CN102634723B - 一种低温用铁素体球铁及其制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种低温用铁素体球铁的化学成分及其制造方法，它明确了-40℃低温用铁素体球铁件的化学成分范围，给生产制造合格而稳定的球铁件提供了质量标准；采用了以纯铁、增碳剂和硅铁为原料，在电炉中合成熔炼，用低稀土球化剂球化处理，采用复合孕育处理的方法来生产制造该铁素体球铁，本方法可以稳定和提高铁液的纯净度，从源头上解决了铁液中磷、硫、钛等杂质及干扰元素含量高、波动大、不稳定的难题。本发明为稳定生产石墨球细小、圆整、基本不含渗碳体和磷共晶的铁素体球铁件提供了一套全新的技术方案，可以满足我国核电、高铁等工业对高性能铁素体球铁件的需要，打破了对进口产品的依赖；大幅度提高了核电、高铁的运行安全性。
Description
技术领域
本发明涉及机械行业铸造技术领域，尤其是涉及一种-40℃低温用铁素体球铁，本发明还涉及该球铁的制造方法。
背景技术
球墨铸铁(球铁)是指用球化剂处理铁液后石墨呈球状的铸铁。球铁的金相组织由石墨球和基体组织组成，GB/T 9441-2009《球墨铸铁金相检验》把石墨球按圆整度的高低分为6级，球化率高，球铁的塑性和韧性就好；石墨球按尺寸大小分成六级，减小石墨球径，增加石墨球在单位面积的个数可以明显地提高球铁的强度、塑性和韧性。球铁的基体组织主要有铁素体、珠光体、奥氏体、贝氏体、马氏体，以及渗碳体和磷共晶等，其中，渗碳体和磷共晶可以强烈降低球铁的抗拉强度、延伸率和冲击韧性，故应避免渗碳体和磷共晶的出现。与石墨呈片状的灰铸铁相比，球铁的抗拉强度、延伸率和冲击韧性均大幅度提高，例如：经过合金化和热处理过的球铁抗拉强度可以高达1400MPa；铁素体基体的球铁延伸率可达22％以上，-40℃时V型缺口试样的冲击值可达12J以上。
球铁铸造性能好、成本相对较低，自20世纪40年代发明和投入工业生产以来的近70年中，发展速度很快，成功取代了部分锻钢和铸钢件。据美国Moderncasting杂志统计，2010年世界球铁产量已达2300万吨，约占世界铸件产量的25%。中国是世界上球铁产量最大的国家，2010年球铁产量为990万吨，约占当年世界球铁产量的42.2%。
随着风电、核电以及高铁机车等工业的发展，对低温条件下使用的铁素体球铁件的需求快速增加，对铁素体球铁件的低温冲击性能和铸件质量也提出了更高的要求。GB/T 1348－2009《球墨铸铁件》国家标准规定的铁素体球铁共有QT350-22L和QT400-18L两个牌号，其中，QT350-22L要求-40℃时V型缺口冲击值达到12J以上（3个V型缺口冲击试块的平均值，单个不低于9J，下同）；QT400-18L要求-20℃时V型缺口冲击值达到12J以上。以高铁机车为例，由于行驶速度快（速度≥200 km/h和速度≥300 km/h），安全性要求高，铸件受力复杂，且一些零部件裸露在外部，需承受冬季的低温严寒，因此高速铁路所用球铁件的力学性能、低温冲击性能和铸件质量的要求也更为严苛。如哈尔滨至北京高速铁路用的QT400-18L球铁件，要求-40 ℃时V型缺口冲击值达到12J以上；哈尔滨至大连高速铁路用球铁件甚至要求-50 ℃时V型缺口冲击值达到12J以上。这些指标均远高于GB/T 1348－2009《球墨铸铁件》国家标准规定的QT400-18L牌号（–20℃时V型缺口冲击值达到12J以上）的要求。
目前，我国生产低温铁素体球铁的原料主要以铸造生铁为主，并添加适量的废钢和回炉料。按照现有技术，决定球铁性能的首要因素是生铁的质量。虽然我国铸造生铁的生产厂家很多，但能满足低温高韧性铁素体球铁要求的生铁却不多， 优质生铁中其它有害元素的含量虽都不高，但能同时达到P<0.04%、Ti<0.04的生铁却很难找到。国外为提高铁素体球铁的低温韧性，开发使用了高纯生铁料，以降低磷（P）、硫（S）等杂质元素以及钛（Ti）等干扰元素含量，提高铁液的纯净度，减少渗碳体、磷共晶的数量。一般而言，低磷（≤0.03%）、低钛（≤0.03%）、低锰（≤0.20%）、低硫（0.02%左右），有害微量元素（Ti、Al、B、As、Pb、Bi、Sn、Sb、Cd、Se和Te等）极低且总量<0.10%的生铁称为高纯生铁。国外的高纯生铁主要是控制P、S、Mn和Ti的含量，但即使是高纯生铁，也还是属于铸造生铁的范畴，仍然存在着P、S含量波动大的问题。例如，国际上比较有名的南非Sorelmetal生铁，实际购买时，其保证的磷含量为0.04%，硫含量为0.025%，仍不能很好的满足铁素体球铁对低磷、硫、钛等成份的要求，这是因为铁矿石的杂质含量不能达标，而能满足其要求的矿石却并不多。同时，进口高纯生铁既提高了生产成本、延长了供货周期，又受制于人，也不利于我国优质球铁铸件的发展。
作为另一原料的废钢同样存在来源不稳，成份波动大的问题，尤其是废钢中的合金元素铬、铜和锰等可以阻碍铁素体的形成，也限制了废钢在铁素体球铁生产上的使用。
低温铁素体球铁在熔化方式上主要采用感应电炉或冲天炉+电炉双联熔炼方式。由于炉料中的磷（P）、硫（S）和钛（Ti）等杂质和干扰元素全部进入铁液中，依照现有的熔炼方式，技术上还难以脱磷、脱钛，硫虽然可以采用气动脱硫或摇包脱硫的方法降低，但同时会降低铁水温度、增加生产成本。
使用球化剂进行球化处理时，主要采用稀土镁硅铁合金作为球化剂（Mg 7～9%，RE3～8%）和冲入法球化处理方法。
由于铁液中的反球化元素硫（S）和球化干扰元素钛（Ti）含量偏高、波动大、不稳定，生产上为保险起见，球化处理时往往加入过量的稀土和镁，造成石墨球不圆整、球化级别低，易出碳化物。
孕育剂以75硅铁为主，除在包底球化剂上面同时加入孕育剂，及在倒包二次孕育时加入孕育剂进行孕育外，也采用随流孕育或型内孕育等瞬时孕育方法，以提高石墨球化级别和石墨球数量，延缓球化衰退，提高球铁质量。
综上所述，由于受矿源和废钢来源的限制，铁液中的磷（P）、硫（S）等杂质元素以及钛（Ti）等干扰元素含量偏高、波动大、不稳定，加上稀土和镁含量偏高，造成石墨球不圆整、球化级别低，铁素体量低，渗碳体和磷共晶偏高，使得成品球铁-40℃时V型缺口冲击值波动大、不稳定，难以稳定地达到-40℃时V型缺口冲击值12J以上的要求。
同时，在铸钢件生产中，合适而稳定的化学成份指标是铸件稳定生产的首要条件，从一般的碳钢材质到要求较严的合金钢，均给出了明确的化学成份范围。目前来看，虽然很多球铁件的使用条件比铸钢还严苛，但GB/T 1348－2009《球墨铸铁件》国家标准却没有给出各牌号球铁的化学成份范围。分析原因，一方面是对化学成份的重要性缺乏足够的重视；另一方面即使规定了球铁的化学成份范围，但按现有生铁和废钢的供应状况，也难以稳定达标。
所以如何稳定的生产出低温下韧性指标符合使用要求的铁素体球铁已成为铸造界的当务之急。
发明内容
本发明的目的在于提供一种低温用铁素体球铁件，本发明还提供了该球铁的制造方法，使用本方法生产的铁素体球铁件不仅化学成分稳定，且在-40℃低温时V型缺口试样冲击值可以稳定在12J以上。
为实现上述目的，本发明可采取下述技术方案：
本发明所述低温用铁素体球铁的化学成分（按质量百分比计）为：C3.6～3.9%，Si2.2～2.4%，Mn＜0.2%，P＜0.02%，S＜0.02%，Ti＜0.04%，Mg残0.030～0.045%，RE残0.005～0.015%，其余为Fe。
所述低温用铁素体球铁的制造方法，它包括下述步骤：
第一步，原料的配比（按重量百分比计）
纯铁 91-95%，增碳剂 3.6-4.2%,75硅铁1.2-1.5%；
第二步，熔炼
首先将上述纯铁原料的20%放在电炉的底部，加热熔化后，再加入烘烤后的75硅铁原料，然后将剩余的纯铁和80%的增碳剂陆续加入炉内，全部熔化后，将铁液加热到1450℃，在铁液表面加入剩余的增碳剂，继续升温到1500-1520℃，取样、检测铁液，成分合格后，1460-1500℃出炉（视铸件浇注温度调整）；
第三步，球化和孕育
选取Mg 5-6%、RE 0.5-1.0%的稀土硅铁镁合金球化剂对上述成分合格的铁液进行球化处理，球化剂加入量为铁液总量的1.1-1.2%；同时选用75硅铁孕育剂，孕育剂加入量为铁液总量的1.0-1.3%，其中50%孕育剂压在球化剂上进行包内孕育，40%孕育剂待球化处理扒渣后加在铁水液面上进行浮硅孕育，10%浇注时进行随流孕育，球化处理结束即可进行铸件浇注。
浇注成的铁素体球铁件的金相组织特征主要为：石墨球化级别1-2级（球化率90%以上），石墨球大小为5-7级，铁素体量≥95%，渗碳体+磷共晶＜0.5%。该球铁件-40℃低温时V型缺口试样冲击值可以稳定在12J以上。
所用纯铁为锰、磷、硫、钛等杂质及干扰元素含量极低的原料纯铁；所用增碳剂选择使用固定碳含量高、硫和灰分含量少的石墨增碳剂。
所述球化处理方法为盖包法，球化处理结束至铸件浇注完成时间需控制在6分钟以内。盖包法球化处理方法不仅可减少镁光烟尘、减少球化处理时的温度损失，而且可以提高球化剂的吸收率，减少球化剂的用量；球化处理结束至铸件浇注完成时间需控制在6分钟以内可以有效避免球化和孕育衰退，使石墨球化级别稳定达到1-2级。这对低温铁素体球铁的稳定生产是至关重要的。
本发明的优点在于提出了一种全新的铁素体球铁的炉料配比，它改变了现有熔化铸造生铁和废钢等炉料的传统生产方式，该配比不仅低磷、低硫、低钛、低锰，而且还规定了球化剂中镁和稀土的含量范围，有利于将镁和稀土控制在所要求的范围内，使浇注成型的球铁体的石墨化级别稳定在1-2级（球化率90%以上）。与现有技术相比，本发明具有以下显著优点：
1、本发明使用纯铁为原料在电炉中合成铁素体球铁，不用铸造生铁和废钢，从根本上解决了铁液中磷、硫、钛等杂质及干扰元素含量高、波动大、不稳定的难题；纯铁由钢厂按标准生产，来源稳定，不受矿源等条件的限制，打破了低温高韧性铁素体球铁件对国外高纯生铁原料的依赖，为稳定生产石墨球细小、圆整、基本不含渗碳体和磷共晶的铁素体球铁件提供了一种全新的技术方案；
2、本发明生产的铁素体球铁件，化学成分范围直观、稳定，-40℃低温时V型缺口试样冲击值可以稳定在12J以上，解决了我国核电、高铁等工业对进口产品的依赖，大幅度提高了核电、高铁的运行安全性；
3、本发明可以提高铸件的附加值，由于核电、高铁铸件的质量和安全性是首要考虑，铸件附加值较高，一般可达2万元/吨，比现有铸件每吨增加约1万元；
4、本发明合成的铁液含硫量低，球化干扰元素钛的含量低，减少了球化剂的使用量，球化剂用量可以从现有的1.6%降为1.2%以下，每吨球铁件可以节省球化剂约4千克，节省成本约80元；
5、本发明减少了球化剂中用于中和干扰元素钛所需的稀土加入量，节约了宝贵的稀土资源，球化剂中的稀土含量可以从3-8%减少到0.5-1%，每吨球铁件至少可节约稀土用量20千克以上，节约成本200元；
6、节省了金属镍的加入量。现有技术中往往需要加入约1%的金属镍来增加球铁的强度和低温韧性，本发明的方法不用添加金属镍，每吨铸件可节约成本1500元；
7、本发明生产的铁液纯净度高，可以降低产品的废品率（从现有的6%降至3%以下），每吨铸件可节约成本600元以上；
2010年我国球铁产量990万吨，使用球化剂约16万吨，使用本发明方法可以节省球化剂用量4万吨，价值6亿元。更重要的是，本发明生产的球铁件可以满足我国核电、高铁等工业对高性能铁素体球铁件的需要，打破对进口产品的依赖，大幅度提高了核电、高铁的运行安全性。
具体实施方式
本发明使用的纯铁按国家标准（GB/T 9971-2004）生产，共有YT1、YT2和YT3等三个牌号，其牌号和成分见下表。
GB/T 9971-2004规定的原料纯铁的牌号和成份
增碳剂为炼钢、铸造常用原料，本发明使用固定碳含量高、硫和灰分含量少的石墨增碳剂，如可以选择使用市面上销售的卓越石墨有限公司生产的石墨增碳剂，牌号为9012S，粒度为0.6～4.75mm,产品规格如下表。
本发明所用硅铁按国家标准（GB/T 2272-2009）生产，如可以使用牌号TFeSi75-A及TFeSi75-B的产品，其成分见下表。
GB/T 2272-2009规定的部分硅铁的牌号和成份
球化剂可以使用埃肯碳素（中国）有限公司生产的EImag5800牌号的低镁低稀土球化剂，成份见下表
。
实施例1
按照下述重量百分配比选取原料：YT2纯铁 93.5%，石墨增碳剂4.0%, TFeSi75-A硅铁1.5%；
将上述纯铁原料的20%放在电炉的底部，加热熔化后，再加入经200℃烘烤后的硅铁原料，然后将剩余的纯铁和80%的增碳剂陆续加入炉内，全部熔化后，将铁液加热到1450℃，保温、取样、炉前光谱成分分析；然后在铁液表面加入剩余的增碳剂，继续升温到1500-1520℃，取样、炉前光谱成分分析，当铁液成分合格后，1460-1500℃出炉（视铸件浇注温度加以选择）。
下表为上述铁液的化学成分测量结果。
从上述铁液成分来看，完全符合-40℃低温用铁素体球铁对原铁液化学成分的要求，可以满足核电、高铁等工业对高性能铁素体球铁件的需要。
实施例2：
本发明浇注的低温用铁素体球铁的化学成分（按质量百分比计）为：C3.6～3.9%，Si2.2～2.4%，Mn＜0.2%，P＜0.02%，S＜0.02%，Ti＜0.04%，Mg残0.030～0.045%，RE残0.005～0.015%，其余为Fe。
其制造方法为：
1、按照下述重量百分配比选取原料：YT2纯铁 91.2%，石墨增碳剂4.0%, TFeSi75-A硅铁1.5%；
2、将上述纯铁原料的20%放在电炉的底部，加热熔化后，再加入经200℃烘烤后的硅铁原料，然后将剩余的纯铁和80%的增碳剂陆续加入炉内，全部熔化后，将铁液加热到1450℃，保温、取样、炉前光谱成分分析；然后在铁液表面加入剩余的增碳剂，继续升温到1500-1520℃，取样、炉前光谱成分分析，当铁液成分合格后，1460-1500℃出炉（视铸件浇注温度调整）；
3、球化和孕育
按铁液总量的1.2%加入球化剂，采用盖包法进行球化处理，同时选用FeSi75硅铁孕育剂，孕育剂加入量为铁液总量的1.1%，其中50%孕育剂压在球化剂上进行包内孕育，40%孕育剂待球化处理扒渣后加在铁水液面上进行浮硅孕育，10%浇注时进行随流孕育，球化处理结束即可进行铸件浇注，控制球化处理结束至浇注完成时间在6分钟以内。
下表为浇注成型的铁素体球铁件的化学成分测量结果
该铁素体球铁件的冲击试验结果如下（郑州海特模具有限公司，2012年05月03日，执行标准：ASTM E23；试样温度：-40℃；试样尺寸：10*10*55）：
冲击韧性 15.7 J/cm2；冲击吸收功 12.5 Ak（J）；截面积0.8 cm2。
其-40℃低温冲击性能达12.5J，可以满足核电、高铁等工业对低温铁素体球铁件的冲击韧性要求。
实施例3
按照下述重量百分配比选择原料：YT3纯铁 91.2%，石墨增碳剂4.0%, TFeSi75-A硅铁1.5%；
熔炼方法与实施例2相同，其中球化剂用量为1.2%，孕育剂用量为1.1%，球化处理结束即可进行铸件浇注，控制球化处理结束至浇注完成时间在6分钟以内。
下表为浇注成型的铁素体球铁化学成分测量结果。
该铁素体球铁件的冲击试验结果如下（郑州海特模具有限公司，2012年05月03日，执行标准：ASTM E23；试样温度：-40℃；试样尺寸：10*10*55）：
冲击韧性 17.5 J/cm2；冲击吸收功 14.0 Ak（J）；截面积0.8 cm2。
从实施例2和实施例3可以看出，用YT2纯铁或YT3纯铁生产的球铁均符合-40℃低温用铁素体球铁的化学成分指标。如果要获得更低的磷、硫和钛等元素含量的铁素体球铁，可以选用YT3牌号的纯铁原料来生产，其中磷、硫和钛等有害元素均不足规定上限的一半，其-40℃低温冲击性能达14J，生产稳定性会更好。
Claims (3)
1.一种低温用铁素体球铁，其特征如下：所述球铁的化学成分为：C3.6～3.9%，Si2.2～2.4%，Mn＜0.2%，P＜0.02%，S＜0.02%，Ti＜0.04%，Mg残0.030～0.045%，RE残0.005～0.015%，其余为Fe；
所述球铁的制造方法包括下述步骤：
第一步，原料的配比
纯铁 91-95%，增碳剂 3.6-4.2%,75硅铁1.2-1.5%；
第二步，熔炼
首先将上述纯铁原料的20%放在电炉的底部，加热熔化后，再加入烘烤后的75硅铁原料，然后将剩余的纯铁和80%的增碳剂陆续加入炉内，全部熔化后，将铁液加热到1450℃，在铁液表面加入剩余的增碳剂，继续升温到1500-1520℃，取样、检测铁液，成分合格后，1460-1500℃出炉；
第三步，球化和孕育
选取Mg 5-6%、RE 0.5-1.0%的稀土硅铁镁合金球化剂对上述成分合格的铁液进行球化处理，球化剂加入量为铁液总量的1.1-1.2%；同时选用75硅铁孕育剂，孕育剂加入量为铁液总量的1.0-1.3%，其中50%孕育剂压在球化剂上进行包内孕育，40%孕育剂待球化处理扒渣后加在铁水液面上进行浮硅孕育，10%浇注时进行随流孕育，球化处理结束即可进行铸件浇注。
2.根据权利要求1所述低温用铁素体球铁，其特征在于：所述增碳剂为石墨增碳剂。
3.根据权利要求1所述低温用铁素体球铁，其特征在于：所述球化处理方法为盖包法，球化处理结束至铸件浇注完成时间需控制在6分钟以内。
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