CN1032873C

CN1032873C - 致密蠕虫状石墨铸铁及其制造方法

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Publication number: CN1032873C
Application number: CN 91108989
Authority: CN
Inventors: 田中正勝; 小林莞; 渡边利隆; 奈良俊彦; 高桥龙彦
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1990-09-19
Filing date: 1991-09-12
Publication date: 1996-09-25
Anticipated expiration: 2006-09-12
Also published as: CN1140691A; CN1059939A; JP2624886B2; JPH04128340A

Abstract

一种致密蠕虫状石墨铸铁包括亚共晶成分，且其铸态珠光体区域百分比不少于90。此铸铁具有足够的抗磨损能力，且特别适合于电梯滑轮。

Description

致密蠕虫状石墨铸铁及其制造方法

本发明涉及新颖的致密蠕虫状石墨铸铁及其制造方法，并涉及由其制造的电梯滑轮。

比如，一钢丝绳悬吊着电梯梯箱并环绕着滑轮延伸，而带动钢丝绳的这个滑轮一般采用具有珠光体基本结构的片状石墨铸铁(铁铸件以下称FC)制成。FC较适宜于钢丝绳，这是因为片状石墨使FC具有自润滑效果，而且FC容易加工又不太贵。上面所说的滑轮有一绳索槽用来接纳钢丝绳以提供带动钢丝绳所需的摩擦传动力。绳索槽有一V形横截面，或者呈凹入的形式以保护钢丝绳不会与绳索槽底部相接触。也就是说，钢丝绳与绳索槽的侧表面相接触以提高其间的压力，从而增大摩擦力。尽管可以利用钢丝绳和绳索槽之间的楔形效果来增加摩擦力，但这样会碰到一个问题，即钢丝绳加剧了滑轮的磨损，从而缩短了滑轮的寿命。

我们知道球墨铸铁(球铁铸件以下称FCD)的抗磨损能力比上述FC更好，而FCD的基本结构是铸态的珠光体(日本专利未审查公开号57-188645和1-123048)。然而，FCD由于具有致密结构和高硬度，因而一般机加工的切削性能比FC差。另外，FCD的铸造成本较高。因此，FCD不适合作为制造电梯滑轮的材料。

在日本专利未审查公开号60-248864和61-3866中提出过致密的蠕虫状石墨铸铁(以下称CV)。CV在机械性能、物理性能、切削性能及可铸性方面介于FC和FCD之间。

尽管CV的上述性能介于FC和FCD之间，而其抗磨损能力接近于FC，其可铸性则接近于FCD。而且，CV的珠光体结构的稳定性(如果基本结构可容易地转换成珠光体结构，则称此珠光体结构具有“稳定性”)还不够。因此，作为具有介于FC和FCD之间的性能的铸铁，CV还不能令人十分满意。

本发明的一个目的是提供提高了抗磨损能力的、具有铸态珠光体基本结构的、其中的基本结构可容易地转换成珠光体结构的致密的蠕虫状石墨铸铁。

本发明的另一目的是提供一种制造致密的蠕虫状石墨铸铁的方法。

本发明的再一个目的是提供一种用致密的蠕虫状石墨铸铁制造的电梯滑轮。

本发明的致密蠕虫状石墨铸铁具有亚共晶成分，铸态时其铸态珠光体区域百分比(从铸铁微观结构上看，即珠光体部分的面积与除开铸态铸铁石墨的整个区域的比值，也即珠光体部分的面积/除去石墨的铸铁整个面积×100)不少于90％。

在上述组成的组分中，C是析出石墨的主要组分，Si是使CV的结构稳定的主要组分。同时，重要的是，为了稳定其珠光体区域百分比不少于90％的铸态珠光体结构，碳当量必须在亚共晶成分的范围内。在传统的CV中，使石墨具有致密蠕虫状形结构，其CV组成位于过共晶范围内。另一方面，在本发明的CV中，使石墨具有致密蠕虫状结构，其组成位于亚共晶范围内，以稳定珠光体结构。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的，一种致密的蠕虫状石墨铸铁，含C 3.3至3.8％，Si 1.5至3.0％，Mn 0.2至0.8％，P不超过0.1％，S 0.01至0.09％，Cu 0.25至1.5％，Sn 0.03至少于0.25％，Mg 0.005至0.04％，以及余量Fe和伴随的杂质，碳当量(C+不大于4.3％，不低于90％的铸态珠光体区域百分比。

一种生产致密蠕虫状石墨铸铁的方法，包括下列步骤：将熔融的具有亚共晶成分的铁质材料倒入铸模；接着采用冷铁使所述熔融材料冷却并固化，从而产生具有其铸态珠光体区域百分比不少于90％的珠光体基本结构的铸铁。

利用所述的致密蠕虫状石墨铸铁制造电梯滑轮。

本发明的优点是，这种致密蠕虫状石墨铸铁具有亚共晶成分，其铸态珠光体区域百分比不少于90％，从而具有较高的抗磨损能力。用该铸铁制造的电梯滑轮的使用寿命可成倍提高。

图1为显示本发明致密蠕虫状石墨铸铁的金属结构的显微照片；

图2为电梯滑轮的前视图；

图3为电梯滑轮的部分剖视的侧视图；

图4为显示电梯装置的示意图；

图5为显示电梯绞起装置的平面图；

图6为滑轮磨损测试装置的示意图；

图7为沿图6中的线B-B剖开的放大横剖图；

图8为解释滑轮磨损状态的示意图；

图9为显示测试频率和滑轮磨损量关系的曲线图；

图10为绳索寿命测试装置的示意图；

图11为沿图10中的线C-C剖开的放大横剖图；

图12为钢丝绳的放大横剖图；

图13为显示绳索寿命测试结果的曲线图；

图14为显示抗拉强度和声速之间关系的曲线图。

下面将描述本发明的新颖致密蠕虫状石墨铸铁的几个实施例(致密蠕虫状铁铸体以下称FCV)。

诸如球墨生铁、废钢、回收的废钢、Fe-Si、Fe-Mn、石灰石等等之类的主要原材料以及每种都有一定配比的各种辅助材料准备好后在具有酸性炉衬的冲天炉内熔化以获得熔化物。然后，对熔化物进行一系列的附加处理过程，比如在预定时间里加入一定配比的处理剂进行脱硫处理、石墨球化处理、孕育处理等，从而获得具有表一所示组成的熔化物。将每种熔化物都倒入铸模中，然后在由冷铁调节冷却速度的同时被固化，从而准备好试件。对于铸造状态的试件，要测试其机械性能、石墨球化率、基本结构珠光体化率等等。在表1中，试样1和2作为比较例，而试样3是本发明的实施例。

表1

试样号	组成(重量百分比)
	组成(重量百分比)									C	Si	Mn	Sn	Cu	S	Mg	p	Fe
	1	3.68	2.64	0.86	--	--	0.008	0.022	--	C	Si	Mn	Sn	Cu	S	Mg	p	Fe	balance
2	1	3.68	2.64	0.86	--	--	0.008	0.022	--	3.62	2.35	0.02	--	0.55	0.030	0.026	--	balance	balance
2	3	3.41	2.29	0.5	0.07	1.06	0.031	0.020	0.05	3.62	2.35	0.02	--	0.55	0.030	0.026	--	balance	balance

注意：1号和2号为比较例，3号为本发明实施例。

每种试样1和2的碳当量(C+1/3 Si)都超过4.3％以提供过共晶体，而试样3的碳当量不超过4.3％以提供亚共晶体。然而，为了稳定P，碳当量(C+1/3 Si)最好在4.0至4.3％的范围内。试样1至3的各种测量结果示于表2中。

表2

试样号	机械性能			球化率(％)	球光体区域百分比(％)
	机械性能					抗拉强度(MPa)	延展率(％)	硬度(H_B)
	1	495	7.6			抗拉强度(MPa)	延展率(％)	硬度(H_B)	207	69	68
2	1	495	7.6	473	3.2	235	67	74	207	69	68
2	3	515	3.0	473	3.2	235	67	74	248	61	94

注意：1号和2号为比较例，3号为本发明实施例。

*球化率是通过采用一圆形作为标准，将微观结构的石

墨形状分组，然后对所得的数值进行平均而得到的。

由表2可知，过共晶体组成的试样1和2的珠光体区域百分比各为68％和74％，而亚共晶体组成的试样3的珠光体区域百分比增加到94％，从而提供了具有稳定珠光体结构的FCV。从图1的显微照相(放大100倍)中可见，对于铸态的试样3的金属结构，片状石墨有一圆滑的端部，而且以几乎是完全的珠光体基本结构结晶。从表2中也可看到，试样3的各种机械性能(抗拉强度、延展率和硬度)是优秀的。

从表1的化学组成中可知，本发明的FCV(试样3)除了包括C和Si外，还包括Mn、Sn、Cu、S、Mg、P和Fe。在这些组成中，C是使石墨析出的主要成分，FCV所需的C的含量为3.0至3.9％。然而，如果此含量低于3.3％，激冷的趋势(即析出碳化物的趋势)变大，相反地，如果此含量超过3.8％，则容易产生铁素体。因此，其实用范围为3.3至3.8％，最佳范围是3.4至3.6％。

如果添加的Si的数量不够，则对FCV的稳定有反作用而促进了激冷趋势。相反地，如果添加的Si的数量太多，则石墨形状变大，从而基本结构易变成铁素体。因此，其实用范围为1.5至3.0％，最佳范围为1.8至2.5％。

Mn对稳定珠光体结构是有效的；然而，如果含有大量的Mn，则会促进激冷趋势。因此，其较佳范围是0.2至0.8％。

一般地，尽管Sn添加量有限，但应注意到超过0.03％的Sn的添加量对稳定珠光体结构起到了作用。然而，如果Sn含量超过0.25％，则石墨的形状变成片状，从而不能获得FCV的石墨形状。因此，其较佳范围为0.03至0.2％。

一般地，尽管Cu的添加量也有限，但应注意到不少于0.25％的Cu的添加量会使FCV具有珠光体结构，也对增加屈服强度和韧性有用。然而，如果Cu含量超过2.0％，在结构中易产生离析作用。因此，其较佳范围为0.25至1.5％。

在本发明中，肯定要添加S。S是用来防止石墨球化的成分。如果S含量少于0.01％，则石墨被球化，而获得的铸铁接近于球墨铸铁，从而增加了收缩量。结果，这种收缩容易产生诸如空隙之类的铸件缺陷。相反地，如果S含量超过0.09％，则石墨成片状，从而不能获得稳定的FCV。因此，其较佳范围为0.01至0.08％。

如果Mg的含量低于0.005％，则石墨成片状。相反地，如果此含量超过0.04％，则石墨成球状。在两种情形下，会发生诸如夹渣之类的铸件缺陷，因此，其较佳范围是0.005至0.04％。

如果P的含量超过0.1％，则在基本结构中会析出磷化铁(磷化物共晶体)，它是一种硬的物质。在这种情形中，当滑轮之类用这种铸铁制成时，绕在上面的钢丝索会过早磨损。因此，P含量应定为不超过0.1％。

如上所述，在本发明中，珠光体结构可稳定在珠光体区域百分比不少于90％，并可以获得具有优秀抗磨损能力的FCV。而且，上述FCV可在铸态下获得，从而在铸铁固化后无需任何处理，且可获得可铸性优越的FCV。

下面将结合附图2至5描述采用上述本发明的FCV制造的电梯滑轮。一般在电梯装置中，电梯通道1顶部的机器室2内安装有绞起装置3。此绞起装置使梯箱9(后述)上行或下行。绞起装置3包括一电动机4、用来降低电动机4转速的减速器5、一与减速器5的输出轴相连的滑轮、用来制动减速器5的输入轴的电磁闸7。滑轮6有成形于其外周缘上的多个绳索槽6G。钢丝绳8各自围绕着绳索槽6G而延伸。钢丝绳8的两端分别与梯箱9及电梯通道1里的平衡块10相连。当电动机4使滑轮6转动时，钢丝绳8通过钢丝绳8和绳索槽6G之间的摩擦力而移动，从而使梯箱9上行或下行。

为了确定采用珠光体相作为基本结构且珠光体区域百分比不小于90％的FCV制成的电梯滑轮的效果，采用图6和图7中的测试装置进行了磨损测试(寿命测试)。测试装置包括两组水平隔开的滑轮试件20a和20b，一惰轮21位于两组滑轮试件20a和20b之间但高于它们，一驱动轮22和一张力调节轮23位于滑轮试件20a和20b的外侧但低于这些滑轮，钢丝绳8由连接件24连成无绳端的形式并绕滑轮试件20a和20b、惰轮21、驱动轮22及张力调节轮23而延伸。两组滑轮试件20a和20b分别安装在两个转轴25上。两个转轴25的一端穿过各自的轴承26，两个链轮27a和27b分别安装在两个转轴的此端上。链轮27a的齿数与链轮27b的齿数稍有不同。一链条28绕两个链轮27a和27b而延伸。驱动装置30由驱动轴29与驱动轮22相连，液压装置31与张力调节轮23相连以调节张力调节轮23与驱动轮22之间的距离。

在上述结构的测试装置中，沿正常方向和相反方向反复驱动驱动装置30，从而使钢丝绳8沿图6中的箭头a和b方向移动。此时，如上所述，由于链轮27a和27b的齿数稍有不同，从而滑轮试样20a的周向速度与滑轮试样20b的周向速度不同，钢丝绳8和滑轮试件20a及20b之间产生轻微滑动，从而使滑轮试件20a及20b强制磨损。除了采用使链轮27a的齿数与链轮27b的齿数不同的方式外，也可以采用使一组滑轮试件的转速或外径与另一组滑轮试件的转速或外径不同的方式。

作为滑轮试件20a和20b，将采用本发明的以珠光体相作为基本结构且珠光体区域百分比不少于90％的FCV制成的滑轮、采用具有珠光体基本结构的FCD制成的滑轮以及采用FC制成的滑轮安装到上述测试装置中并进行比较测试。

作为滑轮试件磨损的一种估值方法，由于滑轮试件20的磨损，钢丝绳从图8中所示的位置8a移到位置8b。测量磨损部分的横截面面积32作为滑轮磨损量(mm²)。测量此滑轮磨损量时，采用造型材料根据滑轮的磨损部分制模，然后用放大的比例来测量此模的横截面积。

图9显示了滑轮试件的磨损(寿命)的上述比较测试的结果。在图9显示得很清楚，采用本发明的FCV制成的滑轮的磨损量明显小于用FC制成的滑轮的磨损量，而且抗磨损能力基本与FCD滑轮的相同。

尽管制成上述滑轮试件的FCV的珠光体区域百分比达95％，而采用同样的滑轮磨损测试装置的测试已经确定只要珠光体区域百分比不少于90％，FCV就有良好的抗磨损能力。特别地，已经确定当珠光体区域百分比为80％时抗磨损能力将下降30至40％。

已经发现当将上述FCV滑轮的旋转量转变成速度为105米/分的标准电梯的运行距离时，滑轮寿命可超过56,000公里的运行距离。56,000公里的运行距离相当于每月运行时间为120小时(这已由电梯实际运行决定)的上述标准电梯的运行距离。而105米/分是标准电梯的最高速度。56,000公里的上述运行距离相当于约7年的使用期。因此本发明的滑轮与那些3至5年就要换新的传统滑轮相比在抗磨损能力上大大提高了。

接着，为了确定本发明的FCV滑轮(用于电梯的绞起装置上)对钢丝绳的影响，采用了图10和图11中所示的测试装置进行了钢丝绳的寿命测试。

在图10中，滑轮试件20a和20b及惰轮21安排成钢丝绳试件33以双S形绕其延伸的方式，这样钢丝绳试件33是弯曲的。此测试装置与上述滑轮磨轮测试装置大致相似，不同之处仅仅是没有链轮28而呈图11所示的结构。更具体地，图11是沿图10的线C-C剖开的横剖图，显示滑轮试件20a的横剖面。各钢丝绳33所围绕并延伸的滑轮试件20a由各自单独的滑动轴承34可旋转地支撑在轴25上，而轴25的两端可旋转的支承在轴承26上。采用这种结构，可以进行钢丝绳33的连续弯曲测试，即钢丝绳33的弯曲疲劳破坏测试(寿命测试)。

作为滑轮试件，将采用本发明的FCV制成的滑轮和采用FC制成的滑轮装到上述钢丝绳寿命测试装置中。与这些滑轮结合使用的一例钢丝绳试件33的横截面示于图12中。在图12中，钢丝绳包括钢心35和合股绳36。每个合股绳36由三种细钢丝组成，即外层钢丝37、中层钢丝38和核心钢丝39。

其外层钢丝37的抗拉强度约为1324MPa的钢丝绳称作“E型钢丝绳”，一般用作电梯的钢丝绳。因此，这种钢丝绳与上述FC的滑轮试件结合使用。

其外层钢丝37的抗拉强度约165kgf/mm²的钢丝绳称作“A型钢丝绳”。这种钢丝绳与本发明的FCV滑轮试件结合使用，并进行钢丝绳寿命测试。

图13显示了钢丝寿命比较测试的结果，其中上述两种滑轮试件分别与上述钢丝绳试件结合实用，此测试采用上述测试装置进行。图13显示了钢丝绳33往复运动的次数(即钢丝绳试件的弯曲次数)和与滑轮接触的外层钢丝37的损坏状态(即断裂的钢丝37的根数)之间的关系。图13中显示得很清楚，与本发明FCV滑轮试件相结合的A钢丝绳的损坏程度和与FC滑轮试件相结合的E型钢丝绳的损坏程度相比大大降低了，因此可以知道A型钢丝绳与FCV滑轮相结合适合作为电梯的铰起装置。具体地说，已经确实钢丝绳的损坏程度降低了约50％。

其外层钢丝抗拉强度约1618MPa的A型钢丝绳已经详细描述，类试的测试已确实这种钢丝绳的外层钢丝的较佳硬度为Hv420至460。

接着将描述采用超声波对本发明的FCV进行的非破坏性测试。我们知道，一般地，通过铸铁的超声波的通过速度是与铸铁中的石墨形状肯定相关的。因此，掌握了铸铁的机械性能与超声波的通过速度之间的关系之后，准确地将超声波施加到铸铁上，就能对铸铁里的石墨形状进行分类。对本发明的FCV进行了超声波测试。图14的测试结果显示了铸铁抗拉强度(机械性能)和超声波的通过速度之间的关系。准备了采用本发明FCV制成的滑轮、采用FCD制成的滑轮及采用FC制成的滑轮作为铸铁试件，发现了这些试件的有效强度(抗拉强度)与超声波速度之间的关系。图14中看得很清楚，本发明FCV的区域介于FC区域和FCD区域之间，可以确认FCV区域内的超声波速度在4,800米/秒至5,400米/秒的范围内。类似地，当测量本发明FCV的硬度和超声波速度之间的关系时，发现与4,800米/秒至5,400米/秒的超声波速度相对应的硬度为H_B200至H_B250。

即使当采用了诸如冷铁之类的冷却速度调节装置以调节本发明的FCV(包含亚共晶成分)在固化时的冷却速度时，仍可以得到具有稳定珠光体结构且珠光体区域百分比不少于90％的FCV。

根据本发明，可以获得铸态的稳定致密的蠕虫状石墨铸铁，其珠光体区域百分比不少于90％。另外，由于本发明的新颖致密的蠕虫状石墨铸铁具有抗磨损能力和铸态的珠光体基本结构，适合于电梯滑轮以带动围绕其上延伸的钢丝绳。

Claims

1.一种致密的蠕虫状石墨铸铁，含C 3.3至3.8％，Si 1.5至3.0％，Mn 0.2至0.8％，P不超过0.1％，S 0.01至0.09％，Cu 0.25至1.5％，Sn 0.03至少于0.25％，Mg 0.005至0.04％，以及余量Fe和伴随的杂质，碳当量

不大于4.3％，不低于90％的铸态珠光体区域百分比。

2.一种生产致密蠕虫状石墨铸铁的方法，其特征在于，包括下列步骤：

将熔融的具有亚共晶成分的铁质材料倒入铸模；

接着采用冷铁使所述熔融材料冷却并固化，从而产生具有其铸态珠光体区域百分比不少于90％的珠光体基本结构的铸铁。

3.权利要求1所述的致密的蠕虫状石墨铸铁用于制造电梯滑轮。