CN102071376B - 一种耐热蠕墨铸铁材料及制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种耐热蠕墨铸铁材料及制备方法，该材料具有良好的性能。该制备方法工艺简单，生产成本低，适于工业化生产。该材料以蠕墨铸铁为基体，在基体中分布着由铁丝形成的金属丝团，所用铁丝直径为1-2mm，金属丝团的直径为10-15cm，铁丝占材料的体积百分比为5-40%。

Description

一种耐热蠕墨铸铁材料及制备方法

技术领域

     本发明属于金属材料领域，涉及一种耐热蠕墨铸铁材料及其制备方法。

背景技术

在金属材料领域中, 耐热铸铁作为低成本耐热材料一直受到普遍重视。

CN201010128379.6号申请公开一种合金蠕墨铸铁材料，其以重量百分比计，其化学组成为：碳：3.1-3.6％，硅：2.1-2.85％，锰：0.91-1.25％，镍：1.05-1.45％，钼：0.10-0.25％，钛：0.10-0.20％，镁：0.01-0.04％，磷：＜0.05％，硫：＜0.07％，余为铁。 

CN200810139616.1号申请公开一种焦炉护炉铁件专用高性能蠕墨铸铁，属于蠕墨铸铁铸造领域。化学组成为(重量百分比)碳C 3.5～3.7％、硅Si 2.2～2.9％、锰Mn ≤0.2％、磷P ＜0.08％、硫S ＜0.04％、铬Cr 0.4～0.6％、钛Ti 0.2～0.3％。与现有蠕墨铸铁相比，蠕化率稳定在60％～80％之间。抗拉强度达到455.6-489MPa，延伸率达到3.46-3.88％，而当试样在240℃～690℃进行热循环时，产生最早裂纹的循环次数达到480-520次，明显优于普通蠕墨铸铁，是灰铸铁的两倍半，是普通蠕墨铸铁的1.5倍。

但是这些铸铁的韧性较差，因此也就影响了耐热性能的提高。

发明内容

本发明的目的就是针对上述技术缺陷，提供一种耐热蠕墨铸铁材料，该材料具有良好的性能。

本发明的另一目的是提供一种耐热蠕墨铸铁材料的制备方法，该制备方法工艺简单，生产成本低，适于工业化生产。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

一种耐热蠕墨铸铁材料，该材料以蠕墨铸铁为基体，在基体中分布着由铁丝形成的金属丝团，所用铁丝直径为1-2mm，金属丝团的直径为10-15cm，铁丝占材料的体积百分比为5-40%； 

蠕墨铸铁基体的化学成分的重量百分含量： C为3.2%～3.6%，Si为3.3%～3.5%, Mn为0.1-0.4%, Dy为0.4-0.7%, Gd为0.4-0.7%,P<0.03%, S <0.025%,其余为Fe。 

铁丝的化学成分的重量百分含量为：C为0.08-0.1%，Si为0.2%～0.3%, Mn为0.35-0.45%, P<0.02%, S <0.025%,其余为Fe。

所述基体中还分布有Ni3C、Ni3Si、Cr3Si和Cr23C6颗粒。

一种耐热蠕墨铸铁材料的制备方法，其特征在于：它包括以下步骤：

镀铬铁丝和镀镍铁丝的准备：取直径为1-2mm、成分重量百分含量：C为0.08-0.1%，Si为0.2%～0.3%, Mn为0.35-0.45%, P<0.02%, S <0.025%,其余为Fe的铁丝，控制铁丝占材料的体积百分比为5-40%；

按常规方法取一半铁丝表面镀铬，另一半铁丝表面镀镍；分别形成的镀铬铁丝和镀镍铁丝；镀层的厚度为100-500μm；形成的镀铬铁丝和镀镍铁丝的长度相当；

按清洁球生产的常规方法将上述镀铬铁丝和镀镍铁丝各取一根丝形成球状的混合双丝金属丝团，金属丝团直径为10-15cm，将若干金属丝团放入铸型下型型腔中，金属丝团的松紧程度由铁丝占材料的体积百分比决定，保证金属丝团正好放满铸型；布置完毕后，将铸型的上型盖于下型上，合箱完毕后等待铁水浇注；

蠕墨铸铁材料基体的准备：按重量百分含量：C为3.2%～3.6%，Si为3.3%～3.5%, Mn为0.1-0.4%, Dy为0.4-0.7%,Gd为0.4-0.7%,P<0.03%, S <0.025%,其余为Fe的蠕墨铸铁进行配料；其中部分Si、Dy和Fe以后续方式加入；蠕墨铸铁原料在感应电炉中熔化成铁水，浇注温度为1420-1460℃；浇注前，在浇包中依次加入铁水质量的0.6-0.8％的75硅铁孕育剂和0.4-0.6％的含Dy稀土蠕化剂，采用冲入法顺流冲入火包中，稀土蠕化剂中，按重量百分含量Dy为25%，硅为25%，其余为铁；蠕墨铸铁材料中其它的Dy量，采用含Dy50%镝铁补充；蠕墨铸铁材料中的Gd量，采用含Dy50%钆铁方式加入；

将上述蠕墨铸铁铁水浇入装有金属丝团的干砂铸型，液态铁水将镀铬铁丝和镀镍铁丝包围，然后冷却凝固，形成以蠕墨铸铁为基的其中分布有金属丝团的材料。

本发明相比现有技术的有益效果如下：

1、本发明材料中的铁丝自身具有相当的强度和较高的韧性。铁丝和蠕墨铸铁的基体都是铁。因此铁丝和蠕墨铸铁很容易结合起来，形成很好的冶金结合。这样，铁丝分布在脆性蠕墨铸铁中，对材料具有很好的增强增韧作用。

2、制备过程中，当铁水进入铸型型腔与铁丝接触，铁丝表面镀层中的Ni和Cr熔于铁水，铁水中的C 、Si和铁丝表面的Ni和Cr反应形成Ni3Si、Cr3Si、Ni3C和Cr23C6特殊化合物，促进铁水中的C以碳化物的形式析出，这些反应物比渗碳体硬度更高。形成的这种特殊化合物进一步提高了材料的耐热性。

3、材料中的Dy具有反石墨球化作用，对形成蠕墨有决定作用。另外对蠕墨铸铁的组织具有显著细化的作用，对于蠕墨铸铁的增韧有重要的作用。另外C和Dy也会形成化合物Dy3C，有助于材料耐热性的提高。Gd对蠕墨铸铁的组织具有显著细化的作用, C和Gd也会形成化合物Gd，有助于材料耐热性的提高。

4、本发明的材料不用贵重稀土元素，主要合金元素由铁丝带入，铁丝材料成本低，制备工艺简便，生产成本低，生产的合金材料性能好，而且非常便于工业化生产。适合用于制造许多耐热件，如机械制动盘等。

本发明的材料性能见表1。

附图说明

图1为本发明实施例一制得的耐热蠕墨铸铁材料的金相组织。

图1可以看到在蠕墨铸铁与铁丝结合良好。

具体实施方式

以下各实施例仅用作对本发明的解释说明，其中的重量百分比均可换成重量g、kg或其它重量单位。以下铁丝均为市购，镀层自制。

实施例一：

镀铬铁丝和镀镍铁丝的准备：

取直径为1mm、成分重量百分含量：C为0.08%，Si为0.2%, Mn为0.35%, P<0.02%, S <0.025%,其余为Fe的铁丝，控制铁丝占材料的体积百分比为5%。

按常规方法在一半铁丝表面镀铬，另一半铁丝表面镀镍；分别形成的镀铬铁丝和镀镍铁丝；镀层的厚度为100μm；两种镀层铁丝总体长度相当。

按清洁球生产的常规方法将上述镀铬铁丝和镀镍铁丝各取一根丝形成球状的混合双丝金属丝团（两根丝同时成型，形成双丝金属丝团，成型可按洗碗用的清洁球或称钢丝球的方法），金属丝团直径为15cm，将若干金属丝团放入铸型下型型腔中，金属丝团的松紧程度由铁丝占材料的体积百分比决定，保证金属丝团正好放满铸型；布置完毕后，将铸型的上型盖于下型上，合箱完毕后等待铁水浇注；

蠕墨铸铁材料基体的准备：按重量百分含量：C为3.2%，Si为3.3%, Mn为0.1%, Dy为0.4%, Gd为0.4%,P<0.03%, S <0.025%,其余为Fe的蠕墨铸铁进行配料；其中部分Si、Dy和Fe以后续方式加入；蠕墨铸铁原料在感应电炉中熔化成铁水，浇注温度为1435-1440℃；浇注前，在浇包中依次加入铁水质量的0.6％的75硅铁孕育剂和0.4％的含Dy稀土蠕化剂，采用冲入法顺流冲入火包中；稀土蠕化剂中，按重量百分含量Dy为25%，硅为25%，其余为铁；蠕墨铸铁材料中其它的Dy量，采用含Dy50%镝铁补充；蠕墨铸铁材料中的Gd量，采用含Dy50%R 钆铁方式加入；

将上述蠕墨铸铁铁水浇入装有金属丝团的干砂铸型，液态铁水将镀铬铁丝和镀镍铁丝包围，然后冷却凝固，形成以蠕墨铸铁为基的其中分布有金属丝团的材料。

实施例二：

蠕墨铸铁材料基体成分的重量百分含量：C为3.6%，Si为3.5%, Mn为0.4%, Dy为0.7%, Gd为0.7%,P<0.03%, S <0.025%,其余为Fe。 

铁丝成分的重量百分含量为：C为0.1%，Si为0.3%, Mn为0.45%, P<0.02%, S <0.025%,其余为Fe。铁丝直径为2mm。铁丝占材料的体积百分比为40%。

按常规方法取上述一半铁丝表面镀铬，另一半铁丝表面镀镍；分别形成镀铬铁丝和镀镍铁丝；镀镍和镀铬层的厚度为500μm。两种镀层铁丝总体长度相当。按清洁球生产的常规方法制作带镀层的两种金属丝混合的双丝金属丝团，金属丝团直径为10cm。

制备中，在浇包中依次加入占铁水质量的0.8％的75硅铁孕育剂和0.6％的含Dy稀土蠕化剂，其余制备过程同实施例一。

实施例三：

蠕墨铸铁材料基体成分的重量百分含量：C为3.4%，Si为3.4%, Mn为0.15%, Dy为0.5%, Gd为0.5%,P<0.03%, S <0.025%,其余为Fe。 

铁丝成分的重量百分含量为：C为0.09%，Si为0.25%, Mn为0.4%, P<0.02%, S <0.025%,其余为Fe。铁丝直径为1.5mm。铁丝占材料的体积百分比为20%。

按常规方法取上述一半铁丝表面镀铬，另一半铁丝表面镀镍；分别形成镀铬铁丝和镀镍铁丝；镀镍和镀铬层的厚度为200μm。两种镀层铁丝总体长度相当。按清洁球生产的常规方法制作带镀层的两种金属丝混合的双丝金属丝团，金属丝团直径为15cm。

制备中，在浇包中依次加入占铁水质量的0.7％的75硅铁孕育剂和0.5％的含Dy稀土蠕化剂，其余制备过程同实施例一。

对比实施例四：原料配比不在本发明范围内的实例

蠕墨铸铁材料基体成分的重量百分含量：C为3.1%，Si为3.1%, Mn为0.05%, Dy为0.3%, Gd为0.3%,P<0.03%, S <0.025%,其余为Fe。 

铁丝成分的重量百分含量为：C为0.07%，Si为0.1%, Mn为0.3%, P<0.02%, S <0.025%,其余为Fe。铁丝表面不镀铬和镍。铁丝直径为0.5mm。铁丝占材料的体积百分比为4%。按清洁球生产的常规方法制作双丝（二股铁丝）金属丝团，金属丝团直径为15cm。

制备中，在浇包中依次加入占铁水质量的0.7％的75硅铁孕育剂和0.5％的含Dy稀土蠕化剂，制备过程同实施例一。

对比实施例五：原料配比不在本发明范围内的实例

蠕墨铸铁材料基体成分的重量百分含量：C为39%，Si为3.9%, Mn为0.5%, Dy为0.9%, Gd为0.9%,P<0.03%, S <0.025%,其余为Fe。 

铁丝成分的重量百分含量为：C为0.2%，Si为0.4%, Mn为0.5%, P<0.02%, S <0.025%,其余为Fe。铁丝表面镀铬。铁丝直径为3mm。铁丝占材料的体积百分比为45%。

按常规方法取上述铁丝表面全部镀铬，形成的镀铬铁丝；镀铬层的厚度为600μm。按清洁球生产的常规方法制作双丝（两股镀铬铁丝）金属丝团，金属丝团直径为10cm。

制备中，在浇包中依次加入占铁水质量的0.7％的75硅铁孕育剂和0.5％的含Dy稀土蠕化剂，制备过程同实施例一。

表1

由上表可见，蠕墨铸铁和铁丝的化学成分中C、Si、 Mn增加，利于材料硬度的提高。但是过多，增加基体材料的脆性。P和S 增加，增加基体材料的脆性。

蠕墨铸铁中Dy和Gd的增加不仅利于硬度的提高，而且也有利于韧性提高。但是，过多导致Dy和Gd与C的化合物的增加，降低材料的韧性。

铁丝体积百分比的增加，利于材料韧性的提高。但是过多，降低了材料的硬度，因此也降低了材料的耐热性。

镀镍和镀铬层的厚度增加，利于铁水的合金化；但是过多，镍和铬不易在短时熔入铁水，造成元素的浪费。

Claims (1)

1.一种耐热蠕墨铸铁材料的制备方法，其特征在于：它包括以下步骤：

镀铬铁丝和镀镍铁丝的准备：取直径为1-2mm、成分重量百分含量：C为0.08-0.1%，Si为0.2%～0.3%, Mn为0.35-0.45%, P<0.02%, S <0.025%,其余为Fe的铁丝，控制铁丝占材料的体积百分比为5-40%；

按常规方法取一半铁丝表面镀铬，另一半铁丝表面镀镍；分别形成的镀铬铁丝和镀镍铁丝；镀层的厚度为100-500μm；形成的镀铬铁丝和镀镍铁丝的长度相当；

按清洁球生产的常规方法将上述镀铬铁丝和镀镍铁丝各取一根丝形成球状的混合双丝金属丝团，金属丝团直径为10-15cm，将若干金属丝团放入铸型下型型腔中，金属丝团的松紧程度由铁丝占材料的体积百分比决定，保证金属丝团正好放满铸型；布置完毕后，将铸型的上型盖于下型上，合箱完毕后等待铁水浇注；

蠕墨铸铁材料基体的准备：按重量百分含量：C为3.2%～3.6%，Si为3.3%～3.5%, Mn为0.1-0.4%, Dy为0.4-0.7%,Gd为0.4-0.7%,P<0.03%, S <0.025%,其余为Fe的蠕墨铸铁进行配料；其中部分Si、Dy和Fe以后续方式加入；蠕墨铸铁原料在感应电炉中熔化成铁水，浇注温度为1420-1460℃；浇注前，在浇包中依次加入铁水质量的0.6-0.8％的75硅铁孕育剂和0.4-0.6％的含Dy稀土蠕化剂，采用冲入法顺流冲入浇包中，稀土蠕化剂中，按重量百分含量Dy为25%，硅为25%，其余为铁；蠕墨铸铁材料中其它的Dy量，采用含Dy50%镝铁补充；蠕墨铸铁材料中的Gd量，采用含Gd50%钆铁方式加入；

将上述蠕墨铸铁铁水浇入装有金属丝团的干砂铸型，液态铁水将镀铬铁丝和镀镍铁丝包围，然后冷却凝固，形成以蠕墨铸铁为基的其中分布有金属丝团的材料。

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