CN103643107B

CN103643107B - 无磁蠕墨铸铁材料

Info

Publication number: CN103643107B
Application number: CN201310648920.XA
Authority: CN
Inventors: 李强; 李明弟; 李大勇; 陈举欣; 王志刚
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2013-12-06
Filing date: 2013-12-06
Publication date: 2015-11-04
Anticipated expiration: 2033-12-06
Also published as: CN103643107A

Abstract

本发明公开了一种无磁蠕墨铸铁材料，属于铸铁材料领域。该材料各组分重量百分比为：C2.8-3.5%，Si3.5-4.2%，Ni3.0-5.0%，Mn6.O-8.0％，Cu3.0-4.0%，Al0.4-0.7%，Mg（残）0.01-0.018%，Re（残）0.01-0.02%，杂质（S、P等）总量≤0.2%，其余为Fe。该材料以原生铁、废钢、硅铁、锰铁、电解镍、纯铜等为主要原料，经配料、熔炼，蠕化、多次孕育、浇注、开箱空冷与埋砂保温冷却工艺制得。该材料的基体组织为：蠕虫状石墨+奥氏体+渗碳体（<2%），磁导率低，热稳定性高，加工性能优良，适于精密无磁零部件的生产与应用。

Description

无磁蠕墨铸铁材料

技术领域

本发明涉及铸铁材料领域，具体涉及一种无磁蠕墨铸铁材料。

背景技术

在军事上，多数磁防护水平高的舰船的船体、主机设备及武器装备，为了避免产生感应磁场，提高军事设施的安全性，大多采用无磁材料来制造，尤其是现代扫雷艇上的无磁发动机，所有零部件均采用无磁材料制造。在工业中，各类大型的发电机组、变压器、电力输送等设备中都设有防磁的结构零件，如果这些零件磁导率高，就会在零件内部产生很大的涡流，消耗大量电能，并使零部件温度升高而损坏，因此这些零件需要选用磁导率比较低的金属材料制得，一般要求相对磁导率小于3.5 h/m。

在无磁铸铁（锰系和镍系）材料中，无磁铸铁良好的性能（磁导率小于3.5 h/m），在各类防磁结构零部件中被应用，部分替代了铝、铜等有色金属及其合金，取得了良好的经济和社会效益。然而，锰系无磁铸铁（ZL200610042044.6）和Mn系无磁球墨铸铁（ZL200910020800.9），其典型的基体组织分别是“奥氏体+片状石墨+渗碳体（5%）”和“奥氏体+球状石墨+渗碳体（3%）”，均因硬度太高（布什硬度260-290HB），机械加工性能差，只能用在不加工或粗加工零部件上；镍系无磁铸铁，虽然硬度较低，但易产生加工硬化现象，难以在须精细加工的无磁零部件上使用，而且由于资源稀缺造价昂贵，限制了材料的应用。同时，上述材料的基体组织的高温稳定性较差，在工作温度超过300℃时，组织易发生分解和氧化，使材料的磁导率升高，尺寸变化等问题，丧失了无磁材料的应有性能。

发明内容

针对现有无磁铸铁材料的诸多问题与不足，本发明提供了一种新型的无磁蠕墨铸铁材料，该材料的金相组织为：蠕虫状石墨+奥氏体+渗碳体（<2%），力学性能为：抗拉强度300-420MPa，延伸率3.0-6.0%，布什硬度180-240HBW，物理性能为：相对磁导率<1.5h/m，电阻率 1.0-1.4μΩm；该材料硬度低，加工性能好，磁导率低，热稳定性高，抗氧化、抗生长能力强，适于电磁场环境下，工作温度大于300℃以上，需要精细加工的无磁零部件上应用。

本发明采用的具体技术方案是：无磁蠕墨铸铁材料，其特征是：各组分及其重量百分比为：C2.8-3.5%，Si3.5-4.2%，Ni3.0-5.0%，Mn6.O-8.0％，Cu3.0-4.0%，Al0.4-0.7%，Mg（残余）0.01-0.018%，Re（残余）0.01-0.02%，杂质（S、P等）总量≤0.2%，其余为Fe。

所属的无磁蠕墨铸铁材料，在Mn6.O-8.0％时，Si/ Mn=0.52-0.59, Ni/ Mn=0.5-0.63，Cu/Mn=0.46-0.5。

所述材料选择C2.8-3.5%，Si3.5-4.2%，在于碳硅的合理配合，使合金按照稳定系进行结晶，促进合金中碳的石墨化，避免产生白口，碳、硅过低或过高会分别带来石墨化不足和石墨形态恶化或奥氏体区域缩小等问题。

选择Ni3.0-5.0%，Mn6.O-8.0％，Cu3.0-4.0%，在于三者的合理搭配和联合协同作用，来改变合金的结晶条件，扩大奥氏体区，把高温状态下的奥氏体组织保持到室温，使高导磁率的铁素体、珠光体混合基体组织转变成无磁的奥氏体组织。其中，Ni-Mn元素联合作用，主要是扩大奥氏体区，把高温状态下的奥氏体组织保持到室温，同时获得硬度适中的基体（单独的Ni，可以达到上述目的，但解决不了加工硬化的问题；单独的Mn，同样可以达到上述目的，但因硬度太高，加工难度增加）；Ni-Cu的联合作用，主要是提高基体组织的稳定性，抑制奥氏体的分解；Si-Mn的联合作用，主要是可以有效抑制在高Si情况下的石墨漂浮问题。经大量正交试验，发明人发现，在Mn6.O-8.0％时，只有Si/ Mn=0.52-0.59, Ni/ Mn=0.5-0.63，Cu/Mn=0.46-0.5，才能获得稳定的基体组织，既达到降低磁导率、硬度的目的，又保证了加工性能。偏离上述比例，会分别产生白口，磁导率增大，硬度提高，加工性能恶化，组织不稳定，以及造成成本提高和贵重金属资源的浪费等问题。

本发明所述的无磁蠕墨铸铁材料，以原生铁（Q12-Q14）、废钢（中低碳）、电解镍（Ni99.50）、锰铁（65FeMn）、硅铁（75FeSi）、电解铜（1^#）、纯铝（5052）、蠕化剂等为主要原料，经原材料配制与熔炼、蠕化和多次孕育，及铸件一定温度下开箱空冷与埋砂保温冷却工艺制得。其中，原生铁、废钢、电解镍、锰铁、硅铁、电解铜采用符合国家标准的炉料牌号；蠕化剂采用FeSiMgRe合金，Mg4-5%，RE1.0-1.5%，Si≤40%，其余为Fe；纯铝采用直径5mm铝丝。

其具体工艺为：

（1）配料将原生铁、废钢、电解镍、锰铁、硅铁、电解铜按照一定比例配置，原材料的配比是根据无磁蠕墨铸铁成分要求确定。该步骤中控制Si的含量在2.5-3.5%范围内，以保证后续处理Si的总量不超标。

（2）熔炼根据上述材料配比，将原生铁、废钢、电解镍、硅铁、锰铁、电解铜装入中频电炉中进行熔炼，出炉温度控制在1500-1550℃范围内。

（3）蠕化处理采用FeSiMgRe进行蠕化处理，加入量为0.3%-0.7%。

（4）多次孕育采用75FeSi进行一次、二次孕育，加入总量为1.0-1.4%；浇注过程中，在浇包口插入纯铝丝，进行瞬时孕育，加入量为0.5-0.8%。

（5）开箱空冷与埋砂冷却铸件冷却到800-850℃开箱空冷，待铸件温度降到300-400℃埋砂保温冷却4-6小时。

将经过上述步骤制得的无磁蠕墨铸件，无需热处理，在铸态下直接进行加工使用。

在蠕化处理工艺中，蠕化处理是把片状石墨转变成蠕虫状石墨。实验过程中，发明人发现，Mg（残）0.01-0.018%，Re（残）0.01-0.02%是形成蠕虫状石墨（蠕墨铸铁）和保证蠕化率的必要充分条件，残余量低于这一范围就会形成片状石墨（灰口铸铁），高于这一范围就会形成球状石墨（球墨铸铁）。只有获得蠕虫状石墨和较高的蠕化率，才能保证基体的高温稳定性和抗氧化能力。

合金元素的加入和蠕化处理，不可避免的会产生一定数量的渗碳体，一方面造成石墨化减弱，磁导率升高；另一方面硬度提高，加工性能降低。为消除这些问题的产生，采用了多次孕育处理方法。一次孕育采用75FeSi孕育剂进行处理，加入总量控制在1.0-1.4%范围，主要作用是提高蠕虫状石墨的蠕化率，减少和改善渗碳体的数量和形态；二次孕育采用纯铝丝进行瞬时处理，Al的总量控制在0.5-0.8%范围内。低于上述范围不起作用或效果不明显，不能消除因合金与渗碳体形成的复合碳化物，高于上述范围会产生石墨漂浮现象，导致石墨形态与力学性能恶化。研究证明，合适的加入量和随时孕育，可以最大限度地消除渗碳体，使材料的布氏硬度控制在较低范围内，既能防止了加工硬化现象的产生，改善加工性能，又能把磁导率降到最低。

铸件不经过热处理，在铸态下直接使用，必须对成型后冷却方式进行有效控制。经过发明人长期试验摸索发现，铸件冷却到800-850℃开箱空冷，待铸件温度降到300-400℃埋砂保温冷却4-6小时，可以有效解决800℃后随型冷却，容易产生少量奥氏体分解产物（索氏体或针状组织，这些组织具有很高磁性），使材料磁导率升高的问题；也可以避免高于850℃开箱空冷，材料易产生氧化、变形，导致产品报废的问题；可以解决铸件内应力高，需要进行热处理的问题。

所述的无磁蠕墨铸铁材料，铸态下不经热处理直接使用。金相组织为：蠕虫状石墨+奥氏体+渗碳体（<2%），力学性能为：抗拉强度300-420MPa，延伸率3.0-6.0%，布什硬度180-240HBW，物理性能为：相对磁导率<1.5h/m，电阻率 1.0-1.4μΩm。

本发明的有益效果是：

（1）无磁蠕墨铸铁材料，解决了现有无磁铸铁硬度高，容易产生加工硬化，造成机械加工困难或不能进行机械加工的技术问题；解决了现有无磁铸铁在较高温度环境下组织不稳定、易分解，导致磁导率升高和力学性能下降的技术难题。拓展了无磁铸铁的应用范畴，为军事和工业用无磁部件的精密制造提供了一种新型价廉的优质无磁材料。

（2）本发明所述的无磁蠕墨铸铁材料，通过各合金元素的优化设计和协同联合作用，改变了铁水结晶与组织转变条件，为获得无磁奥氏体基体和防止基体分解提供了可靠的技术保障。

（3）本发明采用的蠕化和多次孕育综合技术，使石墨蠕化率提高，增加了基体热稳定性，降低和改善了渗碳体的数量与形态，大幅度降低了材料的磁导率，与现有蠕化技术相比较，蠕化剂用量大大降低（至少减少1倍），生产成本明显降低。

（4）本发明采用的成形后一定温度开箱空冷与埋砂保温冷却技术，消除和防止了少量索氏体、针状组织的产生，减少了铸件的内应力，无须热处理，可以在铸态下直接加工使用，经济效益显著提高。

附图说明

图1为铸态无磁蠕墨铸铁金相石墨形态。

具体实施方式

实施例1：

一种无磁蠕墨铸铁材料，各组分重量百分比为：C2.8%，Si4.2%，Ni5.0%，Mn8.0％，Cu4.0%，Al0.4%，Mg（残）0.01-0.018%，Re（残）0.01-0.02%，杂质（S、P等）总量≤0.2%，其余为Fe。其具体制备步骤为：

（1）配料使用的原材料主要有原生铁（Z18）、废钢（45^#）、电解镍（Ni99.50）、锰铁（65FeMn）、硅铁（75FeSi）、电解铜（1^#）等，原材料的配比根据上述无磁蠕墨铸铁材料成分要求确定。其中，Si/ Mn=0.52-0.59, Ni/ Mn=0.5-0.63，Cu/Mn=0.47-0.5，原铁水中硅的含量为3.2%。

（2）熔炼根据上一步骤的材料配比，将材料加入中频电炉中进行熔炼，出炉温度控制在1500-1550℃。

（3）蠕化处理采用FeSiMgRe进行蠕化处理，加入量为0.3%。

（4）多次孕育采用75FeSi进行一次、二次孕育，加入总量为1.0%；浇注过程中，在浇包口插入纯铝丝，进行瞬时孕育，加入量为0.5%。

（5）开箱空冷与埋砂冷却铸件冷却到800℃开箱空冷，待铸件温度降到300℃埋砂保温冷却4小时。

应用效果：铸态下，制成无磁发动机缸体，加工性能良好，在300℃以上工作温度下，达到设计要求，发动机装机效果良好。金相组织为：奥氏体+蠕虫状石墨+渗碳体（1.3%），力学性能为：抗拉强度420MPa，延伸率3%，布什硬度180HBW，物理性能为：磁导率1.2h/m，电阻率1.0μΩm。

实施例2：

一种无磁蠕墨铸铁材料，各组分重量百分比为：C2.9%，Si4.0%，Ni4.5%，Mn7.5％，Cu3.6%，Al0.5%，Mg（残）0.01-0.018%，Re（残）0.01-0.02%，杂质（S、P等）总量≤0.2%，其余为Fe。其具体制备步骤为：

（1）配料使用的原材料主要有原生铁（Z18）、废钢（45^#）、电解镍（Ni99.50）、锰铁（65FeMn）、硅铁（75FeSi）、电解铜（1^#）、纯铝（5052）、蠕化剂（FeSiMgRe）等，原材料的配比根据上述无磁蠕墨铸铁材料成分要求确定。其中，Si/ Mn=0.52-0.59, Ni/ Mn=0.5-0.63，Cu/Mn=0.47-0.5，原铁水中硅的含量为3.0%。

（3）蠕化处理采用FeSiMgRe进行蠕化处理，加入量为0.4%。

（4）多次孕育采用75FeSi进行一次、二次孕育，加入总量为1.1%；浇注过程中，在浇包口插入纯铝丝，进行瞬时孕育，加入量为0.6%。

（5）开箱空冷与埋砂保温冷却铸件冷却到810℃开箱空冷，待铸件温度降到330℃埋砂冷却4.5小时。

应用效果：铸态下，制成无磁发动机缸盖，加工性能良好，在300℃以上工作温度下，达到设计要求，发动机装机效果良好。金相组织为：奥氏体+蠕虫状石墨+渗碳体（1.4%），力学性能为：抗拉强度380MPa，延伸率4%，布什硬度190HBW，物理性能为：磁导率1.3h/m，电阻率1.1μΩm。

实施例3：

一种无磁蠕墨铸铁材料，各组分重量百分比为：C3.0%，Si3.8%，Ni4.0%，Mn7.0％，Cu3.4%，Al0.55%，Mg（残）0.01-0.018%，Re（残）0.01-0.02%，杂质（S、P等）总量≤0.2%，其余为Fe。其具体制备步骤为：

（1）配料使用的原材料主要有原生铁（Z18）、废钢（45^#）、电解镍（Ni99.50）、锰铁（65FeMn）、硅铁（75FeSi）、电解铜（1^#）、纯铝（5052）、蠕化剂（FeSiMgRe）等，原材料的配比根据上述无磁蠕墨铸铁材料成分要求确定。其中，Si/ Mn=0.52-0.59, Ni/ Mn=0.5-0.63，Cu/Mn=0.47-0.5，原铁水中硅的含量为2.8%。

（3）蠕化处理采用FeSiMgRe进行蠕化处理，加入量为0.5%。

（4）多次孕育采用75FeSi进行一次、二次孕育，加入总量为1.2%；浇注过程中，在浇包口插入纯铝丝，进行瞬时孕育，加入量为0.65%。

（5）开箱空冷与埋砂保温冷却铸件冷却到820℃开箱空冷，待铸件温度降到350℃埋砂冷却5小时。

应用效果：铸态下，制成无磁发动机机体，加工性能良好，达到设计要求，发动机装机效果良好。金相组织为：奥氏体+蠕虫状石墨+渗碳体（1.5%），力学性能为：抗拉强度350MPa，延伸率4.5%，布什硬度200HBW，物理性能为：磁导率1.4h/m，电阻率1.2μΩm。

实施例4：

一种无磁蠕墨铸铁材料，各组分重量百分比为：C3.3%，Si3.6%，Ni3.5%，Mn6.5％，Cu3.2%，Al0.6%，Mg（残）0.01-0.018%，Re（残）0.01-0.02%，杂质（S、P等）总量≤0.2%，其余为Fe。其具体制备步骤为：

（1）配料使用的原材料主要有原生铁（Z18）、废钢（45^#）、电解镍（Ni99.50）、锰铁（65FeMn）、硅铁（75FeSi）、电解铜（1^#）、纯铝（5052）、蠕化剂（FeSiMgRe）等，原材料的配比根据上述无磁蠕墨铸铁材料成分要求确定。其中，Si/ Mn=0.52-0.59, Ni/ Mn=0.5-0.63，Cu/Mn=0.47-0.5，原铁水中硅的含量为2.6%。

（3）蠕化处理采用FeSiMgRe进行蠕化处理，加入量为0.6%。

（4）多次孕育采用75FeSi进行一次、二次孕育，加入总量为1.3%；浇注过程中，在浇包口插入纯铝丝，进行瞬时孕育，加入量为0.7%。

（5）开箱空冷与埋砂保温冷却铸件冷却到840℃开箱空冷，待铸件温度降到380℃埋砂冷却5.5小时。

应用效果：铸态下，制成大型发电机隔磁环，加工性能良好，达到设计要求，装机效果良好。金相组织为：奥氏体+蠕虫状石墨+渗碳体（1.6%），力学性能为：抗拉强度330MPa，延伸率5.0%，布什硬度230HBW，物理性能为：磁导率1.6h/m，电阻率1.3μΩm。

实施例5：

一种无磁蠕墨铸铁材料，各组分重量百分比为：C3.5%，Si3.5%，Ni3.0%，Mn6.0％，Cu3.0%，Al0.7%，Mg（残）0.01-0.018%，Re（残）0.01-0.02%，杂质（S、P等）总量≤0.2%，其余为Fe。其具体制备步骤为：

（1）配料使用的原材料主要有原生铁（Z18）、废钢（45^#）、电解镍（Ni99.50）、锰铁（65FeMn）、硅铁（75FeSi）、电解铜（1^#）、纯铝（5052）、蠕化剂（FeSiMgRe）等，原材料的配比根据上述无磁蠕墨铸铁材料成分要求确定。其中，Si/ Mn=0.52-0.59, Ni/ Mn=0.5-0.63，Cu/Mn=0.47-0.5，原铁水中硅的含量为2.5%。

（3）蠕化处理采用FeSiMgRe进行蠕化处理，加入量为0.7%。

（4）多次孕育采用75FeSi进行一次、二次孕育，加入总量为1.4%；浇注过程中，在浇包口插入纯铝丝，进行瞬时孕育，加入量为0.8%。

（5）开箱空冷与埋砂保温冷却铸件冷却到850℃开箱空冷，待铸件温度降到400℃埋砂冷却6小时。

应用效果：铸态下，制成中频电炉炉体及框架，加工性能良好，耐高温性能好，达到设计要求，装机运行良好。金相组织为：奥氏体+蠕虫状石墨+渗碳体（1.9%），力学性能为：抗拉强度300MPa，延伸率3.0%，布什硬度240HBW，物理性能为：磁导率1.5h/m，电阻率1.4μΩm。

Claims

1.一种无磁蠕墨铸铁材料，其特征是：各组分重量百分比为：C2.8-3.5%，Si3.5-4.2%，Ni3.0-5.0%，Mn6-8.0％，Cu3.0-4.0%，Al0.4-0.7%，Mg残0.01-0.018%，RE残0.01-0.02%，杂质S、P总量≤0.2%，其余为Fe；

所述的无磁蠕墨铸铁材料，在Mn6-8.0％时，Si/Mn=0.52-0.59, Ni/Mn=0.5-0.63，Cu/Mn=0.46-0.5，经过配料、熔炼、蠕化、多次孕育、浇注、开箱空冷与埋砂冷却工艺制得，不经热处理直接加工使用，

所述的无磁蠕墨铸铁材料的生产工艺为：

（1）配料：将Z18原生铁、45#废钢、Ni99.50电解镍、65FeMn锰铁、75FeSi硅铁、1#电解铜按照一定比例配置，原材料的配比是根据上述的无磁蠕墨铸铁材料成分要求确定，其中炉料中 Si的含量控制在2.5-3.2%范围内；

（2）熔炼：将原生铁、废钢、电解镍、硅铁、锰铁、电解铜装入中频电炉中进行熔炼，出炉温度1500-1550℃；

（3）蠕化处理：采用FeSiMgRE进行蠕化处理，加入量为0.3%-0.7%；

（4）多次孕育：采用75FeSi进行一次、二次孕育，加入量为1.0-1.4%；浇注过程中，在浇包口插入纯铝丝，进行瞬时孕育，加入量为0.5-0.8%；

（5）开箱空冷与埋砂冷却：铸件冷却到800-850℃开箱空冷，待铸件温度降到300-400℃埋砂保温冷却4-6小时。

2.根据权利要求1所述的无磁蠕墨铸铁材料，其特征是：金相组织为奥氏体+蠕虫状石墨+<2%渗碳体，力学性能为：抗拉强度300-420MPa，延伸率=3.0-6.0%，布氏硬度180-240HBW，物理性能为：磁导率<1.5h/m，电阻率 1.0 -1.4μΩm。