CN102337452B

CN102337452B - 一种低合金耐热铸铁的制备方法

Info

Publication number: CN102337452B
Application number: CN 201110257989
Authority: CN
Inventors: 李慧中; 曾敏; 梁霄鹏; 李立; 宋阳
Original assignee: Central South University
Current assignee: Central South University
Priority date: 2011-11-09
Filing date: 2011-11-09
Publication date: 2012-12-12
Anticipated expiration: 2031-11-09
Also published as: CN102337452A

Abstract

一种低合金耐热铸铁，成分为：C：2.5～3.5％；Si：2.5～3.5％；Cr：0.1～1.0％；Mn＜1.0％；P＜0.3％；S＜0.1％；Al：1.8～4.0％；Sr：0.05～0.1％；余量为Fe。其制备方法是将废钢、铬铁、生铁、硅铁、纯铝、铝锶中间合金按目标产物中化学成分质量百分数比进行配料、熔炼，其中，纯铝提前放置于浇包底部，待铝块融化后加入铝锶中间合金，随流冲入75SiFe孕育剂，搅拌后扒渣、浇注；本发明采用低的铝含量配合以铝锶中间合金对铁水进行球化处理；高温下，促使铸铁表面形成保护膜层。本发明工艺方法简单、操作方便，生产成本低，综合机械性能良好，抗氧化性能高；适应各种需经受重复加热和冷却的应用过程，例如有色金属冶炼用坩埚、炉排等。适于工业化生产。

Description

一种低合金耐热铸铁的制备方法

技术领域

本发明涉及一种低合金耐热铸铁及其制备方法。属于耐热金属材料技术领域。

技术背景

耐热铸铁是指可以在高温下使用，其抗氧化或抗生长性能符合使用要求的铸铁。由于铸铁又具有优良的铸造性能和易加工性能、价格便宜、制造方便，因而被广泛用于制造有色金属冶炼用坩埚、玻璃模具、炉篦条、加热炉附件，如炉底板、换热器等等。按主要成分的差异，目前，耐热铸铁主要分为硅系耐热铸铁、铬系耐热铸铁、铝系耐热铸铁以及镍系耐热铸铁。

硅系耐热铸铁生产及使用的成本较低，综合性能和铸造性能较好，但是其最大的难题是其脆性比较大，相关统计表明，中硅耐热铸铁由于脆裂而造成的废品率高达20～50％，这直接导致其经济性能和使用性能受到很大的制约。国内外研究研究成果表明，过量的硅(高于3.3％)溶入铁素体会引起晶格的变形和扭曲，导致内应力过大从而产生所谓的硅脆现象。同时，硅脆往往还伴生着氢脆现象。硅脆和氢脆的交互作用是硅系耐热铸铁脆裂的实质。根据上述理论，要减少硅系耐热铸铁的脆性，就需要降低铸铁中的含硅量，然而，这又将损害铸铁的耐热性。铬系耐热铸铁具有很高的使用温度范围，但是铬的价格高昂，铬元素的大量加入也使得其成本很高。铝系耐热铸铁随着铝含量的增加，其耐热性能也相应升高，但是使用范围不大。这是因为铝系耐热铸铁没有满意的加工性能，具有最低的机械性能和很大的脆性。通常，上述系列的耐热铸铁需要很高的合金化程度，以保证其具有较好的抗氧化性能。但是这也相应带来了自然资源消耗大，生产成本高的问题。

耐热铸铁中所含的各合金元素及其含量对材料的铸造性能、使用性能和经济性具有重要影响。向铸铁中加入足够的铝、硅、铬等元素，使铸件表面形成一层致密的Al₂O₃、SiO₂、CrO₃等氧化膜，这些氧化膜不仅具有很好的热力学稳定性，而且氧化过程中离子在其中的扩散速度也是最慢的，所以能明显提高高温下铸铁材料的抗氧化能力，同时能够使铸铁的基体变为单相铁素体。此外，硅、铝可提高相变点，使其在工作温度下不发生固态相变，可减少由此而产生的体积变化和显微裂纹。铬可形成稳定的碳化物，提高铸铁的热稳定性。同时，一些研究结果认为，当铸铁中的铝含量较低时，其表面所形成的Al₂O₃膜层并不连续，表层氧化皮呈疏松状态，氧化速度仍然较大；当铝含量很低时，甚至会出现内氧化现象，因此低铝含量的铸铁其抗氧化性能不会有明显的提升。但是，从经济性的角度考虑，上述元素的加入量应当越少越好。所以必须综合考虑铝、硅、铬等元素加入量对铸铁的性能和经济成本的影响。

此外，石墨形态对抗氧化性能也很敏感。球化越好，抗氧化性也好。当石墨呈片状时，其在共晶团内相互联结，共晶团之间直接接触，氧直接进入基体内部。因球状石墨是孤立的，没有这样的通道，所以氧化生长率降低。蠕虫状石墨彼此间有金属薄层隔离，碳原子向外扩散及氧原子向内扩散需先经过薄层，氧化生长速度变慢。所以具有球状石墨组织的铸铁其抗氧化性能要好于具有层片状石墨结构的铸铁，而具有蠕虫状石墨的铸铁其抗氧化性能介于二者之间。

马占平等研究了低合金化的Cr-Al-Si系耐热铸铁的氧化行为(马占平，马永庆，关德林，刘莎.铝对耐热铸铁抗氧化性能的影响[J].机械工程材料，1994，18(4)：32-34.)，其研究的一种合金化程度低的耐热铸铁，其化学成分及其质量百分数比为：C：3.05％，Al：2.82％，Si：2.17％，Cr：0.62％，Mn：0.22％，S：0.09％，P：0.09％。该成分耐热铸铁中未含有锶(Sr)元素，抗氧化性能有待改善；上述组分配比的耐热铸铁900℃条件下，55h和150h(外推)平均氧化速率分别为22.367g/m2·h和21.110g/m²·h。

专利CN1213408A公布了两种灰口铁尤其是低硫灰口铁的孕育剂组分，它包括：稀土、锶(Sr)、钙(Ca)、铝(Al)、硅(Si)、铁(Fe)等，其中锶(Sr)含量分别仅为0.5～1.5％、0.7～1.0％，铝(Al)含量分别要求不大于2.0％和0.5％，并且该项发明专利中的耐热铸铁要求包含有稀土组分。总所周知，Sr元素的价格是比较高的，尤其是稀土元素更为昂贵，较多的添加上述组分必然导致铸铁成本的增加。另一方面来说，稀土元素是化学性质非常活泼的物质，很容易氧化失效，其储存和添加的难度都比较大，步骤繁琐，而且生产中在向高温铁水中添加时稀土元素很容易发生严重烧损使造成产品中该组分的实际含量不确定。

专利CN1030613A公布了一种蠕墨铸铁中球状、团状石墨的抑制剂及其使用方法。该专利抑制剂的组分是：60～75％的碳酸锶(SrCO₃)、15～30％的氯化锶(SrCl₂)、5～15％的氧化钙(CaO)，另外添加上述三种混合物总质量40～55％的水玻璃或25～40％的石蜡(以上均为质量百分比)。该专利抑制剂的用量为铁水质量的0.04～0.10％。该专利抑制剂处理后的铸铁中锶(Sr)的含量不高于0.044％；并且该专利抑制剂制备工序繁琐，需要多种原材料，不符合现代工业生产中短流程化制造的发展趋势，增加了生产中需要控制的因素，这也必然会增加工艺成本。同时，该专利抑制剂申明能使铁水中较强烈促进白口倾向的元素——稀土元素含量明显降低，对稀土——钙系蠕墨铸铁和稀土——钙——镁系蠕墨铸铁有较好的适应性，这表明该项发明专利技术的适用性受到较大限制，并不适合其它非稀土普通铸铁。

一种现有的常规铸铁材料，其含有的化学成分及质量百分数比为：C：2.6％；Si：2.8％；Cr：0.3％；Mn：0.6％；P：0.1％；S：0.02％；余量为Fe。该种常规铸铁材料的的合金化程度低，但是其耐热性能却并不理想，采用该种成分的铸铁浇注出的有色金属冶炼用坩埚往往因为高温氧化而逐渐减薄，进而发生开裂，导致坩埚报废，甚至有可能造成生产事故，通过实际生产验证，其使用寿命仅为15天左右。工厂中所使用的坩埚一般都具有较大的体积和质量，更换起来费时费力，并需要暂停生产，这严重影响了生产的效率，提高了生产的成本。所以，迫切需要开发一种经济性好，同时又具有良好抗氧化性能的耐热铸铁材料。

发明内容

本发明目的在于解决现有耐热铸铁的不足，而提供一种低合金化的耐热铸铁及其制备方法，以提高铸铁的抗氧化性能，并同时保证其具有很好的经济性即成本低的优势。

本发明一种低合金耐热铸铁，包括下述组分按质量百分数比组成：

C：2.5～3.5％；

Si：2.5～3.5％；

Cr：0.1～1.0％；

Al：1.8～4.0％；

Sr：0.05～0.1％；

Mn＜1.0％；

P＜0.3％；

S＜0.1％；余量为Fe。

本发明一种低合金耐热铸铁的制备方法，包括下述步骤：

第一步：将废钢、生铁等物料分别进行成分检测以确定其组分含量；

第二步：将已确定成分的废钢、生铁、铬铁、硅铁、锰铁等物料以及纯铝、铝锶中间合金按目标产物中的化学成分质量百分数比配料，：C：2.5～3.5％；Si：2.5～3.5％；Cr：0.1～1.0％；Mn：0.4％；P：0.1％；S：0.02％；Al：1.8～4.0％；Sr：0.05～0.1％；余量为Fe；其中，先根据Sr含量确定所需的铝锶中间合金质量，再相应计算出所需补充添加的纯铝的质量；

第三步：将废钢、铬铁和生铁混合由冲天炉投料口放入炉中加热熔化后，再加入硅铁、锰铁，铁水出炉温度为1440℃～1510℃；

第四步：将纯铝破碎至25Kg/块以下；将铝锶中间合金破碎至300g/块以下；然后将上述纯铝块和铝锶中间合金块在150～200℃条件下烘烤0.5～1.5h去除表面水汽；将纯铝置于浇包底部，然后加入铁水，待铝块融化后再加入块状铝锶中间合金，并随流加入75SiFe孕育剂，对浇包内溶液进行搅拌，使铝(Al)、锶(Sr)元素扩散均匀；随后进行扒渣，最后进行浇注。

本发明由于采用上述组分配比及制备方法，制备的耐热铸铁主要特点是具有很低的铬、硅以及铝含量，并添加铝锶中间合金进行多元合金化。以下就本发明低合金耐热铸铁材料所添加各种组分作用机理及其相应含量的具体限制范围(以下均为质量百分比)的原因进行说明：

(1)碳(C)：2.5～3.5％

碳是促进石墨化元素，适量增加碳含量可以强烈促进石墨化，有利于进一步球化；但是如果碳含量过高则会引起初生石墨增多，造成石墨漂浮，产生球化过大或者不均匀从而影响铸铁基体的组织及其性能。本发明低合金耐热铸铁选择将其成分中的碳含量限定在2.5～3.5％的范围内，可以很好的发挥其优点。

(2)硅(Si)：2.5～3.5％

硅是强烈促进石墨化的元素，也是影响球铁中铁素体量的主要元素。增加硅量，可减少甚至消除铸态组织中的碳化物；但铸铁中含硅量过高，则减少组织中珠光体的数量。另外，硅还可提高球铁的抗氧化性能和抗生长性能，铸铁中加入硅元素，能形成致密的SiO₂表面氧化膜，从而提高铸铁的击打表面抗氧化能力，使铸铁的几何尺寸较为稳定。但过高的硅会引起铸铁脆性增大，铸铁的冲击值明显下降。所以本发明低合金耐热铸铁成分中硅含量限制在2.5～3.5％的范围，这样可以发挥其优化铸铁抗氧化性能的作用，同时避免了增加铸件的脆性。

(3)锰(Mn)：1.0％或更少

锰是弱碳化物形成元素，在共析转变过程中，促进珠光体转变，稳定和细化珠光体。本发明为了控制铸态下自由渗碳体的数量和保证基体为珠光体，硅和锰的合理匹配很重要，确定的合适的锰含量为不大于1.0％。由于锰的价格较高，本发明低合金耐人铸铁仅添加少量的锰，这也有利于进一步降低成本。

(4)铬(Cr)：0.1～1.0％

铬是单一铁素体形成元素，并有利于石墨球化。铬能稳定碳化物，与硅相似，也能提高共析转变温度。铸铁中加入铬能促进珠光体的生成，提高铸铁的硬度。铬也能在铸铁表面形成致密的CrO₃氧化膜，提高耐热铸铁的抗氧化性能。铬同时还具有稳定并细化珠光体的作用。但是铬是缩小共晶温度区域元素，铬容易形成铁铬碳化物、促进白口。另一方面铬的价格非常昂贵，而且熔化较困难、收得率低，所以本发明低合金耐人铸铁中铬含量应控制在0.1％～1.0％的范围是比较合适的。

(5)磷(P)：0.3％或更少

磷易在晶界处析出磷共晶，显著地降低常温韧性。应严格控制炉料、合金材料和处理剂中的磷量。铁液中的含磷量应严格控制。当P含量高时，出现网状磷化物组织，这种组织脆性大且熔点低，分布在晶界上，降低铸铁塑性。磷化物易受外界高温影响，使体积增大或熔化，降低铸铁强度或促使铸铁生长和变形。所以，从理论上讲，一般希望能尽可能降低磷的含量。但是这又不得不顾及到工艺可行性和生产成本的问题，所以综合考虑本发明要求控制磷含量不大于0.3％。

(6)硫(S)：0.1％或更少

硫含量高时，易产生热裂，球化不良，此外，硫会与铸铁中的Al、Mn、Fe作用形成Al₂S₃、MnS和FeS夹杂物。所以，应严格控制炉.料和燃料的含硫量，铁液中的含硫量应尽可能少。本发明低合金铸铁中硫含量宜低于0.1％。

(7)铝(Al)：1.8～4.0％

铝能促进石墨化，有利于形成单一铁素体。铝含量为1～7％或18～26％时，有利于促进石墨化，在Al含量为8～18％范围内，则阻碍石墨化；当Al＞25％时，则产生Al₄C₃，组织。铝含量为20～24％的铸铁，处于第二个石墨化区，这对铸铁球化有利。同时，铝容易扩散到材料表面形成致密的Al₂O₃膜，可以阻碍铁原子向表面扩散，因此，含铝铸铁具有良好的抗氧化性和抗生长性。另外，铝还具有脱氧和细化晶粒的作用。虽然中大量添加铝元素能很好的提高铸铁的抗氧化性能，而这必然大幅度提高耐热铸铁的成本；一般来说，若仅向铸铁中添加极少的铝则起不到满意的抗氧效果。虽然本发明低合金耐热铸铁中铝含量为1.8～4.0％，这实际是非常低的范围，但是，由于本发明中适量添加了锶等组分的配合作用，所以仍能起到很好的抗氧化能力。

(8)锶(Sr)：0.05～0.1％

锶具有很强的石墨化能力和消除白口能力，而不增加共晶团的数量，因而有利于改善铸铁件中石墨的形态和分布状况。在本发明低合金耐热铸铁的组分中含有1.8～4.0％的铝、0.1～1.0％的铬和2.5～3.5％的硅，适量加入锶元素可以起到细化晶粒、阻碍碳化物生长的作用，同时还可以提高铸件产品的致密度，提高其使用性能。综合考虑，合理的锶含量为0.05～0.1％。

本发明充分利用铝和铝锶中间合金球化处理的配合作用，使铸铁中形成稳定的铁素体组织，提高了低铝合金化铸铁表面富铝保护膜层的致密度和强度，因而保护膜层不易破裂和剥落，从而减少了通过氧化膜层的扩散，使氧化速度降低；其次，向原成分铸铁中添加了少量的铝和微量锶，提高了铸铁的石墨化程度，并促进石墨由细长片状转变为细小球状，这样有效切断了氧在高温条件下向铸铁内部入侵的通道，减缓或阻止了铸铁内部组织的继续氧化。此外，由于低的铝含量和锶的配合作用，也细化了氧化皮的晶粒，提高了氧化皮的韧性，增强了氧化皮与基体的结合力，减少或消除了氧化层中的微孔洞，这些原因使氧化皮不易剥落，有效地降低了基体的继续氧化。在拥有相对于其它常规耐热铸铁非常低的铬、铝和硅等元素的含量、降低了铸铁成本的同时仍具有非常优异的抗氧化性能。相对于原有成分的铸铁材料，本发明低合金耐热铸铁仅增加了少量的铝(1.8～4.0％)和锶(0.05～0.1％)元素，成本仅提高不到5％，但是其抗氧化性能大幅度提高，而且不会损害铸铁原有的机械性能。

与现有技术相比，本发明低合金耐热铸铁主要具有以下优点：

1、合金化程度非常低的同时具有非常出色的抗氧化能力，高温使用性能良好。

2、成本较低，经济性好。不需要像现有常规耐热铸铁那样加入较多的合金元素，硅、铬、铝、锶、锰等组分添加量很少，尤其是价格高昂的铬加入量非常少。也没有使用稀土孕育剂。

3、生产工艺简便易行。所需原材料采购方便，由于添加的合金种类及数量较少，降低了生产制备的难度，生产的铸件可以不经退火等后续热处理步骤即可使用。

经实际生产验证，使用本发明优选的化学成分及其质量百分数比为：C：2.7％；Si：2.9％；Cr：0.3％；Mn：0.6％；P：0.1％；S：0.02％；Al：3.0％；Sr：0.075％；余量为Fe的新型低合金耐热铸铁铸造的坩埚等铸件可以在其使用条件下服役40～45天，比原有成分铸铁(不含铝和锶元素)坩埚使用寿命延长一倍以上。

综上所述，本发明工艺方法简单、操作方便，可以有效提高铸铁的高温抗氧化性能，并同时保证其具有很好的经济性即成本低的优势；可以适应各种需经受重复加热和冷却的应用过程，例如有色金属冶炼用坩埚、炉排、镀锌槽、台架等。适于工业化生产。

附图说明

图1(a)为原有的化学成分及质量百分数比为：C：2.6％；Si：2.8％；Cr：0.3％；Mn：0.6％；P：0.1％；S：0.02％；余量为Fe的铸铁氧化前的金相显微组织像。

图1(b)为原有的化学成分及质量百分数比为：C：2.6％；Si：2.8％；Cr：0.3％；Mn：0.6％；P：0.1％；S：0.02％；余量为Fe的铸铁氧化后的金相显微组织像。

图1(c)为原有的化学成分及质量百分数比为：C：2.6％；Si：2.8％；Cr：0.3％；Mn：0.6％；P：0.1％；S：0.02％；余量为Fe的铸铁氧化前后的宏观形貌像。

图2(a)为本发明提出的一种化学成分及质量百分数比为：C：3.5％；Si：3.5％；Cr：1.0％；Mn：0.4％；P：0.1％；S：0.02％；Al：4.0％；Sr：0.1％；余量为Fe。并采用铝锶中间合金球化处理的低合金耐热铸铁，氧化前的金相显微组织像。

图2(b)为本发明提出的一种化学成分及质量百分数比为：C：3.5％；Si：3.5％；Cr：1.0％；Mn：0.4％；P：0.1％；S：0.02％；Al：4.0％；Sr：0.1％；余量为Fe。并采用铝锶中间合金球化处理的低合金耐热铸铁，氧化后的金相显微组织像。

图2(c)为本发明提出的一种化学成分及质量百分数比为：C：3.5％；Si：3.5％；Cr：1.0％；Mn：0.4％；P：0.1％；S：0.02％；Al：4.0％；Sr：0.1％；余量为Fe。并采用铝锶中间合金球化处理的低合金耐热铸铁，氧化后的宏观形貌像。

图3(a)为本发明提出的一种化学成分及质量百分数比为：C：2.7％；Si：2.9％；Cr：0.3％；Mn：0.4％；P：0.1％；S：0.02％；Al：3.0％；Sr：0.075％；余量为Fe，并采用铝锶中间合金球化处理的低合金耐热铸铁，氧化前的金相显微组织像。

图3(b)为本发明提出的一种化学成分及质量百分数比为：C：2.7％；Si：2.9％；Cr：0.3％；Mn：0.4％；P：0.1％；S：0.02％；Al：3.0％；Sr：0.075％；余量为Fe，并采用铝锶中间合金球化处理的低合金耐热铸铁，氧化后的金相显微组织像。

图3(c)为本发明提出的一种化学成分及质量百分数比为：C：2.7％；Si：2.9％；Cr：0.3％；Mn：0.4％；P：0.1％；S：0.02％；Al：3.0％；Sr：0.075％；余量为Fe，并采用铝锶中间合金球化处理的低合金耐热铸铁，氧化后的宏观形貌像。

图4(a)为本发明提出的一种化学成分及质量百分数比为：C：2.5％；Si：2.5％；Cr：0.1％；Mn：0.4％；P：0.1％；S：0.02％；Al：1.8％；Sr：0.05％；余量为Fe。并采用铝锶中间合金球化处理的低合金耐热铸铁，氧化前的金相显微组织像。

图4(b)为本发明提出的一种化学成分及质量百分数比为：C：2.5％；Si：2.5％；Cr：0.1％；Mn：0.4％；P：0.1％；S：0.02％；Al：1.8％；Sr：0.05％；余量为Fe。并采用铝锶中间合金球化处理的低合金耐热铸铁，氧化后的金相显微组织像。

图4(c)为本发明提出的一种化学成分及质量百分数比为：C：2.5％；Si：2.5％；Cr：0.1％；Mn：0.4％；P：0.1％；S：0.02％；Al：1.8％；Sr：0.05％；余量为Fe。并采用铝锶中间合金球化处理的低合金耐热铸铁，氧化后的宏观形貌像。

图5(a)一种低合金化耐热铸铁材料，其含有的化学成分及质量百分数比为：C：2.6％；Si：2.8％；Cr：0.4％；Mn：0.4％；P：0.1％；S：0.02％；Al：3.0％；余量为Fe，但未采用铝锶中间合金进行球化处理的铸铁，氧化前的金相显微组织像。

图5(b)一种低合金化耐热铸铁材料，其含有的化学成分及质量百分数比为：C：2.6％；Si：2.8％；Cr：0.4％；Mn：0.4％；P：0.1％；S：0.02％；Al：3.0％；余量为Fe，但未采用铝锶中间合金进行球化处理的铸铁，氧化后的金相显微组织像。

图5(c)一种低合金化耐热铸铁材料，其含有的化学成分及质量百分数比为：C：2.6％；Si：2.8％；Cr：0.4％；Mn：0.4％；P：0.1％；S：0.02％；Al：3.0％；余量为Fe，但未采用铝锶中间合金进行球化处理的铸铁，氧化后的宏观形貌像。

从图1(a)可以看出该组分试样氧化前的显微组织中的石墨主要以长片状形式存在，分布很不均匀，并且很多长片状石墨相互连通或缠结在一起。

从图1(b)中可以看出，经氧化试验后样品表面形成了非常厚的氧化层，氧化层内产生了大量的孔洞，连通、缠结的片状石墨成为氧化继续向内部深入进行的通道。

从图1(c)中可以看出该组分试样氧化时有严重的氧化层剥落现象。这说明原成分铸铁(不含有铝和锶元素)其抗氧化性能很差。

从图2(a)可以看出该组分试样氧化前的显微组织中的石墨化程度与原有成分铸铁相比显著提高，长片状石墨有所减少，出现了较多的球状石墨，但这些球状石墨尺寸不太均匀。

从图2(b)中可以看出，添加了1.8％的铝和0.075％的锶后试样在高温下形成了比较致密、牢固的富铝保护膜层，经氧化试验后试样表面只形成了很薄的、不连续的氧化层。

从图2(c)中可以看出经氧化后该组分试样表面整体氧化状况很好。这说明本发明的低合金成分铸铁(含有铝和锶元素)其抗氧化性能很好。

从图3(a)可以看出该组分试样氧化前的显微组织中的石墨化程度与原有成分铸铁相比明显提高，主要形成了大量细小的球状石墨，并且分布很均匀。

从图3(b)中可以看出，添加了3.0％的铝和0.075％的锶后试样在高温下形成了非常致密、牢固的富铝保护膜层。并且细小的球状石墨不能形成氧向样品内部扩散的通道，经氧化试验后试样表面只出现了极少量、不连续的氧化现象。

从图3(c)中可以看出经氧化后该组分试样表面整体氧化状况非常好。这说明本发明的低合金成分铸铁(含有铝和锶元素)其抗氧化性能很好。这说明本发明的低合金成分铸铁(含有较高铝含量和锶含量)其抗氧化性能非常好。

从图4(a)可以看出该组分试样氧化前的显微组织中的石墨化程度与原有成分铸铁相比有一定提高，主要形成了较多细长的片状石墨和少量的球状石墨。

从图4(b)中可以看出，添加了3.0％的铝和0.05％的锶后试样在高温下形成的富铝保护膜层虽然比较致密、牢固但是明显不如含有较多锶(含量为0.075％)的试样，经氧化试验后试样表面出现了较浅的氧化现象。但是，试样表层组织中存在的长片状石墨为氧向内部扩散提供了通道，促进了氧化。

从图4(c)中可以看出，试样经氧化后，表面氧化情况较好，但比锶含量为0.075％的低合金耐热铸铁要差，这说明当锶含量较少时本低合金耐热铸铁的抗氧化性能也下降。

从图5(a)可以看出该组分试样氧化前的显微组织中的石墨化程度与原有成分铸铁相比没有明显的提高，但石墨仍主要以细长的片状石墨和细小的球状石墨的形式存在。

从图5(b)中可以看出，经氧化试验后试样表面出现了较浅的氧化现象。经氧化试验后样品表面形成了一层比较厚的氧化层，氧化层内出现了一些较小的孔洞，并有连通、扩展的发展趋势。连通、缠结的片状石墨成为氧化继续向内部深入进行的通道。这说明仅添加了3.0％的铝而未添加锶的试样在高温下形成的富铝保护膜层比较疏松、明显不如同时含有铝和锶的试样所形成的富铝保护膜层牢固，从而其抗氧化性能不太理想。

从图5(c)中可以看出该组分试样氧化时有一定程度的氧化层剥落现象，但要好于原成分铸铁(不含有铝和锶元素)。这说明锶的存在对于本低合金耐热铸铁的抗氧化性能有重要影响，当锶含量较少时本低合金耐热铸铁的抗氧化性能也下降。

具体实施方式

下面结合对比例及实施例对本发明进行详细阐述：

对比例：一种现有的常规铸铁材料(不含铝和锶元素)，其含有的化学成分及质量百分数比为：C：2.6％；Si：2.8％；Cr：0.3％；Mn：0.6％；P：0.1％；S：0.02％；余量为Fe。将废钢、铬铁、生铁、硅铁按目标产物中的化学成分质量百分数比进行配料，采用冲天炉进行熔炼。采用粒度为3～10mm的75SiFe随流冲入进行孕育处理，进行扒渣等工序处理后进行浇注并取样。所取试样冷却到500～600℃时(呈暗红色时)将其从砂型中取出并水淬。将冷却后的样品加工成Φ10×10mm的试样，测定其硬度值和抗氧化性能。其中，抗氧化性能测定在SiC电阻炉中进行，氧化实验温度为850℃，氧化实验持续时间为100h。测得试样的硬度值为200HB；之后测定试样的氧化速率和生长率分别为14.00g/m²·h，13.62％。

实施例一：本发明提供的一种低合金化耐热铸铁材料，其含有的化学成分及质量百分数比为：C：3.5％；Si：3.5％；Cr：1.0％；Mn：0.4％；P：0.1％；S：0.02％；Al：4.0％；Sr：0.1％；余量为Fe。将废钢、铬铁、生铁、硅铁、纯铝、铝锶中间合金(Al-10Sr中间合金)按目标产物中的化学成分质量百分数比进行配料，在150～200℃烘烤0.5～1.5h去除表面水汽，采用冲天炉进行熔炼。其中，将所配的纯铝提前放置于浇包底部再放铁水进入浇包，待铝块融化后再加入块状铝锶中间合金，之后随流冲入粒度为3～10mm的75SiFe孕育剂，然后迅速对浇包内铁合金液进行充分搅拌约1min，使Al、Sr元素扩散均匀。进行扒渣等工序处理后，于1440℃进行浇注并取样。所取试样冷却到500～600℃时(呈暗红色时)将其从砂型中取出并水淬。将冷却后的样品加工成Φ10×10mm的试样，测定其硬度值和抗氧化性能。其中，抗氧化性能测定在SiC电阻炉中进行，氧化实验温度为850℃，氧化实验持续时间为100h。测得试样的硬度值为223HB；之后测定试样的氧化速率和生长率分别为1.31g/m²·h，3.96％。

实施例二：本发明提供的一种低合金化耐热铸铁材料，其含有的化学成分及质量百分数比为：C：2.7％；Si：2.9％；Cr：0.3％；Mn：0.4；P：0.1％；S：0.02％；Al：3.0％；Sr：0.075％；余量为Fe。将废钢、铬铁、生铁、硅铁、纯铝、铝锶中间合金(Al-10Sr中间合金)按目标产物中的化学成分质量百分数比进行配料，在150～200℃烘烤0.5～1.5h去除表面水汽，采用冲天炉进行熔炼。其中，将所配的纯铝提前放置于浇包底部再放铁水进入浇包，待铝块融化后再加入块状铝锶中间合金，之后随流冲入粒度为3～10mm的75SiFe孕育剂，然后迅速对浇包内铁合金液进行充分搅拌约1min，使Al、Sr元素扩散均匀。进行扒渣等工序处理后，于1480℃进行浇注并取样。进行扒渣等工序处理后进行浇注并取样。将冷却后的样品加工成Φ10×10mm的试样，测定其硬度值和抗氧化性能。其中，抗氧化性能测定在SiC电阻炉中进行，氧化实验温度为850℃，氧化实验持续时间为100h。测得试样的硬度值为203HB；之后测定试样的氧化速率和生长率分别为0.34g/m²·h，2.36％。

实施例三：一种低合金化耐热铸铁材料，其含有的化学成分及质量百分数比为：C：2.5％；Si：2.5％；Cr：0.1％；Mn：0.4％；P：0.1％；S：0.02％；Al：1.8％；Sr：0.05％；余量为Fe。将废钢、铬铁、生铁、硅铁、纯铝、铝锶中间合金(Al-10Sr中间合金)按目标产物中的化学成分质量百分数比进行配料，在150～200℃烘烤0.5～1.5h去除表面水汽，采用冲天炉进行熔炼。其中，将所配的纯铝提前放置于浇包底部再放铁水进入浇包，待铝块融化后再加入块状铝锶中间合金，之后随流冲入粒度为3～10mm的75SiFe孕育剂，然后迅速对浇包内铁合金液进行充分搅拌约1min，使Al、Sr元素扩散均匀。进行扒渣等工序处理后，于1510℃进行浇注并取样。进行扒渣等工序处理后进行浇注并取样。将冷却后的样品加工成Φ10×10mm的试样，测定其硬度值和抗氧化性能，其中氧化性能测定在SiC电阻炉中进行，氧化实验温度为850℃，氧化实验持续时间为100h。测得试样的硬度值为209HB。测得试样的氧化速率和生长率分别为5.72g/m²·h，7.91％。

实施例四：一种低合金化耐热铸铁材料，其含有的化学成分及质量百分数比为：C：2.6％；Si：2.8％；Cr：0.4％；Mn：0.4％；P：0.1％；S：0.02％；Al：3.0％；余量为Fe。将废钢、铬铁、生铁、硅铁、纯铝(按目标产物中的化学成分质量百分数比进行配料，在150～200℃烘烤0.5～1.5h去除表面水汽，采用冲天炉进行熔炼，。其中，将所配的纯铝提前放置于浇包底部再放铁水进入浇包，采用粒度为3～10mm的75SiFe随流冲入进行孕育处理，进行扒渣等工序处理后，于1490℃进行浇注并取样。将冷却后的样品加工成Φ10×10mm的试样，测定其硬度值和抗氧化性能。其中，抗氧化性能测定在SiC电阻炉中进行，氧化实验温度为850℃，氧化实验持续时间为100h。测得试样的硬度值为206HB。之后测定试样的氧化速率和生长率分别为9·31g/m²·h，10.9％。

将本发明实施例1-4所制备的低合金化耐热铸铁材料与对比例制备的进行比较，可以明显看出：本发明制备的低合金化耐热铸铁材料硬度较对比例制备的合金略有提高，但是氧化速率和生长率则远远低于对比例制备的合金。

Claims

1.一种低合金耐热铸铁的制备方法，包括下述步骤：

第一步：将废钢、生铁、铬铁、硅铁、锰铁物料分别进行成分检测以确定其组分含量；

第二步：将已确定成分的废钢、生铁、铬铁、硅铁、锰铁物料以及纯铝、铝锶中间合金按目标产物中的化学成分质量百分数比配料，C：2.5～3.5%；Si：2.5～3.5%；Cr：0.1～1.0%；Al：1.8～4.0%；Sr：0.05～0.1%；Mn<1.0%；P<0.3%；S<0.1%；余量为Fe；其中，先根据Sr含量确定所需的铝锶中间合金质量，再相应计算出所需补充添加的纯铝的质量；

第四步：将纯铝破碎至不大于25Kg/块；将铝锶中间合金破碎至不大于300g/块；然后将上述纯铝块和铝锶中间合金块在150～200℃条件下烘烤0.5～1.5h去除表面水汽；将纯铝置于浇包底部，然后加入铁水，待铝块融化后再加入块状铝锶中间合金，并随流加入75SiFe孕育剂，对浇包内溶液进行搅拌，使铝（Al）、锶（Sr）元素扩散均匀；随后进行扒渣、浇注。

2.根据权利要求1所述的一种低合金耐热铸铁的制备方法，所述低合金耐热铸铁包括下述组分按质量百分数比组成：

C：2.6～3.2%；

Si：2.6～3.2%；

Cr：0.2～0.5%；

Al：2.5～3.5%；

Sr：0.06～0.1%；

Mn<0.8%；

P<0.2%；

S<0.05%；余量为Fe。

3.根据权利要求1所述的一种低合金耐热铸铁的制备方法，所述低合金耐热铸铁包括下述组分按质量百分数比组成：

C：2.7%；

Si：2.9%；

Cr：0.3%；

Al：3.0%；

Sr：0.075%；

Mn：<0.6%；

P：<0.1%；

S：<0.02%；余量为Fe。