CN103266262A - 低温高镍球铁及其铸造方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种用于低温条件下的高镍球铁，由自硬砂造型、熔炼、浇注、开箱、清理和粗加工、热处理、清理和精磨，经熔炼所得适用于低温的高镍球铁组成成分如下（质量分数）：碳（C），1.5-2%；硅（Si），1.3-1.5%；镍（Ni），15-40%；锰（Mn），0.03-0.05%，其余为铁（Fe）及硫、磷杂质。本发明还公开一种用于低温条件下的高镍球铁的铸造方法。本发明得到的高镍球铁材料满足耐低温性能，其低温冲击性能指标符合国家相关标准、规范的规定，解决了长期困扰国内超低温压缩机设备气缸等主要零件低温材料的瓶颈问题，为今后我国天然气及烃类液化、储存、输送装置设备更好更快的发展奠定了基础。

Description

低温高镍球铁及其铸造方法

技术领域

本发明涉及一种高镍球铁技术领域，特别是涉及一种可耐低温环境的高镍球铁及其铸造方法。

背景技术

我国低温材料的发展远远落后于国外发达国家水平，国内阀门低温和超低温材料大多采用铸钢和不锈钢锻件，因铸钢铸造性能较差，流动性性较低，不适用铸造多腔多孔气缸。由于球墨铸铁的铸造性能优于铸钢更适用于结构复杂、特殊零件的铸造，如瑞士布哈德公司早已研制出低温球铁材料的铸造气缸。而我国压缩机制造业，对于与低温（低于-41℃）及超低温（低于-100℃）介质直接接触的气缸、活塞等材料科研及生产仍属于空白，已严重制约我国低温装备国产化进程和技术发展。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种可耐低温环境的高镍球铁及其铸造方法。

为达上述目的，本发明一种低温高镍球铁，依序包括以下步骤：呋喃树脂自硬砂造型、熔炼、浇注、开箱、清理和粗加工、热处理、清理和精磨，最后形成质量分数为：碳（C），1.5-2%；硅（Si），1.3-1.5%；镍（Ni），15-40%；锰（Mn）0.03-0.05%，其余为铁（Fe）及硫、磷等杂质的可耐低温性能的高镍球墨铸铁及其铸造成品。

进一步地，所述呋喃树脂自硬砂造型步骤中，造型砂在砂处理工序随流加入重量百分数为0.3-1.1%的铁红涂料。进一步地，砂温控制在25-30℃，新砂与旧砂的重量比为1：6.5-7。

进一步地，所述呋喃树脂自硬砂造型步骤中，呋喃树脂加入的重量百分数为1.1-1.5%，固化剂（如氯化铵）加入的重量百分数为0.4-0.9%。

进一步地，优选所述熔炼步骤包括：将生铁废钢熔化后升温至1450-1470℃，加入镍合金升温至1520-1570℃出炉；用镍镁合金球化剂压包，球化剂加入量为每吨加入0.7-1.3%；孕育剂包底加入量为0.08-0.37%，随流孕育加入量为0.56-0.9%；经打脏扒渣后浇注，瞬时孕育加入量为0.08-0.18%。

进一步地，所述压包用圆铁片压包，厚度1.4-2.2mm，直径为25mm。

进一步地，所述浇注采用半开放半封闭式浇注系统，直浇道、横浇道、内浇道的比例为4:7:2。

进一步地，所述浇注全过程控制在10-25分钟，浇注温度为1400-1520℃之间。

进一步地，所述清理和粗加工的步骤包括：对浇注成功的铸件进行粗选，将型腔内的残砂清理干净，去掉浇注系统、外观打磨处理，抛丸后检验，及时发现包括包砂、夹渣、皮缝，偏芯、缩孔在内的外观铸造缺陷。

进一步地，所述热处理包括：将铸件升温至630～650℃之间，保温2小时，随炉冷至500℃出炉空冷。

进一步地，所述清理和精磨包括：先进行精磨，检验合格以后再抛丸处理，抛丸后20分钟之内除灰喷富锌环氧底漆（该富锌环氧底漆属于市售产品），漆膜厚度在80-120微米之间。

进一步地，本发明的方法，在清理和粗加工之前还包括炉后检测的步骤，所述炉后检测为炉后进行化学分析检测，保证各种合金元素都在所规定的范围之内，对金相试样抛光，在金相显微镜下进行观察，判断其球化率，应保证在Ⅳ级球化率以上；在清理和精磨步骤之后还包括将产品检验入库的步骤。

本发明还涉及由上述方法得到耐低温或耐超低温的高镍球铁材料质量分数为：碳（C），1.5-2%；硅（Si），1.3-1.5%；镍（Ni），15-40%；锰（Mn）0.03-0.05%，其余为铁（Fe）及硫、磷等杂质的可耐低温（-162℃或-196℃）的高镍球墨铸铁及其铸造成品。

本发明还涉及上述耐低温或耐超低温高镍球铁的应用，将其用于与低温介质直接接触的包括气缸、活塞、隔冷件、压阀罩在内的零件的铸造，优选适用于多腔、多孔结构的气缸铸造和活塞体的铸造。

本发明提供的低温高镍球铁的铸造方法，以镍含量为15-40%的高镍球铁材料为原料，通过控制呋喃树脂自硬砂造型、熔炼、浇注、开箱、清理和粗加工、热处理、清理和精磨等步骤，使得到的高镍球铁材料满足耐低温或超低温性能，可用于与低温介质直接接触的气缸、活塞、隔冷件、压阀罩等零件的制造，尤其适用于多腔、多孔结构的铸造气缸结构和活塞体的铸造结构。其低温冲击性能指标符合国家相关标准、规范的规定，解决了长期困扰国内超低温压缩机设备气缸等主要零件低温材料的瓶颈问题，为今后我国天然气及烃类液化、储存、输送装置设备更好更快的发展奠定了基础。

附图说明

图1为本发明方法得到的低温高镍球铁球化处理金相照片。

具体实施方式

下面结合具体实施方式和附图对本发明的低温高镍球铁的铸造方法作进一步说明。

以下是实施例及其测试数据等，但本发明的内容并不局限于这些实施例的范围。

以多腔、多孔结构的铸造气缸结构和活塞体的铸造结构的低温高镍球铁为例说明本发明的铸造方法，该方法由呋喃树脂自硬砂造型、熔炼、浇注、开箱、炉后检测、清理和粗加工、热处理、清理和精磨、检验入库步骤组成。

1、呋喃树脂自硬砂造型

造型砂在砂处理工序随流加入重量百分数为0.3-1.1%的铁红涂料，防止气孔的产生，新砂和旧砂的重量比为1：6.5-7，呋喃树脂的加入量为1.1-1.5w%，固化剂（如氯化铵）加入量为0.4-0.9w%，砂温恒定控制在25-30℃；

产前准备工作：本次开风前卧好下风用同材质随型冷铁，冷铁摆放位置要准确；

2吨以上开4道阶梯水口，直浇道、横浇道、内浇道的比例为4:7:2，横浇道横着开浇口要大，填料函中间两处除砂工艺孔，造型时必须带出；

水芯芯头出气孔直接造型出来，串水芯采用铁管固定底焊方式，防止漂芯。炮弹芯头，用黄泥或石棉绳封、防止呛火，砂箱外圈用封箱泥条。分箱面撒干砂，严禁使用白泥，确保环境清洁。把气道用透气绳顺出方门，涂料选用氧化铁红水基涂料，涂刷三遍，充分干燥后合箱；冒口采用暗发热冒口，放置位置随活制定，宁多勿少；所有铸件生产过程中必须贯彻原地造型原地浇注；

标识移植：将需制作的产品在铸件加工面上做好产品图号标识，同型号多件要按制造顺序做好编号、组标记。要求字迹清晰正确，做产品验收入库依据。无标识铸件不入库计产量，验收人员重点关注；

2吨以上铸件必须使用带挡脏板、水口堵的水口槽，浇注时铁液出冒口停浇，防止水口槽存铁水，小件用小水口槽；

造型时干活要减少劈缝的产生，水芯劈缝要求小于4mm；

砂箱要摏实，保证砂子强度。

2、熔炼

将生铁废钢熔化后升温至1450-1470℃，加入镍合金升温至1520-1590℃出炉。用镍镁合金球化剂压包，压包用圆铁片压包，厚度1.4～2.2mm，直径25mm。球化剂(市购)加入量为每吨加入0.7-1.3%。孕育剂（ZFYCSZFSCCM，主要成分Si：72—80%、AL：0.5--1.5%）包底加入量为0.08-0.37%，随流孕育加入量为0.56-0.9%。经打脏扒渣后浇注，瞬时孕育加入量为0.08-0.18%。倒光谱分析试块一块，进行化学成分分析，时间一分钟，合格后进行浇注，全过程控制在10-25分钟，浇注温度1400-1520℃之间。

3、浇注

浇注一包铁水完成必须控制在10分钟以内，浇注两包铁水完成必须控制在20分钟以内，需要草灰覆盖铁水保温，球化衰退后直接合到合铁槽内不准浇注其它件不准回电炉再利用；引火用废纸作烛捻，引火时稍勾不许往铁水包嘴处蘸，防止掉脏;浇注后，压火保温；浇注完毕后，剩余铁水倒Y型试块三件。Φ30mm×60mm金相试块两件。

4、开箱

薄皮小件一吨以下铸件浇注后24小时打箱;一吨以上，三吨以下铸件浇注后48小时打箱；三吨以上，六吨以下铸件浇注后60小时打箱；六吨以上，十吨以下铸件浇注后72小时打箱；十吨以上铸件浇注后90小时打箱。

5、炉后检测

炉后进行化学分析检测，保证各种合金元素都在所规定的范围之内。对金相试样抛光，在金相显微镜下进行观察，判断其球化率，应保证在Ⅳ级球化率以上。

6、清理和粗加工

对浇注成功的铸件进行粗选，将型腔内的残砂清理干净，去掉浇注系统、外观打磨处理，抛丸后检验，及时发现包砂、夹渣、皮缝，偏芯、缩孔等外观铸造缺陷，拟定处理方案，做好标识，确定后进行热处理。

7、热处理

将铸件升温至630～650℃之间，保温2小时，随炉冷至500℃出炉空冷。

8、清理和精磨

先进行精磨，检验合格以后再抛丸处理，抛丸后20分钟之内除灰喷富锌环氧底漆，漆膜厚度在80-120微米之间。

9、检验入库

试验例

根据国家相关标准对本发明方法得到的低温高镍球铁试样进行了化学成分分析、常温和低温下力学性能、低温（-196℃）下冲击性能以及低温膨胀系数、金相组织的检测，结果分别如表1-表3和图1所示。经对检测结果数据统计、分析，最终确定含镍35%的高镍球铁YDQ-196材料满足超低温（-196℃）工况下使用性能，可应用于与低温介质直接接触的气缸、活塞、隔冷件、压阀罩等零件的制造，其低温冲击性能指标符合国家相关标准、规范的规定。

表1本发明方法得到的低温高镍球铁化学成分分析结果

表2本发明方法得到的低温高镍球铁的力学性能检验结果

表3本发明方法得到的低温高镍球铁金相组织结构检验结果

石墨大小	球化率%	球化等级	金相组织
				6级	73.58	4级	奥氏体＋石墨

某工厂，处理能力10万吨/年，介质组分主要为甲烷，介质温度-162℃，该装置中所用的低温BOG压缩机气缸、活塞等低温部件的材料为本发明所主张的低温高镍球墨铸铁，其组分为：碳（C），1.75%；硅（Si），1.38%；镍（Ni），33.8%；锰（Mn）0.036%。铸造过程采用本发明所述的方法，该机组使用此组分低温球铁后，已平稳运行3年，此材料已满足实际运行工况。

某工厂，处理能力为50万吨/年，介质组分为甲烷，介质温度为-161℃，该装置中所用的低温BOG压缩机气缸、活塞等低温部件的材料也为本发明所主张的低温高镍球墨铸铁，其组分为：碳（C），1.7%；硅（Si），1.39%；镍（Ni），34.6%；锰（Mn）0.037%。铸造过程采用本发明所述的方法，该机组使用此组分低温球铁后，已平稳运行1年，此材料已满足实际运行工况。

某工厂，处理能力为50万吨/年，介质组分为甲烷，介质温度为-161℃，工厂性能试验介质为低温氮气，试验温度为-173℃，该装置中所用的低温BOG压缩机气缸、活塞等低温部件的材料也为本发明所主张的低温高镍球墨铸铁，其组分为：：碳（C），1.68%；硅（Si），1.41%；镍（Ni），35.3%；锰（Mn）0.038%。铸造过程采用本发明所述的方法，该机组在低温氮气性能试验中，已连续运行155小时，此材料已满足低温氮气-173℃试验工况。

最后所应说明的是，以上具体实施方式仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照实例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (7)

1.一种用于低温条件下的高镍球铁，由自硬砂造型、熔炼、浇注、开箱、清理和粗加工、热处理、清理和精磨，其特征在于：经熔炼所得适用于低温的高镍球铁组成成分如下（质量分数）：C，1.5-2%；Si，1.3-1.5%；Ni，15-40%；Mn，0.03-0.05%，其余为Fe及S、P杂质。

2.一种权利要求1所述的用于低温条件下的高镍球铁的铸造方法，由自硬砂造型、熔炼、浇注、开箱、清理和粗加工、热处理、清理和精磨，其特征在于：

1)呋喃树脂自硬砂造型，呋喃树脂加入的重量百分数为1.1-1.5%，固化剂加入的重量百分数为0.4-0.9%，造型砂在砂处理工序随流加入重量百分数为0.3-1.1%的铁红涂料；并控制砂温在25-30℃；

2)熔炼，将生铁废钢熔化后升温至1450-1470℃，加入镍合金升温至1520-1590℃出炉；用镍镁合金球化剂压包，球化剂加入量为每吨加入0.7-1.3%；孕育剂包底加入量为0.08-0.37%，随流孕育加入量为0.56-0.9%；经打脏扒渣后浇注，瞬时孕育加入量为0.08-0.18%；所述孕育剂的成分包括Si，72—80%；AL，0.5--1.5%；

3）浇注

在进行铁水浇注过程中，浇注温度为1400-1520℃之间，并在15-25分钟内浇注完成；

4）热处理

将铸件升温至630-650℃之间，保温2小时，随炉冷至500℃出炉空冷，即得到耐低温或耐超低温的含镍量为15-40%的高镍球铁材料；其最终组成如下（质量分数）：C，1.5-2%；Si，1.3-1.5%；Ni，15-40%；Mn，0.03-0.05%，其余为Fe及S、P杂质。

3.根据权利要求1所述的低温高镍球铁的铸造方法，其特征在于：

所述呋喃树脂自硬砂造型中，新砂与旧砂的重量比为1：6.5-7。

4.根据权利要求1所述的低温高镍球铁的铸造方法，其特征在于：

所述压包为圆铁片压包，厚度1.4-2.2mm，直径为25mm。

5.根据权利要求1所述的低温高镍球铁的铸造方法，其特征在于：

所述浇注采用半开放半封闭式浇注系统，直浇道、横浇道、内浇道的比例为4:7:2。

6.根据权利要求1所述的低温高镍球铁的铸造方法，其特征在于：

所述清理和精磨是先进行精磨，而后再抛丸处理，抛丸后20分钟之内除灰喷富锌环氧底漆，漆膜厚度在80-120微米之间。

7.根据权利要求1所述的低温高镍球铁的铸造方法，其特征在于：

经铸造后所得耐低温高镍球铁可用于与低温介质直接接触的气缸、活塞、隔冷件、压阀罩在内的零件的铸造。

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