CN103556043B

CN103556043B - 超低温下使用的高韧性高硬度球墨铸铁材料及其制备方法

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Publication number: CN103556043B
Application number: CN201310540909.1A
Authority: CN
Inventors: 曲迎东; 姜珂; 李荣德; 高民强; 邱克强; 张新宁; 尤俊华; 蒋立鹏
Original assignee: Shenyang University of Technology
Current assignee: Shenyang University of Technology
Priority date: 2013-11-04
Filing date: 2013-11-04
Publication date: 2015-07-08
Anticipated expiration: 2033-11-04
Also published as: CN103556043A

Abstract

本发明涉及一种在超低温条件下使用的高韧性高硬度球墨铸铁材料，主要应用于超低温条件下使用的机械产品零件铸件的制造。其特征在于：该材料的化学成分按重量百分比计：C2.7%～2.9%，Si1.8%～2.0%，Mn1%～5%，P0.01%～0.08%，S0.01%～0.02%，Ni20%～28%，Cr0.5%～3.0%，Cu0.5%～1.5%，Mg0.06～0.09%，其余为Fe。本申请的目的是克服了传统适用于超低温条件下材料铸造性能差、冲击韧性差，硬度及耐磨性能低以及机械加工性能差等缺点，可以为超低温度下使用的机械零件的设计提供新的材料选择。

Description

超低温下使用的高韧性高硬度球墨铸铁材料及其制备方法

技术领域：本发明涉及一种在超低温条件下使用的高韧性高硬度球墨铸铁材料，主要应用于超低温条件下使用的机械产品零件铸件的制造。

背景技术：球墨铸铁是常温下使用的机械类产品零件铸件的常用材质，其主要成分有C、Si、Mn、Cr、Ni、Mo、Cu等元素，基体分为铁素体、珠光体、奥氏体、马氏体、贝氏体等，主要制备过程为原铁液熔炼、合金成分调整、球化及孕育处理等流程。近些年来，用于超临界状态下，诸如：高温、低温、强摩擦、高冲击高强度等条件下的球墨铸铁材料的制备日益成为世界机械领域研究的主要方向。在超低温机械产品零件铸件领域，现今最广泛使用的是合金奥氏体铸钢材料（诸如1Cr18Ni9Ti等），但由于铸钢材料的铸造性能以及其热处理和后期机械加工的局限，该类材料在制造形状较为复杂的铸件时，容易出现严重的铸造缺陷，并且机械加工和热处理的工时也较长；同时本材料的高耐磨性能可以满足超低温条件下更高的硬度要求。所以，本发明为这类机械产品零件的设计提供了新的材料选择。

发明内容：

发明目的：本发明是一种在超低温条件下使用的高韧性高硬度球墨铸铁材料，该材料基体为球墨铸铁，其即保持了较高的力学性能，又有着球墨铸铁本身具有的耐磨性能及铸造性能好的优势，克服了传统适用于超低温条件下材料铸造性能差、冲击韧性差，硬度及耐磨性能低以及机械加工性能差等缺点，可以为超低温度下使用的机械零件的设计提供新的材料选择。

技术方案：本发明是通过以下技术方案实施的：

一种超低温下使用的高韧性高硬度球墨铸铁材料，其特征在于：该材料的化学成分按重量百分比计：C2.7%～2.9%，Si1.8%～2.0%，Mn1%～5%，P0.01%～0.08%，S0.01%～0.02%，Ni20%～28%，Cr0.5%～3.0%，Cu0.5%～1.5%，Mg0.06～0.09%，其余为Fe。

本材料在超低温下的性能区间：在-150℃条件下，维氏硬度值Hv在180-380，冲击值在20-37J/mm²，在室温条件下，维氏硬度值Hv在130-260，冲击值在25-30J/mm²。

一种如上所述超低温下使用的高韧性高硬度球墨铸铁材料的制备方法，其特征在于：该方法按如下步骤进行：

（1）、原铁液制备：生铁及废钢原料P含量控制在0.01%～0.08%，S含量控制在S0.01%～0.02%，回炉原料的成分必须清晰知晓且加入控制在总量的35%～50%；

（2）、合金成分调整：合金成分调整包括合金原料加入顺序、碳当量及碳硅含量调整，使用中频电炉熔炼按权利要求1中的化学成分配比对合金成分进行调整并且保证铁液中合金元素的均匀性；碳当量及碳硅含量调整按权利要求书1中碳硅含量范围调整；合金原料加入顺序为：Ni、Mn、Cr、Cu、Si。

（3）、球化处理：球化过程中以重量计采用Mg含量在20%～30%的Ni-Mg合金球化剂，加入量质量分数0.5%～1.5%，加入方式为包底冲入法，球化温度为1460℃-1540℃；按照规定的球化剂、球化剂加入量、球化方式及球化温度对铁液进行球化处理；

（4）、孕育处理：铁液熔炼过程后使用硅铁孕育剂对铁液进行一次孕育，硅铁孕育剂的化学成分按重量百分比为：Si70%～78%，其余为Fe；加入量为质量分数0.5%-1.5%；加入方式为随流孕育，孕育温度为1350℃-1380℃。

优点及效果：本发明是一种在超低温条件下使用的高韧性高硬度球墨铸铁材料，其显著优势有如下三点：

1.本材料在超低温度条件下可以保证其高韧性高硬度的性能，并且其性能随温度变化的敏感性较低，其力学性能指标详见如上所述。

2.本材料基体为球墨铸铁，其铸造性能良好适合制造复杂形状的铸件产品，同时有具备着良好的机械加工和热处理性能。

3.本材料的合金构成丰富，可以适应对其后续渗碳渗氮等各类表面处理。

本材料的发明可以为在超低温度下使用的机械零件的设计提供新的材料选择。

附图说明

图1为本发明在光学显微镜下放大100倍的基体组织。

图2为本发明性能区间内的在室温至-160℃的一条冲击性能曲线。

试样为符合GB/T229-2007金属材料夏比摆锤冲击试验方法标准的V型缺口试样。

图3为本发明性能区间内的在室温至-120℃的一条硬度性能曲线。

试样为铸态未经热处理条件下表层去毛坯1mm的光洁平面。

具体实施方式：

下面结合具体实施例对本发明进行具体说明：

实施例1：按照本发明技术方案所说明的制备过程制备了本发明的材料，所选用的炉料没有回炉料，其中铁液中化学成分组成按重量百分比为：C2.7%，Si1.9%，Mn3%，P0.04%，S0.02%，Ni26%，Cr0.5%，Cu0.5%，Mg0.09%，其余为Fe；球化处理过程采用了Mg含量为23%的Ni-Mg合金球化剂，加入量为1%，加入方式为包底冲入法，球化温度为1470℃；一次孕育过程采用了Si含量为75%的硅铁进行处理，二次孕育采用了Si75%、Al0.5%、Zr2%、Sr3%、Ca0.2%的硅铁锆锶孕育剂，加入量为1.5%，加入方式为随流孕育，加入温度为1370℃。按照上述过程制备出的本发明的材料，参照GB/T229-2007标准，对该材料进行低温冲击试验，并且采用低温维氏硬度试验机进行低温硬度试验得到试验数据为：在-150℃条件下，维氏硬度值Hv为192，冲击值为36J/mm²；在室温条件下，维氏硬度值Hv为141，冲击值在29J/mm²。

实施例2：按照本发明技术方案所说明的制备过程制备本发明的材料，其中与第（1）次试验同次熔炼进行了改变球化处理过程的对比试验，其中铁液中化学成分组成按重量百分比为：C2.7%，Si1.9%，Mn3%，P0.04%，S0.02%，Ni26%，Cr0.5%，Cu0.5%，Mg0.09%，其余为Fe；球化处理过程采用了Re1.5%、Si45%、Mg7%的稀土硅镁合金球化剂，加入量为1%，加入方式为包底冲入法，球化温度为1470℃；一次孕育过程采用了Si含量为75%的硅铁进行处理，二次孕育采用了Si75%、Al0.5%、Zr2%、Sr3%、Ca0.2%的硅铁锆锶孕育剂，加入量为1.5%，加入方式为随流孕育，加入温度为1370℃。按照上述过程制备出的本发明的材料，参照GB/T229-2007标准，对该材料进行低温冲击试验，并且采用低温维氏硬度试验机进行低温硬度试验得到试验数据为：在-150℃条件下，维氏硬度值Hv为165，冲击值为17J/mm²；在室温条件下，维氏硬度值Hv为107，冲击值在24J/mm²。

实施例3：按照本发明技术方案所说明的制备过程制备本发明的材料，其中与第（1）次试验同次熔炼进行了改变二次孕育处理过程的对比试验，其中铁液中化学成分组成按重量百分比为：C2.7%，Si1.9%，Mn3%，P0.04%，S0.02%，Ni26%，Cr0.5%，Cu0.5%，Mg0.09%，其余为Fe；球化处理过程采用了Mg含量为23%的Ni-Mg合金球化剂，加入量为1%，加入方式为包底冲入法，球化温度为1470℃；；一次孕育过程采用Si含量为75%的硅铁进行处理，二次孕育采用Si75%的硅铁孕育剂进行处理，加入量为1%，加入方式为随流孕育，加入温度为1370℃。按照上述过程制备出的本发明的材料，参照GB/T229-2007标准，对该材料进行低温冲击试验，并且采用低温维氏硬度试验机进行低温硬度试验得到试验数据为：在-150℃条件下，维氏硬度值Hv为193，冲击值为21J/mm²；在室温条件下，维氏硬度值Hv为145，冲击值在23J/mm²。

实施例4：按照本发明技术方案所说明的制备过程制备了本发明的材料，所选用的炉料没有回炉料，其中铁液中化学成分组成按重量百分比为：C2.9%，Si1.8%，Mn4%，P0.04%，S0.02%，Ni28%，Cr1.5%，Cu1.2%，Mg0.09%，其余为Fe；球化处理过程采用了Mg含量为23%的Ni-Mg合金球化剂，加入量为1%，加入方式为包底冲入法，球化温度为1490℃；一次孕育过程采用了Si含量为75%的硅铁进行处理，二次孕育采用了Si75%、Al0.5%、Zr2%、Sr3%、Ca0.2%的硅铁锆锶孕育剂，加入量为1.5%，加入方式为随流孕育，加入温度为1360℃。按照上述过程制备出的本发明的材料，参照GB/T229-2007标准，对该材料进行低温冲击试验，并且采用低温维氏硬度试验机进行低温硬度试验得到试验数据为：在-150℃条件下，维氏硬度值Hv为358，冲击值为23J/mm²；在室温条件下，维氏硬度值Hv为246，冲击值在27J/mm²。

实施例5：按照本发明技术方案所说明的制备过程制备了本发明的材料，所选用的炉料没有回炉料，其中铁液中化学成分组成按重量百分比为：C2.9%，Si1.8%，Mn4%，P0.04%，S0.02%，Ni28%，Cr2.5%，Cu0.5%，Mg0.09%，其余为Fe；球化处理过程采用了Mg含量为23%的Ni-Mg合金球化剂，加入量为1%，加入方式为包底冲入法，球化温度为1490℃；一次孕育过程采用了Si含量为75%的硅铁进行处理，二次孕育采用了Si75%、Al0.5%、Zr2%、Sr3%、Ca0.2%的硅铁锆锶孕育剂，加入量为1.5%，加入方式为随流孕育，加入温度为1360℃。按照上述过程制备出的本发明的材料，参照GB/T229-2007标准，对该材料进行低温冲击试验，并且采用低温维氏硬度试验机进行低温硬度试验得到试验数据为：在-150℃条件下，维氏硬度值Hv为382，冲击值为20J/mm²；在室温条件下，维氏硬度值Hv为256，冲击值在25J/mm²。

实施例6：按照本发明技术方案所说明的制备过程制备了本发明的材料，所选用的炉料没有回炉料，其中铁液中化学成分组成按重量百分比为：C2.7%，Si1.8%，Mn4%，P0.04%，S0.02%，Ni28%，Cr0.5%，Cu0.5%，Mg0.09%，其余为Fe；球化处理过程采用了Mg含量为30%的Ni-Mg合金球化剂，加入量为1%，加入方式为包底冲入法，球化温度为1470℃；一次孕育过程采用了Si含量为75%的硅铁进行处理，二次孕育采用了Si75%、Al0.5%、Zr2%、Sr3%、Ca0.2%的硅铁锆锶孕育剂，加入量为1.5%，加入方式为随流孕育，加入温度为1370℃。按照上述过程制备出的本发明的材料，参照GB/T229-2007标准，对该材料进行低温冲击试验，并且采用低温维氏硬度试验机进行低温硬度试验得到试验数据为：在-150℃条件下，维氏硬度值Hv为187，冲击值为37J/mm²；在室温条件下，维氏硬度值Hv为156，冲击值在30J/mm²。

实施例7：按照本发明技术方案所说明的制备过程制备了本发明的材料，所选用的炉料没有回炉料，其中铁液中化学成分组成按重量百分比为：C2.7%，Si1.8%，Mn4%，P0.04%，S0.02%，Ni28%，Cr0.5%，Cu0.5%，Mg0.09%，其余为Fe；球化处理过程采用了Mg含量为30%的Ni-Mg合金球化剂，加入量为1%，加入方式为包底冲入法，球化温度为1470℃；一次孕育过程采用了Si含量为75%的硅铁进行处理，铁液不经二次孕育直接进行浇注。按照上述过程制备出的本发明的材料，参照GB/T229-2007标准，对该材料进行低温冲击试验，并且采用低温维氏硬度试验机进行低温硬度试验得到试验数据为：在-150℃条件下，维氏硬度值Hv为181，冲击值为20J/mm²；在室温条件下，维氏硬度值Hv为136，冲击值在23J/mm²。

Claims

1.一种超低温下使用的高韧性高硬度球墨铸铁材料的制备方法，其特征在于：该材料的化学成分按重量百分比计为：C 2.7%～2.9%，Si 1.8%～2.0%，Mn 1%～5%，P 0.01%～0.08%，S 0.01%～0.02%，Ni 20%～28%，Cr 0.5%～3.0%，Cu0.5%～1.5%，Mg0.06～0.09%，其余为Fe；该方法按如下步骤进行：

（1）、原铁液制备：生铁及废钢原料P含量控制在0.01%～0.08%，S含量控制在S 0.01%～0.02%，回炉原料的成分必须清晰知晓且加入控制在总量的35%～50%；

（2）、合金成分调整：合金成分调整包括合金原料加入顺序、碳当量及碳硅含量调整，使用中频电炉熔炼按上述的化学成分配比对合金成分进行调整并且保证铁液中合金元素的均匀性；碳当量及碳硅含量调整按上述的碳硅含量范围调整；合金原料加入顺序为：Ni、Mn、Cr、Cu、Si；

（4）、孕育处理：铁液熔炼过程后使用硅铁孕育剂对铁液进行一次孕育，硅铁孕育剂的化学成分按重量百分比为：Si 70%～78%，其余为Fe；加入量为质量分数0.5%-1.5%；加入方式为随流孕育，孕育温度为1350℃-1380℃。

2.根据权利要求1所述超低温下使用的高韧性高硬度球墨铸铁材料的制备方法，其特征在于：在步骤（4）中，一次孕育过程后再进行二次孕育，二次孕育过程中采用了硅铁锆锶孕育剂，其化学成分按重量百分比为：Si 70%～78%，Al0.2%～0.5%，Zr 0.5%～3%，Sr 0.5%～3%，Ca0.2%～0.5%，其余为Fe；加入量在0.5%-1.5%，加入方式为随流孕育，孕育温度为1350℃-1380℃。