CN103194660B - 一种低温铁素体球墨铸铁材料的制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种低温铁素体球墨铸铁材料的制造方法，材料的化学成分为C：3.5～3.9，Si：1.9～2.3，Mn≤0.2，P≤0.03，S≤0.02，Mg:0.04～0.06，Ni:0.25～0.95；材料的性能达到：-40℃、-50℃、-60℃下冲击功均≥12J，室温抗拉强度均≥400MPa，延伸率均≥18%，其它主要力学性能指标合格。可广泛应用于寒冷地带及具有低温抗冲击、高韧性要求的机械装备产品的制造。

Description

一种低温铁素体球墨铸铁材料的制造方法

技术领域 

本发明涉及一种新型低温高强度高韧性抗冲击铁素体球墨铸铁新材料的制造方法。  

背景技术

随着时代的发展，科学技术越来越先进，对一些基础行业和材料也逐步提出了新的更高的要求，例如轨道交通业、风电行业都对球墨铸铁在低温下的性能提出了更高的要求。目前，国内外球墨铸铁低温下的标准，仅规定了-20℃及-40℃下低温冲击吸收功≥12J，且达到-40℃低温冲击性能的抗拉强度仅为≥350MPa，而受运行环境影响，一些轨道交通产品不仅要求在-40℃时，甚至在-50℃、-60℃时，冲击吸收功均要≥12J,同时要求抗拉强度均要≥400MPa，延伸率均≥18%，国内、国外现有的产品尚无法达到此标准的要求。

低温高强度高韧性抗冲击铁素体球墨铸铁材料生产技术在国际上也只有西门子等几个企业掌握，能够借鉴的经验几乎没有，国内更是没有企业能够掌握其生产工艺，没有能够生产的。中国只能依赖进口，但是进口的产品综合性能达不到产品性能要求。

发明内容  

本发明所要解决的技术问题是，提供一种低温铁素体球墨铸铁材料的制造方法，通过严格选择、控制其化学成分，制备工艺步骤，采用先进球化孕育处理工艺，优化热处理工艺，进一步提高材料的耐低温抗冲击等综合性能：在-40℃、-50℃、-60℃下冲击功均≥12J，室温抗拉强度均≥400MPa，延伸率均≥18%，其他主要力学性能指标均达标，实现材料的高强度高韧性抗冲击，满足产品性能要求。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案如下：

一种低温铁素体球墨铸铁材料的制造方法，其特征是：

（1）、原材料投料质量比例：废钢8%～12%，回炉铁8%～12%，余量为高纯生铁；以及废钢、回炉铁、高纯生铁总量0.3%～1%的镍；

其中高纯生铁成份要求：C≥3.5%，Si≤0.5%，Mn≤0.2%，P≤0.03%，S≤0.02%，Ti≤0.03%，其他微量元素综合≤0.05%；

（2）、熔炼：出炉温度1540～1550℃；

（3）、球化及孕育：采用喂丝球化及孕育处理工艺；采用单丝喂丝球化及炉前孕育处理工艺；采用转包球化处理工艺；

（4）、试块：采用附铸试块；

（5）、浇注时均随流加入0.05%～0.15%的随流孕育剂；

（6）、铸件浇注温度在1380℃～1420℃之间；

（7）、保温4小时后打开砂型；

（8）、热处理； 

所述低温高强度高韧性抗冲击铁素体球墨铸铁材料的成品组分及其质量比例为C：3.5%～3.9%，Si：1.9%～2.3%，Mn≤0.2%，P≤0.03%，S≤0.02%，Mg: 0.04%～0.06%， Ni: 0.25～0.95%。 

其中热处理：炉内加热至880～920℃，保温2小时；然后随炉冷却速度控制在80℃/小时以下，缓慢冷却至500～700℃，出炉。 

    可以采用喂丝球化及孕育处理工艺步骤:

（1）设定球化包芯线加入量为0.8%，孕育包芯线加入量为0.6%；

（2）设定喂丝速度为30米/分钟；

（3）将铁水表面的渣清理干净，将铁水包转运到球化处理站，使包盖与铁水包密封严实；

（4）启动球化及孕育喂丝按钮，两种包芯线通过导管进入铁水中开始球化反应及孕育处理；

（5）反应完毕后，将铁水包移离球化站，撒入聚渣剂，将铁水表面的渣子扒干净；

（6）转入浇注场地进行浇注。

也可以采用单丝球化包芯线进行球化处理，采用炉前加入孕育剂的方法进行孕育：

（1）在出铁水过程中，向铁水流上撒入孕育剂，铁水流动过程中搅拌熔化；

（2）出铁水完毕后，进行扒渣处理；

（3）然后将铁水包转入球化站进行球化包芯线喂丝球化处理；

（4）处理结束后，经扒渣、炉前检测，转入浇注场地进行浇注。

其中转包球化处理工艺步骤如下：

（1）、将转包平放，在反应室中加入纯镁块；

（2）、向转包中冲入铁液；

（3）、将转包翻转90度，使反应室处于包的底部，铁水通过反应室预留的小孔进入反应室，开始球化反应，反应产生的镁蒸汽上浮，不断被铁液吸收，并产生搅拌作用使铁水整体被球化；

（4）、反应完毕后，将转包反向翻转，将铁水倒入浇包中；

（5）、在出铁过程中，向铁水流上撒入孕育剂，铁水流动过程中搅拌熔化；

（6）、出铁水完毕后，进行扒渣处理；

（7）、经扒渣处理后转入浇注场地进行浇注。

本发明的积极效果在于：

一、新材料成分配比及原材料的选择是本发明的第一项关键技术。新材料成分的选择：碳是促进石墨化元素。 提高碳当量可以提高球铁的石墨化程度，减少白口倾向，提高铁素体的含量，但碳量过高也会造成石墨漂浮，因此，根据铸件的壁厚不同，一般选择碳量为3.5～3.9。硅也是促进石墨化元素，其作用相当于碳的三分之一，提高硅量也可提高铁素体含量，提高常温韧性。但是，随着硅量的增加，其韧脆性转变温度则提高，硅量过高将使得其低温冲击韧性达不到要求。对有-40℃到-60℃冲击要求的低温铁素体球墨铸铁材料，硅量一般控制在1.9～2.3。锰是促进珠光体元素，能提高强度和硬度，但会显著降低冲击韧性。因此要严格控制其含量。对低温高韧性球墨铸铁而言，锰含量要控制在0.2以下。硫、磷为有害元素，必须严格控制其含量，硫要控制在0.02以下，磷要控制在0.03以下。

由于为满足低温冲击性能而降低了硅的含量，这样就会使抗拉强度达不到400MPa，要提高强度，可以通过添加某些合金元素来实现，但一些常规元素，如铜等虽然可以提高强度，但却会显著降低低温冲击性能，因此必须选用一种既能提高强度，又对低温冲击性能影响小的合金元素。镍比较符合这个要求，经试验，选择其加入量为0.3～1。

综合以上要求，归纳为低温铁素体球墨铸铁材料化学成分要求为：C：3.5%～3.9%，Si：1.9%～2.3%，Mn≤0.2%，P≤0.03%，S≤0.02%，Mg: 0.04%～0.06%， Ni: 0.25%～0.95%。

基于以上要求，一般铸造生铁难于满足其成分要求，因此必须采用高纯生铁，高纯生铁具有低硅、低锰、低磷 、低硫、微量元素含量低的特点，适合于低温高强度高韧性抗冲击球墨铸铁件的制造。

二、采用喂丝球化及孕育处理新工艺是本发明的第二项关键技术。

1. 球化包芯线的加入量对球化有着关键的影响，加入量少，则球化不良，加入过多，则会造成残留镁量过多，增加收缩倾向，且会造成成本的增加。孕育包芯线含有高效孕育剂，可以强化孕育效果，细化组织，降低珠光体含量，提高铁素体含量；本发明确定的球化包芯线加入量为铁水总量的0.8%，孕育包芯线加入量为铁水总量的0.6%；喂丝速度对球化质量也有重要的影响，喂丝速度过快，则包芯线会浮在铁水表面，使球化反应只在铁水表面进行。喂丝速度过慢，则包芯线伸入不到铁水底部，这些都会影响下部铁水的球化。本发明确定的喂丝速度为30米/分钟。

普通球化处理方式一般为冲入法，本发明喂丝球化方式与冲入法相比具有下列优点：（1）不需要在包坑内加入球化剂，也不需要覆盖铁屑等覆盖剂，降低了工人劳动强度。使铁水更加纯净无杂质；（2）铁水降温程度低；（3）球化效果好，石墨球的圆整度好，球化率达90%以上；（4）石墨球圆整度高，对生产低温球铁，提高抗拉强度、延伸率、冲击韧性很有利。

三、采用转包球化处理工艺是本发明的第三项关键技术。这种方法的优点是：与冲入法相比，克服了镁吸收率低，球化效果不稳定的缺点，可以大大提高镁的吸收率，能有效的提高球化效果，提高产品的抗拉强度、延伸率、冲击韧性，且性能稳定。

四、热处理工艺的选择是本发明的第四项关键技术。受冷却条件等因素的影响，该材料的铸态组织可能会存在渗碳体及珠光体，这将直接影响材料的低温冲击性能，这就需要通过热处理来改善基体组织，满足要求的各项力学性能。而采用高温退火的热处理工艺，就会使渗碳体及珠光体全部转变为铁素体，基体组织得到均匀细化，保证各项力学性能指标达到要求。

对该材料的附铸试块进行各项力学性能试验。结果显示：-40℃、-50℃、-60℃时冲击功均≥12J，抗拉强度均≥400MPa，延伸率均≥18%,硬度、化学成分、金相均合格。

低温抗冲击性能及主要力学性能与国家标准和现有产品的对比结果如表1：

表1对比表

具体实施方式 

下面结合具体实施方式进一步说明本发明。

下述实施例中所用方法如无特别说明均为常规方法，所述百分比含量如无特别说明均为质量百分含量。

（1）、原材料投料质量比例：废钢10%，回炉铁10%，高纯生铁（C≥3.5%；Si≤0.5%；Mn≤0.2%；P≤0.03%；S≤0.02%；Ti≤0.03%；其它微量元素：如铬、钼、钒、锡、锑、铅、铋、铝、硼、碲、砷等的含量总和≤0.05%。）80%；以及废钢、回炉铁、高纯生铁总量0.8%的镍。

（2）、熔炼：出炉温度1540～1550℃；

（3）、采用喂丝球化及孕育处理工艺；采用单丝喂丝球化及炉前孕育处理工艺；采用转包球化处理工艺；

（4）、试块：采用厚度为25mm的附铸试块；

（5）、浇注时均随流加入0.05～0.15%的随流孕育剂；

（6）、铸件浇注温度在1380℃～1420℃之间；

（7）、保温4小时后打开砂型；

（8）、热处理：炉内加热至880～920℃，保温2小时；随炉缓慢冷却至500℃～700℃，出炉； 

具体制造方法如下：

球化及孕育处理

1、采用喂丝球化及孕育工艺

（1）、喂丝球化站由喂丝机、球化及孕育包芯线、包盖、处理室组成，喂丝球化包芯线内含有30%左右的镁，可以显著提高球化效果。孕育包芯线含有高效孕育剂，可以强化孕育效果，细化组织，降低珠光体含量，提高铁素体含量；设定球化包芯线及孕育包芯线加入量，确定球化包芯线加入量为0.8%，孕育包芯线加入量为0.6%；设定喂丝速度，确定喂丝速度为30米/分钟；将各种炉料加入炉中，送电熔化，取样进行化学成分分析，再调整成分，达到出炉温度后，将铁水放入包内，对铁水进行扒渣处理；将铁水包转运到球化处理站，使包盖与铁水包密封严实；启动球化及孕育喂丝按钮，两种包芯线通过导管进入铁水中开始球化反应及孕育处理。

（2）、还可采用单丝球化包芯线进行球化及人工孕育工艺。炉前铁水成分及温度合乎要

求后，开始向铁水包内出铁水；在出铁水过程中，向铁水流上撒入孕育剂，铁水流动过程中搅拌熔化；出铁水完毕后，进行扒渣处理；然后将铁水包转入球化站进行球化包芯线喂丝球化处理。 

与普通冲入法相比，球化处理时烟尘较少，不需要在包坑内加入球化剂，也不需要覆盖铁屑等覆盖剂，铁水纯净、杂质少；铁水降温程度低；球化丝的加入量较少，球化效果好，石墨球的圆整度好，球化率达90%以上，球化效果稳定，对生产低温球铁提高冲击韧性、抗拉强度、延伸率很有利。

2. 采用转包球化处理工艺。

转包平放，在反应室中加入纯镁块；向转包中冲入铁液；将转包翻转90度，铁水通过反应室预留的小孔进入反应室，开始球化反应，反应产生的镁蒸汽上浮，不断被铁液吸收，并产生搅拌作用使铁水整体被球化；反应完毕后，将转包反向翻转，将铁水倒入浇包中；在出铁过程中，向铁水流上撒入孕育剂，铁水流动过程中搅拌熔化。 

这种方法的优点是：与冲入法相比，克服了镁吸收率低，球化效果不稳定的缺点，可以大大提高镁的吸收率，能有效的提高球化效果，提高产品的抗拉强度、延伸率、冲击韧性，且性能稳定。

    处理结束后，经扒渣、炉前检测，然后将铁水浇入砂型中，浇注时再随流加入0.05～0.15%左右的随流孕育剂。

保温4小时后打开砂型，将铸件取出。 

将铸件清理、抛丸、打磨。

热处理：将铸件送入热处理炉内加热至880～920℃，保温2小时以上，随炉缓慢冷却至500℃～700℃，出炉 ，其中冷却速度是关键因素，冷却速度过快，奥氏体将不能全部转变为铁素体，会产生部分珠光体，这将对材料的低温冲击性能产生影响。本发明要求随炉冷却速度小于80℃/小时。

试块加工：将试块从铸件上切下，并加工出拉伸试棒和冲击试块。

性能检测

通过多次试验，各种性能都达到了预期要求，现选取部分试验结果（使用喂丝球化孕育工艺）列示如表2：

表2

选取部分试验结果（使用转包球化处理工艺）列示如表3： 

表3

从以上结果可以看出：通过采用上述制造方法制造的材料其各项性能指标均达到了要求，这是一种低温高强度高韧性抗冲击铁素体球墨铸铁材料。

所述低温高强度高韧性抗冲击铁素体球墨铸铁材料的成品组分及其质量比例符合以下要求：C：3.5%～3.9%，Si：1.9%～2.3%，Mn≤0.2%，P≤0.03%，S≤0.02%，Mg: 0.04%～0.06%， Ni: 0.25%～0.95%。

Claims (3)

1.一种低温铁素体球墨铸铁材料的制造方法，其特征是：

（1）、原材料投料质量比例：废钢8%～12%，回炉铁8%～12%，余量为高纯生铁；以及废钢、回炉铁、高纯生铁总量0.3%～1%的镍；

其中高纯生铁成份要求：C≥3.5%，Si≤0.5%，Mn≤0.2%，P≤0.03%，S≤0.02%，Ti≤0.03%，其他微量元素综合≤0.05%；

（2）、熔炼：出炉温度1540～1550℃；

（3）、球化及孕育：采用喂丝球化及孕育处理工艺或者采用单丝喂丝球化及炉前孕育处理工艺；采用转包球化处理工艺；

（4）、试块：采用附铸试块；

（5）、浇注时均随流加入0.05%～0.15%的随流孕育剂；

（6）、铸件浇注温度在1380℃～1420℃之间；

（7）、保温4小时后打开砂型；

（8）、热处理； 

所述低温高强度高韧性抗冲击铁素体球墨铸铁材料的成品组分及其质量比例为C：3.5%～3.9%，Si：1.9%～2.3%，Mn≤0.2%，P≤0.03%，S≤0.02%，Mg: 0.04%～0.06%， Ni: 0.25～0.95%；

其中喂丝球化及孕育处理工艺步骤:

（1）、设定球化包芯线加入量为0.8%，孕育包芯线加入量为0.6%；

（2）、设定喂丝速度为30米/分钟；

（3）、将铁水表面的渣清理干净，将铁水包转运到球化处理站，使包盖与铁水包密封严实；

（4）、启动球化及孕育喂丝按钮，两种包芯线通过导管进入铁水中开始球化反应及孕育处理；

（5）、反应完毕后，将铁水包移离球化站，撒入聚渣剂，将铁水表面的渣子扒干净；

（6）、转入浇注场地进行浇注；

其中单丝喂丝球化及炉前孕育处理工艺的步骤：

（1）、在出铁水过程中，向铁水流上撒入孕育剂，铁水流动过程中搅拌熔化；

（2）、出铁水完毕后，进行扒渣处理；

（3）、然后将铁水包转入球化站进行球化包芯线喂丝球化处理；

（4）、处理结束后，经扒渣、炉前检测，转入浇注场地进行浇注。

2.如权利要求1所述的低温铁素体球墨铸铁材料的制造方法，其特征在于其中热处理：炉内加热至880～920℃，保温2小时；然后随炉冷却速度控制在80℃/小时以下，缓慢冷却至500～700℃，出炉。

3.如权利要求1或2所述的低温铁素体球墨铸铁材料的制造方法，其特征在于其中转包球化处理工艺步骤如下：

（1）、将转包平放，在反应室中加入纯镁块；

（2）、向转包中冲入铁液；

（3）、将转包翻转90度，使反应室处于包的底部，铁水通过反应室预留的小孔进入反应室，开始球化反应，反应产生的镁蒸汽上浮，不断被铁液吸收，并产生搅拌作用使铁水整体被球化；

（4）、反应完毕后，将转包反向翻转，将铁水倒入浇包中；

（5）、在出铁过程中，向铁水流上撒入孕育剂，铁水流动过程中搅拌熔化；

（6）、出铁水完毕后，进行扒渣处理；

（7）、经扒渣处理后转入浇注场地进行浇注。