CN102814491A - 一种高强度灰铸铁强化剂及其强化处理工艺 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种高强度灰铸铁强化剂及其强化处理工艺，属于高强度灰铸铁的制备技术。所述强化剂包括V、Ti、N、RE、Ca、Si元素，其重量百分比化学成分为：V：10-19；Ti：6-8；N：8-9；RE：3-5；Ca：3-5；其余为Si。所述强化剂的加入方法采用浇包内加入法：将强化剂放到灰铸铁浇包的底部，当熔化的灰铸铁铁水温度达到1480-1550度时，铁水倒入灰铸铁浇包中，高温铁水将强化剂熔化，强化剂中的元素溶入到灰铸铁铁液中，得到高强度灰铸铁，其组织为初生奥氏体枝晶为发达的等轴网络框架结构。本发明使灰铸铁的强度得到了显著的提高，在潮模砂型中浇注出的标准试棒的抗拉强度达到了400兆帕。

Description

一种高强度灰铸铁强化剂及其强化处理工艺

技术领域

新材料-本发明“一种高强度灰铸铁强化剂”涉及一种提高灰铸铁强度所用的新型强化剂，特别是涉及一种高强度灰铸铁的制备技术。 

背景技术

灰铸铁具有耐磨、耐热、耐氧化、耐腐蚀、耐酸碱及好的减震性。同时，与其它合金相比具有熔点低、充型性好、加工性好、生产设施和成型过程简单以及成本低廉的优势。因此，长期以来灰铸铁在铸铁件中占非常大的比重(灰铸铁件曾经占世界铸铁件产量的70％左右)。但由于其极限强度较低，其应用范围受到限制。为了保持灰铸铁在铸铁件中的主导地位，必须提高其极限强度。因此，提高灰铸铁强度一直是世界铸铁界的重大理论与技术难题。 

世界铸铁界的广大科研工作者和工程技术人员一直致力于提高灰铸铁的强度，在优化灰铸铁成分设计、微合金化元素组成等方面开展了大量研究工作(主要是通过加入一定量的铬、钼、铜、镍、钒和稀土等合金元素)，使灰铸铁的强度不断提高，目前，世界上报道的微合金化灰铸铁在潮模砂型中浇注出的直径30毫米、长度280毫米的标准试棒的抗拉强度最高值已达到395兆帕，详见发明专利“微合金化高强度灰铸铁”(专利号：2005100168785)，还没达到400兆帕以上。当前，公认的提高灰铸铁强度的主要途径有如下四个方面：(1)增加初生奥氏体枝晶的个数；(2)细化珠光体片间距；(3)细化石墨、使石墨弯曲和钝化；(4)细化共晶团。 

钒、钛具有增加初生奥氏体枝晶个数；细化珠光体片间距；细化石墨、使石墨弯曲、钝化和细化共晶团的作用。同时，国家发改委在《钒钛资源综合利用和产业发展“十二五”规划》中指出，目前，钒钛资源综合利用和产业发展的主要问题是：钒钛产业仍然存在资源开发粗放、利用水平不高，深度加工不足、未形成集聚优势，产品档次较低、创新能力不强，工艺装备落后、环境污染严重等问题；发展形势从国际看，世界其他国家钒钛产品生产消费量基本保持稳定，发达国家在尖端技术对我国实行封锁，亟需在高端产品研发、生产和应用上有所突破。从国内看，经济结构转型对产品质量提出更高要求，迫切要求钒钛产业加快转变方式、实现产业升级。 

技术内容 

本发明的目的在于满足现代质量的要求，提供一种高强度灰铸铁强化剂及其强化处理工艺，所述的强化剂是一种新型的含钒、钛的强化剂，将本发明强化剂加入到灰铸铁铁水中，使灰铸铁获得等轴的网络框架结构的初生奥氏体枝晶，且枝晶细小、个数增多；珠光体团簇的层片厚度变薄、片间距减小，且交错排布；石墨个数增多、细小、弯曲、尖角钝化；共晶团尺寸减小的组织，使灰铸铁的强度的到了显著提高，标准试棒的抗拉强度达到了400兆帕。 

本发明的上述目的是这样实现的：发明一种重量百分比化学成分为：V：10-19；Ti：6-8；N：8-9；RE：3-5；Ca：3-5；其余为Si的高强度灰铸铁强化剂。将本发明强化剂加入到含有C、Si、Mn、P、S、Cr、Cu、Sn的灰铸铁铁水中，强化剂中的元素溶入到灰铸铁的铁水中，得到了一种高强度灰铸铁。 

采用本发明强化剂处理的高强度灰铸铁的铸态组织与目前世界的主流技术-采用硅铁孕育处理的加Mo合金化高强度灰铸铁(含有C、Si、Mn、P、S、Cr、Cu、Sn元素)相比，初生奥氏体由普通的粗大、非等轴枝晶(参阅图1(a)所示)转变为等轴网络框架结构枝晶，且枝晶细小、个数增多(参阅图1(b)所示)；珠光体由大片间距、厚的铁素体和渗碳体层片(参阅图2(a)所示)转变为小片间距和薄的铁素体与渗碳体层片(参阅图2(b)所示)，且两个珠光体团簇晶界处的层片由按大角排布(参阅图2(a)所示)转变为小角排布(参阅图2(b)所示)；石墨由个数少、粗大、平直、尖角尖锐(参阅图3(a)所示)转变为个数增多、细小、弯曲、尖角钝化(参阅图3(b)所示)；共晶团由个数少、尺寸大(参阅图4(a)所示)转变为个数多、尺寸小(参阅图4(b)所示)。组织的转变使灰铸铁的强度得到了意想不到的提高，标准试棒的抗拉强度达到了400兆帕。 

本发明强化剂具有的主要技术优点是：使灰铸铁的组织发生了意想不到的转变，初生奥氏体由普通的粗大、非等轴枝晶转变为等轴网络框架结构枝晶，且枝晶细小、个数增多；珠光体由大片间距、厚的铁素体和渗碳体层片转变为小片间距和薄的铁素体与渗碳体层片，且两个珠光体团簇晶界处的层片由按大角排布转变为小角排布；石墨由个数少、粗大、平直、尖角尖锐转变为个数多、细小、弯曲、尖角钝化；共晶团由个数少、尺寸大转变为个数多、尺寸小。 

由主要技术优点带来的效果是：组织的转变使灰铸铁的强度得到了显著地提高，标准试棒的抗拉强度达到了400兆帕，而采用硅铁孕育处理的加Mo合金化高强度灰铸铁的标准试棒的最高抗拉强度仅为350兆帕。同时，带来的经济、社会效益优势是：采用本发明强化剂处理的高强度灰铸铁的每吨材料成本比采用硅铁孕育处理的加Mo合金化高强度灰铸铁大约节省150-300人民币元。同时，使我国钒钛资源利用有了新的突破，提高了我国钒钛资源创 新利用的水平和提升了产品档次。因此，经济效益和社会效益十分显著。 

图例说明 

图1是初生奥氏体枝晶形态，其中： 

图1(a)是硅铁孕育处理的加Mo合金化高强度灰铸铁的普通、粗大、非等轴网络框架结构奥氏体枝晶； 

图1(b)是本发明强化剂处理的高强度灰铸铁的奥氏体枝晶为等轴网络框架结构，且枝晶细小。 

图2珠光体形态，其中： 

图2(a)是硅铁孕育处理的加Mo合金化高强度灰铸铁的珠光体的层片厚度与间距大，同时，珠光体团簇平行排布； 

图2(b)是本发明强化剂处理的高强度灰铸铁的珠光体的层片厚度与片间距细小，且珠光体团簇交错排布。 

图3石墨形态，其中： 

图3(a)是硅铁孕育处理的加Mo合金化高强度灰铸铁的石墨平直、粗大、个数少、分布不均匀； 

图3(b)是本发明强化剂处理的高强度灰铸铁的石墨细小、弯曲、个数多、分布均匀。 

图4共晶团形态(a)硅铁孕育处理的加Mo合金化高强度灰铸铁的共晶团尺寸大、个数少；(b)本发明强化剂处理的高强度灰铸铁的共晶团尺寸小、个数多。 

具体实施方式

下面结合附图所示实施例，进一步说明本发明的具体内容。 

实施例 

本发明强化剂的加入方法采用铸铁浇包内加入法：将强化剂放到灰铸铁浇包的底部，当冲天炉或电炉中熔化的灰铸铁(C：3.00～3.30；Si：1.85～2.35；Mn：0.25～0.55；P：0.025～0.045；S：0.06～0.13；Cr：0.18～0.45；Cu：0.45～0.75；Sn：0.020～0.050)铁水温度达到1480-1550度时，铁水倒入灰铸铁浇包中，高温铁水将强化剂熔化，强化剂中的元素溶入到灰铸铁铁水中，得到了高强度灰铸铁。 

本发明含钒、钛强化剂的积极效果在于改善灰铸铁的初生奥氏体枝晶、珠光体、石墨和共晶团组织，从而提高灰铸铁的抗拉强度，其结果得到了意想不到的效果，在潮模砂型中浇注出的直径30毫米、长度280毫米的标准试棒的抗拉强度达到了400兆帕。 

本发明含钒、钛强化剂对灰铸铁的初生奥氏体枝晶、珠光体、石墨和共晶团组织改善的 作用机制。 

(1)初生奥氏体由普通的粗大、非等轴枝晶转变为等轴网络框架结构枝晶，且枝晶细小、个数增多。 

①变质剂中的Ti、V、N，在高温的铁液(温度大于1600℃)中形成TiN、TiC、VN和VC，它们的熔点分别为3290℃、3067℃、2340℃和2800℃，它们的(001)晶面与奥氏体(Fe-r)的(110)晶面的晶格错配度均小于15％(TiN(001)//Fe-r(110)=13.4％，TiC(001)//Fe-r(110)=13.2％，VN(001)//Fe-r(110)=14％，VC(001)//Fe-r(110)=13.9％。)。因此，TiN、TiC、VN和VC均可作为初生奥氏体结晶的非自发核心，使高碳当量灰铸铁中的初生奥氏体枝晶个数增多、枝晶细化、形成等轴网络框架结构，参阅图1(a)和(b)所示。 

(2)珠光体由大片间距、厚的铁素体和渗碳体层片转变为小片间距和薄的铁素体与渗碳体层片，且两个珠光体团簇晶界处的层片由按大角排布转变为小角排布。 

①V可形成合金渗碳体，形成合金渗碳体所需的碳量低于形成渗碳体所需的碳量，加快了渗碳体中合金渗碳体的生长速度，减小了铁素体层片的厚度，加快了共析转变的速度，结果导致珠光体的片间距减小。 

②在铁素体相界面处析出的VN、VC或V(C,N)相，有效地阻止了铁素体晶粒的长大，使基体中的珠光体细。 

③V是缩小奥氏体区的元素，使奥氏体区的A₁和A₃点上升，A₄点下降，增大了珠光体转变的过冷度，细化了珠光体片间距。 

④N含量增加，使灰铸铁的共析转变温度降低，共析转变区变宽，过冷度增加，从而细化珠光体。 

⑤初生奥氏体枝晶个数增多、枝晶细化、形成等轴网络框架结构，使珠光体的层片厚度与片间距减小，珠光体团簇交错排布。 

上述V、Ti、N的作用使珠光体的层片厚度变薄、片间距减小，且珠光体团簇交错排布，参阅图2(a)和(b)所示。 

(3)石墨由个数少、粗大、平直、尖角尖锐转变为个数明显增多、细小、弯曲、尖角钝化。 

①初生奥氏体枝晶的二次枝晶的细化、个数增多及二次枝晶臂间距的减小，导致了奥氏体枝晶的等轴网络框架结构的空间数量增多、尺寸变小，造成石墨形核率显著增多，生长 严重受到限制，使石墨变得细小、弯曲、个数增多。 

②在共晶凝固过程中N不断吸附在石墨生长前沿和石墨片两侧，以游离状态富集在石墨或共晶团的边界，导致石墨在结晶过程中，其周围N浓度增高，尤其在石墨伸向铁水中的尖端，从而影响固-液界面上石墨的生长，使石墨变短、变粗。同时，由于N原子吸附在生长石墨的缺陷位置，使石墨生长时产生分枝，石墨分枝的增加，是石墨变短的另一个原因。 

③Si是促进石墨化元素，增加石墨个数。 

④RE、Ca和铁液中的S、O反应生成稀土硫化物、氧化物和CaS、CaO，这些化合物可作为石墨的形核的非自发核心，增加了石墨形核的核心数量，使石墨数量增多、尺寸减小；RE的吸附作用，使石墨尺寸减小，形状弯曲、尖角钝化。 

⑤Ti具有石墨化作用，增加石墨个数。上述V、Ti、N、RE、Ca、Si的作用使石墨个数增多、细小、弯曲、尖角钝化，参阅图3(a)和(b)所示。 

(4)共晶团由个数少、尺寸大转变为个数多、尺寸小。 

①RE、Ca和铁液中的S、O反应生成稀土硫化物、氧化物和CaS、CaO，这些化合物可作为石墨的形核的非自发核心，细化了共晶团； 

②初生奥氏体枝晶的二次枝晶细化、个数多及二次枝晶臂间距的减小，导致了奥氏体枝晶的等轴网络框架结构的空间数量增多、尺寸变小，使石墨形核率增多，生长受到限制，导致共晶团尺寸减小。 

④Ti和V均能增加共晶团的数量，使共晶团尺寸减小、个数增多。上述Ti、V、N、RE和Ca的作用使共晶团个数增多、尺寸减小，参阅图4(a)和(b)所示。 

本发明“一种高强度灰铸铁强化剂”对灰铸铁的初生奥氏体枝晶、珠光体、石墨和共晶团组织产生了意想不到的改善，其强化机制： 

①大量弯曲、细小、尖角钝化的石墨使裂纹不易萌生、扩展时不断改变方向； 

②共晶团个数多、尺寸小使裂纹扩展路径更加曲折，阻力增大； 

③裂纹扩展时必然受到众多的等轴网络框架结构分布的尺寸、层片厚度与片间距小的珠光体团簇(该团簇交错排布)的严重阻碍，造成裂纹必须穿过框架结构分布的珠光体才能扩展，消耗更大的能量，同时，珠光体团簇交错排布，进一步消耗能量。上述三种阻碍裂纹扩展的机制使灰铸铁的强度显著提高。 

本发明“一种高强度灰铸铁强化剂”的成分与力学性能参阅表1所示，由表1表明，采用本发明不同化学成分的强化剂强化的高强度灰铸铁的标准试棒的抗拉强度达到了400兆帕。 

表1本发明“一种高强度灰铸铁强化剂”的成分与力学性能 

注：试样的制备采用150公斤中频感应电炉进行熔炼。灰铸铁铁水出炉温度为1480～1530℃，在浇包内加入本发明强化剂，在砂型中浇注出直径30毫米、长度280毫米的圆棒形试棒，由该试棒加工标准抗拉强度试棒和金相试样。 

Claims (7)

1.一种高强度灰铸铁强化剂，其特征在于，所述强化剂包括V、Ti、N、RE、Ca、Si元素，其重量百分比化学成分为：V：10-19；Ti：6-8；N：8-9；RE：3-5；Ca：3-5；其余为Si。

2.如权利要求1所述的一种高强度灰铸铁强化剂，其特征在于，所述强化剂包括：V：10；Ti：6；N：8；RE：3；Ca：3；其余为Si。

3.如权利要求1所述的一种高强度灰铸铁强化剂，其特征在于，所述强化剂包括：V：13；Ti：6；N：8；RE：3；Ca：4；其余为Si。

4.如权利要求1所述的一种高强度灰铸铁强化剂，其特征在于，所述强化剂包括：V：19；Ti：8；N：9；RE：5；Ca：5；其余为Si。

5.如权利要求1所述的一种高强度灰铸铁强化剂，其特征在于，所述强化剂包括：V：15；Ti：7；N：8；RE：4；Ca：3；其余为Si。

6.如权利要求1所述的一种高强度灰铸铁强化剂，其特征在于，所述强化剂包括：V：17；Ti：7；N：9；RE：4；Ca：4；其余为Si。

7.如权利要求1至6任一项所述的一种高强度灰铸铁强化剂的强化处理工艺，其特征在于，所述强化剂的加入方法采用浇包内加入法：将强化剂放到灰铸铁浇包的底部，当冲天炉或电炉中熔化的灰铸铁铁水温度达到1480-1550度时，铁水倒入灰铸铁浇包中，高温铁水将强化剂熔化，强化剂中的元素溶入到灰铸铁铁液中，得到高强度灰铸铁，其组织为初生奥氏体枝晶为发达的等轴网络框架结构。

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