。
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