CN103436772B

CN103436772B - -60℃低温韧性铁素体球墨铸铁及其制备方法

Info

Publication number: CN103436772B
Application number: CN201310401571.1A
Authority: CN
Inventors: 丁杰; 尤其光; 赵金权; 孙一; 孙乐
Original assignee: CHANGZHOU HUADE MACHINERY Co Ltd
Current assignee: CHANGZHOU HUADE MACHINERY Co Ltd
Priority date: 2013-09-05
Filing date: 2013-09-05
Publication date: 2016-03-30
Anticipated expiration: 2033-09-05
Also published as: CN103436772A

Abstract

本发明提供一种-60℃低温韧性铁素体球墨铸铁及制备方法，组分及含量为：C3.60～3.80%、Si1.80～2.1%、Mn＜0.08%、P＜0.025%、S＜0.01%、Ti＜0.02%、Ni0.3～0.7%、Mg残0.03～0.05%、Re残＜0.01%，余量为Fe。其制备方法为1、将生铁、废钢和球化合金依次进行熔炼、球化处理和孕育处理；2、从球化包将贴水浇注入型腔，球化处理结束到浇注结束时间为6分钟内，浇注温度为1440℃～1380℃；3、将上述的铸铁低温球铁进行退火热处理。本发明的低温球铁在零下60℃时，在保持高强度的条件下，同时具有良好的韧性，符合QT400-18AL相对应的标准要求。

Description

-60℃低温韧性铁素体球墨铸铁及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种铁素体球磨铸铁，尤其是低温铁素体球墨铸铁。

背景技术

随着高铁列车运行向更低气温区域拓展，-50℃和-60℃的超低温、高强度（≥400MPa）、高韧性（≥12J）的QT400-18AL低温球铁被提出来了。

由于球铁的抗拉强度与冲击性能有着很强的互相制约关系，大量的试验和生产数据表明，就现有生产工艺而言，当温度降至-50℃时，这制约的程度已接近QT400-18AL技术标准的“极限”。表1是为本公司专利CN102120253A提供的低温球铁二次试样的检验结果。

如果把不同温度区域的冲击功下降值与温度下降值即转变速率的比值列出来，见表2，可以看到温度低于-50℃之后，冲击功随着温度下降的应变速率大幅度提高，意味着低温球铁的韧性开始大幅度下降，快速地向脆性方向发展，当温度降至-60℃时，冲击功只有10.1～10.7J,已达不到≥12J的技术要求。

表1二次试样的自检结果

表2冲击功下降与温度下降的比较

可以看出，研制-60℃的QT400-18AL，也就是在保持高强度（400MPa）的条件下，-60℃的超低温时依然保持着良好韧性（≥12J），这是一项严峻的挑战。原有的技术已显不足，需要有新的突破和创新。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：克服现有技术中低温球铁在保持高强度（400MPa）的条件下，-60℃的超低温时不能保持着良好韧性的不足，提供-60℃低温韧性铁素体球墨铸铁及其制备方法。

为解决上述技术问题本发明采用的技术方案是：一种-60℃低温韧性铁素体球墨铸铁，其组分及质量百分含量为：C:3.60～3.80%、Si:1.80～2.10%、Mn＜0.08%、P＜0.025%、S＜0.01%、Ti＜0.02%、Ni：0.30～0.70%、Mg残：0.03～0.05%、Re残＜0.01%，余量为Fe。

为达到更好的低温机械性能，所述的铁素体球墨铸铁铸态100倍金相检查下的晶界碳化物+磷共晶+夹杂物≈0；球化等级为1～2级；石墨球数为100～150个/mm²。

上述-60℃低温韧性铁素体球墨铸铁的制备方法，步骤如下：

（1）配料：生铁、废钢、回炉料和纯镍，其中回炉料添加量为0～55%；

（2）将配料依次进行熔炼、球化处理和孕育处理；

其中铁液熔化后取样检测成分，控制铁液球化干扰系数K1＜0.5，珠光体系数Px＜0.5；其中K1=4.4Ti+2.0As+2.3Sn+5.0Sb+290Pb+370Bi+1.6Al；Px=3.0Mn-2.65(Si-2.0)+7.75Cu+96Sn+3.57Pb+333Bi+20.1As+9.6Cr+71.7Sb；

当温度达到1520℃-1540℃时，出炉球化，球化采用冲入法，将所有球化剂包底，并扒平紧实，在球化剂上部覆盖孕育剂，在孕育剂上部再用碎铁料扒平压实，其中球化剂为铁液质量的1～1.2%，孕育剂为铁液质量的0.3～0.6%，碎铁块为铁液质量的0.5～1.2%；

在铁液出到一半时，在倾倒的铁液流中均匀加入孕育剂进行孕育处理，其中孕育剂为铁液质量的0.3～0.6%，直至铁液出完，球化处理时间为60～90s，球化反应结束后，取样检测，控制球化后铁液成分：C3.6～3.8%，Mn＜0.08%，P＜0.025%，S＜0.01%，Ti＜0.02%，Ti0.30～0.70%，Mg残0.03～0.05%，Re＜0.01%，Cr＜0.02%，在球化包中均匀撒上除渣剂迅速除渣；

（3）将除渣后铁液起吊至浇注工位，从球化包将铁液浇注入型腔进行浇注，浇注温度为1380℃～1440℃，此温度可提高提铁液的纯净度，球化处理结束到浇注结束时间为6分钟内，在浇注的同时在铁液流中均匀撒上孕育剂进行瞬时孕育；

（4）将上述的浇注后的铸铁进行退火热处理，热处理工艺为：在880℃保温2～3h，随炉冷却至720℃保温2～3h。

作为优选，所述的生铁为高纯生铁，成分为C3.8～4.1%，Si≤0.7%，Mn≤0.03%，P≤0.02%，S≤0.01%，Ti≤0.025%，Cr≤0.02%，Sn≈0.005%，Sb≈0.0001%，Al≈0.005，余量为铁；所述的废钢成分为：C≤0.1%，Si≤0.1%，Mn≤0.2%，P≤0.01%，S≤0.01%，Ti≤0.01%，Cr≤0.02%，Sn≈0.0004%，Al≈0.03%，余量为铁。

作为优选，步骤（2）所述的球化剂为埃肯5800球化剂；步骤（2）所述的孕育剂为硅钡孕育剂，其中含Si70～74%，Ba1～3%，Ca0.5～1.5%。

作为优选，步骤（3）所述的孕育剂为硫氧孕育剂，其中含Si70～76%，Ca0.75～1.25%，Al0.75～1.25%，Ce1.5～2.0%，孕育剂加入量为铁液质量的0.1～0.2%。

本发明所选的组分及其含量原因如下：

（1）低Mn、低P和低Ti的化学成分：

Mn、P、Ti是对球铁韧-脆转变温度有重要影响的元素。理论分析，Si量变化0.1%，韧-脆转变温度变化5℃～6℃；Mn量变化0.1%，转变温度变化11℃～12℃；P量变化0.01%，转变温度变化4℃～5℃。而且Mn、P还是产生晶界碳化物、磷共晶和夹杂物，导致低温冲击性能下降的有害元素。所以，将降低这些元素含量并控制在非常低范围内，尽管这样控制和降低会给材料的选择和生产过程中的工艺控制带来更高的技术难度。除了低Mn、低P、低Ti之外，其他微量干扰元素对低温球铁、尤其是对超低温、高韧性球铁的有害影响是不可忽视，因此本发明限定了铁液的球化干扰系数＜0.5，珠光体系数＜0.5。

（2）Si

在低温球铁中，Si是影响拉抗强度和低温冲击性能最为敏感、作用也最为显著的元素。随Si含量的增加，抗拉强度明显提高，但又强烈推动韧-脆性转变温度向高温方向移动，大幅降低低温冲击性能。

-40℃QT400-18AL低温球铁的研制（本公司专利CN102120253A），首先考虑以合理的Si含量保证抗拉强度≥400MPa，再以控制和降低Mn、P、Ti等含量，使-40℃时低温冲击性能达到≥12J。事实证明这个技术思路及形成的工艺技术对-40℃乃至-50℃的QT400-18AL低温球铁是成功的，抗拉强度为403MPa～412MPa，-40℃时低温冲击性能平均为14.5J。但是，在-50℃时冲击性能已降至12.7～13.0J,接近标准要求≥12J的底限。

所以在-60℃的QT400-18AL的研制中，我们首先考虑的是选择降低Si含量来保证-60℃超低温时的冲击值≥12J，这与-40℃QT400-18AL有本质性区别。

（3）Ni

Ni能够与铁以任何比例互溶，在任何工艺条件下都不会析出，因此可以在不影响球铁微观结构的情况下，运用Ni能固溶和强化铁素体的特性弥补了Si含量下降随之抗拉强度的降低，加入适量Ni，使抗拉强度达到400MPa。

（4）Ti

在球墨铸铁的生产中，Ti对球铁的组织和性能的影响是一种有害元素。Ti是个十分活泼的元素，易与C和N生产显微硬度很高的质点Ti又有选择性结晶的特性，在结晶过程中Ti向晶界和铸件后凝固处富。Ti过高会影响球化质量，干扰球化，会使石墨形状发生畸变，对普通球墨铸铁，一般要求Ti≤0.05%，对低温球铁，Ti偏析于晶界以及形成的微量夹杂物，会降低低温冲击性能，必需严格控制更低的Ti含量。

（5）S、Mg残和Re残。

S、Mg残和Re残是形成晶界夹杂物、降低冲击性能、尤其是低温冲击性能的原因之一，需要控制在低含量的范围内。

通过降Si、加Ni，以及低Mn、低P、低Ti和低的微量元素的控制，协调抗拉强度和冲击性能的互相制约，保证这两种性能都能达QT400-18AL的技术要求。

本发明的有益效果是：本发明的低温球铁在零下60℃时，在保持高强度的条件下，同时具有着良好的韧性，说明韧脆转变温度向低温方向转移，扩大了低温韧性区域，符合QT400-18AL相对应的标准要求。

附图说明

图1为实施例低温冲击功-温度的应变关系；

图2为本发明制备的低温球铁未经腐蚀的100倍金相图；

图3为本发明制备的低温球铁腐蚀后的100倍金相图。

具体实施方式

下面通过具体实施例进一步说明本发明的技术方案。

实施例

本发明-60℃低温韧性铁素体球墨铸铁组成及其含量（wt.%，余量为Fe）见下表：

所采用的制备方法为：

上述-60℃低温韧性铁素体球墨铸铁的制备方法，步骤如下：

（1）配料：生铁、废钢、回炉料和纯镍；

所述的生铁为高纯生铁，成分为C3.8～4.1%，Si≤0.7%，Mn≤0.03%，P≤0.02%，S≤0.01%，Ti≤0.025%，Cr≤0.02%，Sn≈0.005%，Sb≈0.0001%，Al≈0.005，余量为铁；所述的废钢成分为：C≤0.1%，Si≤0.1%，Mn≤0.2%，P≤0.01%，S≤0.01%，Ti≤0.01%，Cr≤0.02%，Sn≈0.0004%，Al≈0.03%，余量为铁。

根据所要生产的球墨铸铁的元素组成及含量和原料的元素组成及含量，进行配料，其中回炉料的加入量范围为0～55wt.%，回炉料原料过高较难配比。

（2）将配料依次进行熔炼、球化处理和孕育处理；

当温度达到1520℃-1540℃时，出炉球化，球化剂采用埃肯5800球化剂，球化采用冲入法，将所有球化剂包底，并扒平紧实，在球化剂上部覆盖硅钡孕育剂，在孕育剂上部再用碎铁料扒平压实，其中球化剂为铁液质量的1～1.2%，孕育剂为铁液质量的0.3～0.6%，碎铁块为铁液质量的0.5～1.2%，其中碎铁块是为了控制球化反应的起始时间，铁液需要先融化掉球化剂上的碎铁块，再和球化剂接触反应，碎铁块为回炉料或废钢；

在铁液出到一半时，在倾倒的铁液流中均匀加入硅钡孕育剂进行孕育处理，其中孕育剂为铁液质量的0.3～0.6%，直至铁液出完，球化处理时间为60～90s，球化反应结束后，取样检测，控制球化后铁液成分：C3.6～3.8%，Mn＜0.08%，P＜0.025%，S＜0.01%，Ti＜0.02%，Ti0.30～0.70%，Mg残0.03～0.05%，Re＜0.01%，Cr＜0.02%，在球化包中均匀撒上除渣剂迅速除渣；

上述硅钡孕育剂含Si70～74%，Ba1～3%，Ca0.5～1.5%

（3）将除渣后铁液起吊至浇注工位，从球化包将铁液浇注入型腔进行浇注，浇注温度为1380℃～1440℃，此温度可提高提铁液的纯净度，球化处理结束到浇注结束时间为6分钟内，在浇注的同时在铁液流中均匀撒上硫氧孕育剂进行瞬时孕育，硫氧孕育剂含Si70～76%，Ca0.75～1.25%，Al0.75～1.25%，Ce1.5～2.0%硫氧孕育剂加入量为铁液质量的0.1～0.2%；

从图2和图3可以看出，上述制备的铁素体球墨铸铁铸态100倍金相检查下的晶界碳化物+磷共晶+夹杂物≈0；球化等级为1～2级；石墨球数为100～150个/mm²。

本发明制备的低温球铁性能测试如表3（GB/T1348-2009）：

表3本发明低温球铁的机械性能和冲击功

注：表3所做的各项实验数据都取自厚度≤30mm的标准附铸试块，并经过退火热处理。

试验表明，-60℃时低温冲击功由10.1～10.7J（表1中数据）提高到12.9J，超过了QT400-18AL标准的技术要求。从图1本实施例冲击功—温度应变曲线可以看到，当温度低于-50℃时，曲线的下降陡度明显加大。如表4把不同温度区域的冲击功下降值与温度下降值的比值即转变速率列出来，从表4和表2分析也可以看到，-40℃至-50℃的转变速率由15.0～17.0%下降至5.0%，-50℃至-60℃则由20.0～29.0%降至9.0%，说明韧脆转变温度向低温方向转移，扩大了低温韧性区域，冲击功-温度的应变速率已大幅度下降。

表4冲击功下降与温度下降的比较

Claims

1.一种-60℃低温韧性铁素体球墨铸铁的制备方法，其特征在于：所述的球墨铸铁组分及质量百分含量为，C:3.60～3.80％、Si:1.80～2.10％、Mn＜0.08％、P＜0.025％、S＜0.01％、Ti＜0.02％、Ni：0.30～0.70％、Mg残：0.03～0.05％、Re残＜0.01％，余量为Fe；

所述的铁素体球墨铸铁铸态100倍金相检查下的晶界碳化物+磷共晶+夹杂物≈0；球化等级为1～2级；石墨球数为100～150个/mm²；

所述的制备方法步骤如下，

(1)配料：生铁、废钢、回炉料和纯镍，其中回炉料添加量为0～55％；

(2)将配料依次进行熔炼、球化处理和孕育处理，

其中铁液熔化后取样检测成分，控制铁液球化干扰系数K1＜0.5，珠光体系数Px＜0.5；其中K1＝4.4Ti+2.0As+2.3Sn+5.0Sb+290Pb+370Bi+1.6Al；Px＝3.0Mn-2.65(Si-2.0)+7.75Cu+96Sn+3.57Pb+333Bi+20.1As+9.6Cr+71.7Sb，

当温度达到1520℃-1540℃时，出炉球化，球化采用冲入法，将所有球化剂包底，并扒平紧实，在球化剂上部覆盖孕育剂，在孕育剂上部再用碎铁料扒平压实，其中球化剂为铁液质量的1～1.2％，孕育剂为铁液质量的0.3～0.6％，碎铁块为铁液质量的0.5～1.2％，

在铁液出到一半时，在倾倒的铁液流中均匀加入孕育剂进行孕育处理，其中孕育剂为铁液质量的0.3～0.6％，直至铁液出完，球化处理时间为60～90s，球化反应结束后，取样检测，控制球化后铁液成分：C3.6～3.8％，Mn＜0.08％，P＜0.025％，S＜0.01％，Ti＜0.02％，Ni0.30～0.70％，Mg残0.03～0.05％，Re＜0.01％，Cr＜0.02％，余量为铁，在球化包中均匀撒上除渣剂迅速除渣；

(3)将除渣后铁液起吊至浇注工位，从球化包将铁液浇注入型腔进行浇注，浇注温度为1380℃～1440℃，球化处理结束到浇注结束时间为6分钟以内，在浇注的同时在铁液流中均匀撒上孕育剂进行瞬时孕育；

(4)将上述的浇注后的铸铁进行退火热处理，热处理工艺为，在880℃保温2～3h，随炉冷却至720℃保温2～3h。

2.根据权利要求1所述的-60℃低温韧性铁素体球墨铸铁的制备方法，其特征在于：所述的生铁为高纯生铁，成分为C3.8～4.1％，Si≤0.7％，Mn≤0.03％，P≤0.02％，S≤0.025％，Ti≤0.01％，Cr≤0.02％，Sn≈0.005％，Sb≈0.0001％，Al≈0.005，余量为铁；所述的废钢成分为C≤0.1％，Si≤0.1％，Mn≤0.2％，P≤0.01％，S≤0.01％，Ti≤0.01％，Cr≤0.02％，Sn≈0.0004％，Al≈0.03％，余量为铁。

3.根据权利要求1所述的-60℃低温韧性铁素体球墨铸铁的制备方法，其特征在于：步骤(2)所述的球化剂为埃肯5800球化剂；步骤(2)所述的孕育剂为硅钡孕育剂，其中含Si70～74％，Ba1～3％，Ca0.5～1.5％。

4.根据权利要求2所述的-60℃低温韧性铁素体球墨铸铁的制备方法，其特征在于：步骤(3)所述的孕育剂为硫氧孕育剂，其中含Si70～76％，Ca0.75～1.25％，Al0.75～1.25％，Ce1.5～2.0％，孕育剂加入量为铁液质量的0.1～0.2％。