CN102978507B - 高硅钼球铁材料及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种高硅钼球铁材料及其制备方法。该高硅钼球铁材料以重量百分比计含有：C：2.90%～3.35%；Si：4.40%～4.80%；Mo：0.50%～0.75%；Cr：0.30%～0.50%；V：0.20%～0.45%；Mn：0.10%～0.30%；Mg：0.04%～0.07%；P：≤0.07%；S：≤0.02%；其余为Fe。该高硅钼球铁材料的抗拉强度≥710MPa，屈服强度≥500MPa，延伸率≥10%，硬度为230～265HBW5/750。该高硅钼球铁材料还含有微量的Sn和Sb。本发明的高硅钼球铁材料消除了碎块石墨和石墨恶化层，保证了不同壁厚处的球化等级，同时解决了显微缩松等缺陷的。
Description
技术领域
本发明涉及一种球铁材料及其制备方法，具体涉及一种用于汽车耐高温部件的高硅钼球铁材料及其制备方法。
背景技术
高硅钼球铁由于具有较高的高温强度、热疲劳性、优异的耐氧化性、生长性以及良好的高温抗蠕变性能，因此在排气管、涡轮壳等汽车耐高温部件上应用广泛。而随着人们对环保意识和法规的提升，HT250乃至蠕铁材料已不能满足发动机的排放使用性能要求，而高硅钼球铁性能可满足现行的美国标准和欧Ⅳ标准，可以预见，高硅钼球铁作为新兴的汽车耐高温部件材料，其应用将越来越广泛。
但是，高硅钼球铁目前存在的最大问题在于：由于硅含量和钼含量较高，因此脆性较大，容易产生碎块石墨以及石墨恶化层，还容易产生显微缩松，从而导致金相组织难以达到要求。另外高硅钼球铁在高温下的抗拉强度和耐氧化性也有较大的提升空间。
中国专利文献CN102264931A公开了一种球墨铸铁，该球墨铸铁含有碳2.0～4.0%、硅3.5～5.0%、锰1.0%以下、铬0.1～1.0%、钼0.2～2.0%、钒0.1～1.0%、镁0.02～0.1%、剩余部分由铁及不可避免的杂质构成；另外，还可以含有钨0.1～1.0% 和/或铌0.02～0.30%。该文献通过加入钒来提高高温下的抗拉强度以及屈服应力，通过加入铬来提高高温下的耐氧化性。但是加入钒和铬容易形成碳化物，使得脆性更大，更容易产生碎块石墨和显微缩松。
发明内容
本发明的目的之一在于解决上述问题，提供一种消除了碎块石墨和石墨恶化层，保证了不同壁厚处的球化等级，同时解决了显微缩松等缺陷的高硅钼球铁材料。
本发明另一目的在于提供上述高硅钼球铁材料的制备方法。
实现本发明目的之一的技术方案是：一种高硅钼球铁材料，以重量百分比计含有：C：2.90%～3.35%；Si：4.40%～4.80%；Mo：0.50%～0.75%；Cr：0.30%～0.50%；V：0.20%～0.45%；Mn：0.10%～0.30%；Mg：0.04%～0.07%；P：≤0.07%；S：≤0.02%；其余为Fe。
该高硅钼球铁材料的抗拉强度≥710MPa，屈服强度≥500MPa，延伸率≥10%，硬度为230～265HBW5/750。
该高硅钼球铁材料还含有微量的Sn和Sb。微量通常是指万分之一以下，百万分之一以上，即0.0001%～0.01%。
实现本发明另一目的的技术方案是：一种高硅钼球铁材料的制备方法，具有以下步骤：①称取炉料待用；所述炉料包括下述重量百分比的物质：生铁10%～20%，废钢10%～20%，回炉料60%～70%，硅铁1%～1.5%，铬铁0.4%～0.8%，钼铁0.6%～1.0%，钒铁0.3%～0.5%，增碳剂0.5%～2.0%；②将增碳剂、生铁、废钢、回炉料依次加入到电炉中熔炼，待完全熔化后，加入硅铁、钼铁，铬铁、钒铁，在1550℃～1560℃的温度下保温2min～5min，然后降温至1400℃～1450℃进行成分分析，至成分符合要求后，升温至1550℃～1560℃，将铁水一次性倒入球化包中，同时进行球化处理；出铁结束后，将球化包内的铁水采用叉车转运至浇注工位，铁水倒入浇注包的同时进行倒包孕育；接着进行浇注，同步进行随流孕育，浇注过程中测温，当温度低于1360℃时，停止浇注；③浇注结束后，依次进行落砂、分离、抛丸以及热处理，即得高硅钼球铁材料。
上述步骤②中在将铁水倒入浇注包的过程中还加入微量的Sn和Sb。微量的定义同上。加入的方式为单质或者合金。
上述步骤②中所述的球化处理采用的球化剂为表面覆盖有Si-Ba孕育剂的低镁低稀土球化剂；其中低镁低稀土球化剂的粒度为10mm～25mm，加入量为1.0%～1.2%；Si-Ba孕育剂的粒度为3mm～8mm，加入量为0.2%～0.3%。
上述步骤②中所述的倒包孕育采用的孕育剂是粒度为3mm～8mm的Si-Ba孕育剂，其加入量为0.5%～0.6%。
上述步骤②中所述的随流孕育采用的孕育剂是粒度为0.2mm～0.7mm的Si-Ba孕育剂，其加入量为0.10%～0.15%。
上述步骤③中所述的热处理是先在930℃～950℃的温度下保温3h，然后降温至720℃～750℃保温2h～3h，最后自然冷却至环境温度。
本发明具有的积极效果：（1）本发明将熔炼后的铁水一次性倒入球化包中，并且采用叉车转运和倒包，这样可以缩短铁水的转运时间，从而适当降低了出铁温度，保证了球化稳定，进而消除了石墨恶化层。（2）本发明在将铁水倒入浇注包的同时进行倒包孕育，这样加上之前球化时的孕育以及之后浇注时的随流孕育，总共具有三次孕育，而且孕育剂均采用长效的Si-Ba孕育剂，这样可以防止孕育衰退铁水，保证了不同壁厚处的球化率≥90%，改善了球化效果，从而消除了舌尖处的显微缩松。（3）本发明在制备过程中加入微量的Sn、Sb等合金元素，这样可以消除碎块石墨，提高石墨数量和圆整度。（4）本发明的方法将铬的含量控制在0.30%～0.50%，同时将V的含量控制在0.20%～0.45%，这样能够形成VC、Cr3C2等颗粒状碳化物，并消除了网状碳化物。由于颗粒状碳化物分布均匀，因此大大提高了材料的强度，抗拉强度比普通高硅钼提高了20～30%。而且VC碳化物还具有更高的热稳定性，大大提高了材料的耐高温性能。（5）由于高硅钼材质的铸件工艺出品率较低，一般只有35%～50%，这样就会产生50%～65%的回炉料，而且通常认为回炉料的使用量不能超过50%，这是该技术领域存在的技术偏见。本发明则克服了该技术偏见，将回炉料的使用量提高到60%～70%，这样一方面不会导致回炉料积压，另一方面还可以降低生铁和硅铁的使用量，从而大大节约了生产成本。
附图说明
图1为实施例5制得的高硅钼球铁材料厚壁处的球化率图。
图2为实施例5制得的高硅钼球铁材料厚壁处的金相组织图。
图3为实施例5制得的高硅钼球铁材料薄壁处的球化率图。
图4为实施例5制得的高硅钼球铁材料薄壁处的金相组织图。
具体实施方式
（实施例1）
本实施例的高硅钼球铁材料的成分见表1。
表1
| 元素 | C/% | Si/% | Mo/% | Cr/% | V/% | Mn/% | Mg/% | P/% | S/% | Fe/% |
| 含量 | 3.13 | 4.57 | 0.63 | 0.44 | 0.34 | 0.22 | 0.057 | 0.022 | 0.006 | 余量 |
该高硅钼球铁材料的力学性能见表2。
表2
| 抗拉强度/MPa | 屈服强度/MPa | 延伸率/% | 硬度/HBW5/750 |
| 740 | 520 | 11.5 | 252 |
该高硅钼球铁材料的制备方法具有以下步骤：
①按照表3的重量百分比称取炉料待用，炉料总重量为3吨。
表3
| 原材料 | 生铁 | 废钢 | 回炉料 | 硅铁 | 铬铁 | 钼铁 | 钒铁 | 增碳剂 |
| 含量 | 20% | 10% | 65% | 1.5% | 0.5% | 0.7% | 0.3% | 2.0% |
②将增碳剂、生铁、废钢以及经过抛丸处理的回炉料依次加入到3吨的感应电炉中，在1500℃的温度下熔炼，待完全熔化后，加入硅铁、钼铁、铬铁、钒铁，升温到1555℃后保温4min，然后降温至1420℃，取光谱和碳硫样进行成分分析，当检测结果符合表4的要求后（若不符合，则调整相应成分至符合），升温至1555℃，将铁水一次性倒入球化包中同时进行球化处理。
表4
| 元素 | C/% | Si/% | Mo/% | Cr/% | V/% | Mn/% | P/% | S/% | Fe/% |
| 含量 | 3.24～3.35 | 3.4～3.6 | 0.5～0.75 | 0.3～0.5 | 0.25～0.45 | 0.1～0.3 | ≤0.07 | ≤0.02 | 余量 |
球化处理采用的球化剂为低镁低稀土球化剂，其粒度为20mm，加入量为1.2%。该低镁低稀土球化剂上覆盖有Si-Ba孕育剂，其粒度为5mm，加入量为0.2%。Si-Ba孕育剂上还覆盖有碳素钢，其加入量为1.5%，其成分为C：0.02%，Si：0.5%，Mn：0.2%，其余为Fe。
球化结束后，将球化包内的铁水采用叉车转运至浇注工位，在倒入浇注包的同时进行倒包孕育，采用的孕育剂为Si-Ba倒包孕育剂，其粒度为5mm，加入量为0.6%。
接着自动浇注机浇注，同步进行随流孕育，采用的孕育剂为Si-Ba随流孕育剂，其粒度为0.5mm，加入量为0.1%。
浇注过程中测温，当温度低于1360℃时，停止浇注，取光谱和碳硫样进行成分分析，结果见表1。
本实施例从出铁球化到浇注结束的时间为10min，比常规方法节省2min～3min。
③浇注结束3h后，到达落砂滚筒进行落砂，接着将铸件与浇注系统分进行离，再将分离好的铸件进行抛丸，最后进行热处理，即得高硅钼球铁材料。
热处理工艺如下：先在940℃的温度下保温3h，然后降温至740℃保温2h，最后自然冷却至环境温度（0～40℃）。
（实施例2～实施例4）
各实施例与实施例1基本相同，不同之处在于：高硅钼球铁材料的成分以及力学性能，见表5。
（实施例5）
本实施例与实施例1基本相同，不同之处在于：高硅钼球铁材料的成分以及力学性能，特别是在将铁水倒入浇注包的过程中还加入微量的Sn和Sb。具体结果见表5。
（实施例6～实施例8）
各实施例与实施例5基本相同，不同之处在于：高硅钼球铁材料的成分以及力学性能，见表5。
表5
| 实施例2 | 实施例3 | 实施例4 | 实施例5 | 实施例6 | 实施例7 | 实施例8 | |
| C/% | 3.15 | 3.18 | 3.13 | 3.19 | 3.20 | 3.15 | 3.16 |
| Si/% | 4.56 | 4.52 | 4.51 | 4.58 | 4.55 | 4.55 | 4.57 |
| Mo/% | 0.62 | 0.61 | 0.63 | 0.68 | 0.66 | 0.63 | 0.64 |
| Cr/% | 0.45 | 0.43 | 0.50 | 0.48 | 0.46 | 0.48 | 0.43 |
| V/% | 0.32 | 0.38 | 0.35 | 0.36 | 0.34 | 0.36 | 0.38 |
| Mn/% | 0.23 | 0.25 | 0.24 | 0.25 | 0.22 | 0.23 | 0.24 |
| Mg/% | 0.046 | 0.052 | 0.055 | 0.053 | 0.051 | 0.048 | 0.048 |
| P/% | 0.027 | 0.026 | 0.026 | 0.028 | 0.027 | 0.026 | 0.027 |
| S/% | 0.007 | 0.008 | 0.007 | 0.006 | 0.008 | 0.008 | 0.007 |
| Sn/% | - | - | - | 0.001 | 0.0005 | 0.0008 | 0.0003 |
| Sb/% | - | - | - | 0.001 | 0.0006 | 0.0007 | 0.0002 |
| Fe/% | 余量 | 余量 | 余量 | 余量 | 余量 | 余量 | 余量 |
| 抗拉强度/MPa | 725 | 720 | 730 | 735 | 740 | 745 | 735 |
| 屈服强度/MPa | 520 | 505 | 525 | 515 | 530 | 510 | 520 |
| 延伸率/% | 11.8 | 11.3 | 12.5 | 11.3 | 12.4 | 12.1 | 11.5 |
| 硬度/HBW5/750 | 235 | 235 | 230 | 245 | 240 | 235 | 235 |
（应用例）
采用实施例5的高硅钼球铁材料制成蜗壳，其球化率图和金相组织图见图1至图4。
由图1至图4可以看出，由该高硅钼球铁材料制成的蜗壳在不同壁厚处的球化率均≥90%，并且无碎块石墨，石墨球数量多（在240～330个/mm2之间）。
该高硅钼球铁材料中的铬钒碳化物和珠光体在晶界弥散度高，无网状分布，强度和耐高温性能高，抗拉强度高达710MPa以上，比普通高硅钼球铁（550MPa～620MPa）高20%～30%。
Claims (2)
1.一种高硅钼球铁材料的制备方法，其特征在于具有以下步骤：
①称取炉料待用；所述炉料包括下述重量百分比的物质：生铁10%～20%，废钢10%～20%，回炉料60%～70%，硅铁1%～1.5%，铬铁0.4%～0.8%，钼铁0.6%～1.0%，钒铁0.3%～0.5%，增碳剂0.5%～2.0%；
②将增碳剂、生铁、废钢、回炉料依次加入到电炉中熔炼，待完全熔化后，加入硅铁、钼铁，铬铁、钒铁，在1550℃～1560℃的温度下保温2min～5min，然后降温至1400℃～1450℃进行成分分析，至成分符合要求后，升温至1550℃～1560℃，将铁水一次性倒入球化包中，同时进行球化处理；所述的球化处理采用的球化剂为表面覆盖有Si-Ba孕育剂的低镁低稀土球化剂；其中低镁低稀土球化剂的粒度为10mm～25mm，加入量为1.0%～1.2%；Si-Ba孕育剂的粒度为3mm～8mm，加入量为0.2%～0.3%；
出铁结束后，将球化包内的铁水采用叉车转运至浇注工位，铁水倒入浇注包的同时进行倒包孕育；所述的倒包孕育采用的孕育剂是粒度为3mm～8mm的Si-Ba孕育剂，其加入量为0.5%～0.6%；
接着进行浇注，同步进行随流孕育，浇注过程中测温，当温度低于1360℃时，停止浇注；所述的随流孕育采用的孕育剂是粒度为0.2mm～0.7mm的Si-Ba孕育剂，其加入量为0.10%～0.15%；
③浇注结束后，依次进行落砂、分离、抛丸以及热处理，即得高硅钼球铁材料；所述的热处理是先在930℃～950℃的温度下保温3h，然后降温至720℃～750℃保温2h～3h，最后自然冷却至环境温度；
所制得的高硅钼球铁材料以重量百分比计含有：
C：2.90%～3.35%；
Si：4.40%～4.80%；
Mo：0.50%～0.75%；
Cr：0.30%～0.50%；
V：0.20%～0.45%；
Mn：0.10%～0.30%；
Mg：0.04%～0.07%；
P：≤0.07%；
S：≤0.02%；
其余为Fe；
该高硅钼球铁材料的抗拉强度≥710MPa，屈服强度≥500MPa，延伸率≥10%，硬度为230～265HBW5/750。
2.根据权利要求1所述的高硅钼球铁材料的制备方法，其特征在于：步骤②中在将铁水倒入浇注包的过程中还加入微量的Sn和Sb。
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