CN102925784B

CN102925784B - 一种孕育剂在灰铸铁中的应用

Info

Publication number: CN102925784B
Application number: CN 201210404904
Authority: CN
Inventors: 王金国; 姜启川; 逄伟; 杭新; 刘国懿; 张凤山; 侯骏
Original assignee: Jilin University
Current assignee: Jilin University
Priority date: 2012-10-21
Filing date: 2012-10-21
Publication date: 2013-10-30
Anticipated expiration: 2032-10-21
Also published as: CN102925784A

Abstract

本发明涉及一种孕育剂在灰铸铁中的应用。本发明孕育剂成分按质量百分比为40%～50%Si、5%～8%Mn、5%～8%Zr、2%～5%Ca、2%～3%Al，余量为Fe；将含有Si、Mn、Zr、Ca、Al元素的Fe合金混合、熔炼、冷却，破碎成4～8毫米尺寸的颗粒，采用浇包内孕育方法加入灰铸铁溶液中；采用本发明孕育剂孕育处理的易加工高强度灰铸铁强度达到了400MPa以上。此种孕育剂能够促进亚共晶灰铸铁凝固过程中初生奥氏体的生核，增加初生奥氏体枝晶数量，同时，能够细化灰铸铁中的石墨组织，以及减小基体珠光体组织的片间距，从而提高亚共晶灰铸铁的强度。具有加入量少、成本低、工艺简单等特点。

Description

一种孕育剂在灰铸铁中的应用

技术领域

本发明涉及一种用于细化灰铸铁组织的孕育剂，属于材料工程领域。

背景技术

随着汽车工业的不断进步,发动机正在向大马力、高速度和轻量化方向发展,对发动机上重要的缸体、缸盖等铸件提出了更高的要求,要求高强度、高致密性、高热疲劳性、低应力、表面光洁、尺寸精确。而大马力发动机缸体和缸盖大多采用灰铸铁材质，因此，对灰铸铁材料提出了更高的要求。在高强度灰铸铁生产技术方面,我国同国外相比还存在着一定的差距。我国在高强度灰铸铁的研究与生产技术上与国外的主要差距如下。

A.强度低。同样的铁水化学成分生产出来的铸件,强度比国外低1～2牌号。若想生产相同牌号的灰铸铁,就必须降低碳当量。这将引起白口倾向增大,收缩倾向增大,使薄壁处加工困难,且易出现裂纹、缩松及铸造性能变差等问题。对于发动机上的缸体、缸盖铸件还会使渗漏倾向增大。

B.铸造工艺落后。铸件壁厚大、重量大,如机床类铸件比国外重10%以上,发动机缸体比国外的重30%以上。

C.耐磨性差、寿命低。国外汽车第一次大修里程汽油车一般在30万km以上,柴油车在50～80万km,而我国汽油车仅为5～10万km,柴油车也只达10～15万km。

D.断面敏感性大,加工性能差。

造成与国外差距的原因之一是孕育技术的落后。国外非常重视对孕育剂和孕育方法的研究,孕育剂品种很多,各有各的用途,针对不同的铸件,不同的生产条件,选择适用的孕育剂。近年来,国外发展了各种新型孕育剂，即在硅铁的基础上加进一些强化孕育效果的元素,如铝、钙、钡、鳃、镁等,而且实现了孕育剂系列化、标准化、商品化。而国内前一段时间一直使用75SiFe孕育剂，品种单一，缺乏统一的质量要求，各个厂家生产的75SiFe质量各不相同,尤其又对其中的Al、Ca含量没有规定,铸件质量差。

近年来，国家科技部对孕育剂的开发研究工作非常重视,将研制与生产出各种孕育剂投放市场,取得很大成绩。

初步摸清了75SiFe中杂质元素含量的情况及对铸铁性能的影响规律。对不同Al、Ca含量对孕育效果影响进行了试验,得出含重量百分比为0.67Ca、0.8Al时石墨化效果最好。在此基础上提出了我国铸造用75SiFe的Al、Ca含量范围,并纳入了生产技术条件。

开发了多种以75SiFe为基的孕育剂,满足了不同类型铸件特别是薄壁高强度灰铸铁件的要求。

一是含Ba孕育剂。Ba在改善铸件壁厚敏感性和提高抗衰退能力方面有显著效果,即具有长效性。长春稀土合金厂、南京特种合金厂均生产含Ba重量百分比为4～8的孕育剂。二是含稀土（RE）孕育剂。少量RE能提高孕育效果,有显著减少白口倾向的作用,减慢衰退速度,但加入量不能超过一定值,否则白口增大。如与Ca、Ba复合成RE-Ca-Ba孕育剂,则其减小白口倾向,减少过冷石墨及长效功能均很好,是生产薄壁高强度灰铸铁较好的孕育剂。

三是含Sr孕育剂。能使厚断面不出现缩孔、缩松,而薄断面能显著消除白口,减小铸件产生缩松的可能性,熔解迅速,衰退慢。

四是含Zr孕育剂。可提高抗衰退能力,有利于消除铸件中的气孔,改善铁水的流动性,减小白口倾向,能得到均匀细小的A型石墨,南京特种合金厂已生产含Zr重量百分比为6左右的孕育剂。

本课题组多年来研究高强度灰铸铁，发明了“微合金化高强度灰铸铁”和“易加工高强度灰铸铁”，用于制造大马力柴油发动机缸体毛坯。为了进一步提高高强度灰铸铁的强度，研究了不同孕育剂孕育处理对高强度灰铸铁组织、性能的影响，采用本发明孕育剂孕育处理的高强度灰铸铁抗拉强度比采用75SiFe孕育处理高强度灰铸铁的抗拉强度明显提高，达400MPa以上。

发明内容

本发明的目的是提供一种孕育剂在灰铸铁中的应用。首先提供一种加入量少、成本低、工艺简单的灰铸铁用孕育剂，此种孕育剂采用浇包内加入方法，能够促进亚共晶灰铸铁凝固过程中初生奥氏体的生核，增加初生奥氏体枝晶数量，同时能够细化灰铸铁中的石墨组织，提高亚共晶灰铸铁的强度。

本发明的目的通过以下技术方案实现：

一种孕育剂在灰铸铁中的应用，孕育剂成分按质量百分比为40%～50%Si、5%～8%Mn、5%～8%Zr、2%～5%Ca、2%～3%Al，余量为Fe；孕育剂的制备方法，将含有Si、Mn、Zr、Ca、Al元素的Fe合金混合、熔炼、冷却，破碎成4～8毫米尺寸的颗粒，采用浇包内孕育方法加入灰铸铁溶液中；孕育剂孕育处理的易加工高强度灰铸铁，合金成分按质量百分比为：2.90%～3.50%C、1.50%～2.40%Si、0.20%～0.80%Mn、0.01%～005%P、0.03%～0.15%S、0.20%～0.80%Cu、0.15%～0.50%Cr、0.01%～0.10%Sn、0.005%～0.10%N、0.005%～0.1%V，余量为Fe，采用500Kg工频熔炼炉熔炼，热电偶测温，铁水出炉温度1530℃，浇包内孕育，孕育剂加入量按质量百分比为0.4%，充分搅拌后在树脂砂型中浇注抗拉强度测定及组织分析试样，试样尺寸Ф30mm×300mm。

图例说明

图1试验灰铸铁A的石墨组织。

图2试验灰铸铁B的石墨组织。

图3试验灰铸铁A的珠光体组织。

图4试验灰铸铁B的珠光体组织。

图5试验灰铸铁A的初生奥氏体组织。

图6试验灰铸铁B的初生奥氏体组织。

图7试验灰铸铁C的石墨组织。

图8试验灰铸铁D的石墨组织。

图9试验灰铸铁C的珠光体组织。

图10试验灰铸铁D的珠光体组织。

图11试验灰铸铁C的初生奥氏体组织。

图12试验灰铸铁D的初生奥氏体组织。

具体实施方式

1、试验采用发明专利“易加工高强度灰铸铁”，合金成分如表1所示。采用500Kg工频熔炼炉熔炼，热电偶测温，铁水出炉温度1530℃，浇包内孕育，孕育剂加入量按质量百分比为0.4%，充分搅拌后在树脂砂型中浇注抗拉强度测定及组织分析试样，试样尺寸Ф30mm×300mm。

表1实验灰铸铁的化学组成（质量百分比）

说明：A试样采用75Si-Fe孕育处理，B试样采用本发明孕育剂孕育处理

表2为试验灰铸铁的性能测定结果，可以看出，采用本发明孕育剂孕育处理使灰铸铁的强度、硬度都得到了意想不到的提高。图1为采用75Si-Fe孕育处理灰铸铁的石墨组织，图2为采用本发明孕育剂孕育处理灰铸铁的石墨组织，可以看出：采用75SiFe孕育剂孕育处理的试验灰铸铁A中有较多大尺寸石墨存在，石墨组织的均匀性较差，经本发明孕育剂孕育处理的灰铸铁石墨变得更加均匀、弯曲，大尺寸石墨数量减少。图3为经过75Si-Fe孕育处理的灰铸铁基体珠光体组织，图4为经过本发明孕育剂孕育处理灰铸铁的基体珠光体组织，经过本发明孕育剂孕育处理灰铸铁珠光体的片间距相对细小，这即是表2所示性能测定中经本发明孕育剂孕育处理后灰铸铁基体硬度相对较高的原因。图5、图6分别为试验灰铸铁A、B退火热处理后的初生奥氏体组织，可以看出经本发明孕育剂孕育处理后初生奥氏体枝晶数量明显增多，网络框架结构更发达，本发明孕育剂能够促进亚共晶灰铸铁凝固过程中初生奥氏体的生核。综上，经本发明孕育剂孕育处理使灰铸铁抗拉强度提高的主要原因有以下几点：第一，使石墨变得更加均匀、细小、弯曲。第二，使珠光体片间距减小。第三，增加了初生奥氏体枝晶数量，使奥氏体网络框架更加明显。

表2实验灰铸铁的力学性能

2、试验采用发明专利“易加工高强度灰铸铁”，合金成分如表3所示。采用500Kg工频熔炼炉熔炼，热电偶测温，铁水出炉温度1530℃，浇包内孕育，孕育剂加入量按质量百分比为0.4%，充分搅拌后在树脂砂型中浇注抗拉强度测定及组织分析试样，试样尺寸Ф30mm×300mm。

表3实验灰铸铁的化学组成（质量百分比）

说明：C试样采用75Si-Fe孕育处理，D试样采用本发明孕育剂孕育处理

表4为试验灰铸铁的力学性能，可以看出采用本发明孕育剂孕育处理灰铸铁的抗拉强度及硬度均高于采用75Si-Fe孕育处理灰铸铁的抗拉强度和硬度，说明采用本发明孕育剂孕育处理对不同合金成分的灰铸铁同样具有良好的强化作用。图7是采用75Si-Fe孕育处理灰铸铁的石墨组织，图8是采用本发明孕育剂孕育处理灰铸铁的石墨组织，可以看出采用本发明孕育剂孕育处理灰铸铁的石墨组织相对弯曲及均匀；图9和图10为采用不同孕育剂孕育处理灰铸铁基体珠光体组织，同样，采用本发明孕育剂孕育处理灰铸铁的珠光体片间距相对细小。图11和图12为试验灰铸铁C、D经退火热处理后的初生奥氏体组织，可以看出，经本发明孕育剂孕育处理的试验灰铸铁D的初生奥氏体枝晶比较发达。以上三点是使灰铸铁强度得到提高的原因

表4实验灰铸铁的力学性能

Claims

1.一种孕育剂在灰铸铁中的应用，孕育剂成分按质量百分比为40％～50％Si、5％～8％Mn、5％～8％Zr、2％～5％Ca、2％～3％Al，余量为Fe；孕育剂的制备方法：将含有Si、Mn、Zr、Ca、Al元素的Fe合金混合、熔炼、冷却，破碎成4～8毫米尺寸的颗粒，采用浇包内孕育方法加入灰铸铁溶液中；孕育剂孕育处理的易加工高强度灰铸铁，合金成分按质量百分比为：2.90％～3.50％C、1.50％～2.40％Si、0.20％～0.80％Mn、0.01％～005％P、0.03％～0.15％S、0.20％～0.80％Cu、0.15％～0.50％Cr、0.01％～0.10％Sn、0.005％～0.10％N、0.005％～0.1％V，余量为Fe，采用500Kg工频熔炼炉熔炼，热电偶测温，铁水出炉温度1530℃，浇包内孕育，孕育剂加入量按质量百分比为0.4％，充分搅拌后在树脂砂型中浇注抗拉强度测定及组织分析试样，试样尺寸Φ30mm×300mm。