CN104404360B - 一种大直径灰铸铁型材材料及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种大直径灰铸铁型材材料，按重量百分比其组成为：C2.9％～3.5％，Si2.2％～3.2％，Mn0.3％～1.2％，P≤0.60％，S≤0.06％，Ti0.08％～0.30％，Sb0～0.04％，其余为Fe。本发明还公开了其制备方法：依次经过铁水熔炼、铁水孕育及微量元素调整、浇注、水平连续铸造得到。本发明大直径灰铸铁型材材料具有强度高、硬度均匀、断面均匀性优异，切削加工性能好，切削抗力小于钢件，可以高速精加工，加工表面光洁度相对波动小；本发明大直径灰铸铁型材材料具有优良的耐压气密性，尤其适合于高性能液压原器件的加工。
Description
技术领域
本发明属于铸铁材料及铸造冶金技术领域，具体涉及一种大直径灰铸铁型材材料，本发明还涉及该铸铁型材材料的制备方法。
背景技术
铸铁水平连续铸造是现代高品质铸铁毛坯生产的新型技术，由于水平连续铸造铸铁型材具有产品质量好、综合力学性能优良、高的致密性、良好的加工性能等优势，已经在机械、液压、冶金、纺织、印刷等行业得到了广泛应用。目前，我国已经能够生产Ф20-400mm的灰铸铁型材，铸铁型材已成为产品升级和更新换代的首选材料而得到快速发展。然而，由于铸铁型材在水平连续铸造生产过程中在水冷石墨套内只是获得一个足够强度的凝壳，然后通过牵引机组将其以“拉-停-拉”方式牵引出来，大直径的铸铁型材由于截面大，不可能在石墨套内完全凝固，凝壳中心的铁水均在拉出结晶器后在空气中通过已经凝固的凝壳热传导凝固。因而，大直径的铸铁型材中心部位的组织相对比较粗大，这直接影响其力学性能，并且直径越大其断面由外向内力学性能差别越大，断面均匀性差别越大。这直接影响铸铁型材高致密特性的发挥，一些大型液压阀体或模块仍不敢使用而不得不采用锻钢件。铸铁型材生产厂家也尽量避免生产大直径的灰铁型材，或者建议用户采用球铁型材。这无疑从一个方面限制了这一优质铸铁材料的应用和发展。
发明内容
本发明的目的是提供一种大直径灰铸铁型材材料，解决了现有大直径灰铸铁型材材料表层组织和力学性能均匀性差，及全断面敏感性差的问题。
本发明的另一个目的是提供一种大直径灰铸铁型材材料的制备方法。
本发明所采用的技术方案是，一种大直径灰铸铁型材材料，按重量百分比其组成为：C2.9％～3.5％，Si2.2％～3.2％，Mn0.3％～1.2％，P≤0.60％，S≤0.06％，Ti0.08％～0.30％，Sb0～0.04％，其余为Fe。
本发明的特点还在于，
按重量百分比其组成为：C3.0％～3.4％，Si2.6％～3.0％，Mn0.5％～1.0％，P≤0.30％，S≤0.04％，Ti0.10％～0.20％，Sb0～0.04％，其余为Fe。
本发明所采用的另一个技术方案是，一种大直径灰铸铁型材材料的制备方法，包括以下步骤：
步骤1，铁水熔炼
采用中频感应炉熔化铁水，按照设定的重量百分比成份，扣除孕育用长效硅铁孕育剂带入的硅量，计算原铁水所需铸造生铁、废钢、回炉料及低碳锰铁合金、钛铁合金、磷铁合金、75％硅铁的量，熔化加料顺序依次为铸造生铁、废钢、回炉料，待其完全熔化后再依次加入75％硅铁，低碳锰铁合金，低碳钛铁合金及根据需要时加Sb和磷铁合金；在中频感应炉中加入的铁合金均按照10％的烧损量计算；其中，Sb在出铁水时直接加入到中间铁水包中，其含量不计烧损；待所有铁合金均熔化结束后取原铁水进行炉前成分快速分析，确定并补充中间合金及增碳剂，调整原铁水中的C2.9％～3.5％，Si2.2％～3.2％，Mn0.3％～1.2％，P≤0.60％，S≤0.06％，Ti0.08％～0.30％，准备出炉；
步骤2，铁水孕育及微量元素调整
按照每包铁水的重量，根据加入的量称量纯Sb，出铁前在中间铁水包底加入Sb，使其在铁水包中熔化；根据所需补充的Si量称量含锶和钡的长效硅铁孕育剂，通常孕育剂的量为铁水量的0.8-1.2％，孕育剂的粒度15-25mm，并将其倒在铁水包中铁水的上表面；
步骤3，浇注
浇注前采用雾化柴油喷嘴将保温炉内炉壁烘烤30分钟以上至亮红色，在结晶器中插入引锭头，引锭头与引钉杆相连，并通过牵引机牵引拉拔。将处理好的铁水经保温炉的浇口浇入保温炉；
步骤4，水平连续铸造
将铁水浇注进入保温炉后停留3分钟，使进入结晶器的铁水包裹住引锭头并结晶凝固后开始引锭牵引，以“拉-停-拉”工艺水平连铸生产，即得到大直径灰铸铁型材材料。
本发明的特点还在于，
步骤1中熔化温度为1550-1580℃，出铁温度为1460-1520℃，浇注温度1380-1420℃。
步骤2中加入含锶和钡的长效硅铁孕育剂前要先扒去铁水包中铁水上表面的渣。
步骤4中水平连续铸造过程中牵引电机转速900rpm，拉拔时间为1-2.5s，停留时间为20-30s，结晶器长度为400-600mm，进水温度为室温，出水温度为50-75℃，型材结晶器出口温度控制为900-1050℃。
本发明的有益效果是，
1.本发明大直径灰铸铁型材材料表面质量好，尺寸精度高，无夹砂、夹渣、气孔、缩孔等铸造缺陷。由中心至边缘组织致密、均匀，表面光洁度好；本发明大直径灰铸铁型材材料具有强度高、硬度均匀、断面均匀性优异，切削加工性能好，切削抗力小于钢件，可以高速精加工，加工表面光洁度相对波动小；本发明大直径灰铸铁型材材料具有优良的耐压气密性，尤其适合于高性能液压原器件的加工。
2.本发明大直径灰铸铁型材材料的制备方法，铁水熔炼过程中在电炉中加入Ti元素，有利于Ti合金的熔化和吸收，以利于获得D型和E型石墨；熔化时原铁水铁水的Si量控制较低，在孕育过程中加大含锶和钡的长效硅铁孕育剂的量，提高和延长孕育效果，避免大直径铸铁型材生产过程中因凝固时间长造成的孕育衰退而出现碳化物；出铁水时在保温炉内加入Sb，以促进珠光体的形成和珠光体含量的提高，以利于提高铸铁型材中心硬度。适当降低浇注温度，可以降低保温炉内的铁水温度波动范围，有利于稳定生产。控制拉拔牵引工艺，有利于稳定生产和型材质量控制，避免漏炉事故的发生。
具体实施方式
下面结合具体实施方式对本发明进行详细说明。
本发明大直径灰铸铁型材材料，按重量百分比其组成为：C2.9％～3.5％，Si2.2％～3.2％，Mn0.3％～1.2％，P≤0.60％，S≤0.06％，Ti0.08％～0.30％，Sb0～0.04％，其余为Fe。
优选的方案为：按重量百分比其组成为：C3.0％～3.4％，Si2.6％～3.0％，Mn0.5％～1.0％，P≤0.30％，S≤0.04％，Ti0.10％～0.20％，Sb0～0.04％，其余为Fe。
根据型材的截面尺寸大小，综合灰铸铁型材力学性能和基体组织的要求来控制C、Si、Mn、P、S、Ti及Sb的含量，调整碳当量为4.0-4.3。
本发明大直径灰铸铁型材材料，拉伸性能指标达到了LZHT300标准(JB/T10854-2008水平连续铸造铸铁型材，中国机械行业标准)要求，1/2半径处的抗拉强度≥195MPa，硬度HB210-260，弹性模量85-110GPa。石墨为D型+E型，其中D型70-80％；心部基体显微组织为70-90％珠光体其余为铁素体；1/2半径处基体显微组织为60-80％珠光体其余为铁素体；最表层至25mm处基体显微组织为5-10％珠光体其余为铁素体，游离碳化物不超过5％。如果成分中含有0.3-0.6％P，基体组织中含有5-8％的磷共晶。
本发明大直径灰铸铁型材材料表面质量好，尺寸精度高，无夹砂、夹渣、气孔、缩孔等铸造缺陷。由中心至边缘组织致密、均匀，表面光洁度好；本发明大直径灰铸铁型材材料具有强度高、硬度均匀、断面均匀性优异，切削加工性能好，切削抗力小于钢件，可以高速精加工，加工表面光洁度相对波动小；本发明大直径灰铸铁型材材料具有优良的耐压气密性，尤其适合于高性能液压原器件的加工。
上述灰铸铁型材的制备方法，包括以下步骤：
(1)铁水熔炼
采用中频感应炉熔化铁水，按照设定的重量百分比成份，扣除孕育用长效硅铁孕育剂带入的硅量，计算原铁水所需铸造生铁、废钢、回炉料及低碳锰铁合金、钛铁合金、磷铁合金、75％硅铁的量，熔化加料顺序依次为铸造生铁、废钢、回炉料，待其完全熔化后再依次加入75％硅铁，低碳锰铁合金，低碳钛铁合金及根据需要时加Sb和磷铁合金；在中频感应炉中加入的铁合金均按照10％的烧损量计算；其中，Sb在出铁水时直接加入到中间铁水包中，其含量不计烧损；待所有铁合金均熔化结束后取原铁水进行炉前成分快速分析，确定并补充中间合金及增碳剂，调整原铁水中的C2.9％～3.5％，Si2.2％～3.2％，Mn0.3％～1.2％，P≤0.60％，S≤0.06％，Ti0.08％～0.30％，准备出炉；熔化温度为1550-1580℃，出铁温度为1460-1520℃，浇注温度1380-1420℃；
(2)铁水孕育及微量元素调整
按照每包铁水的重量，根据加入的量称量纯Sb，出铁前在中间铁水包底加入Sb，使其在铁水包中熔化；根据所需补充的Si量称量含锶和钡的长效硅铁孕育剂，通常孕育剂的量为铁水量的0.8-1.2％，孕育剂的粒度15-25mm，并将其倒在铁水包中铁水的上表面，注意加入含锶和钡的长效硅铁孕育剂前要先扒去铁水包中铁水上表面的渣；
(3)浇注
浇注前采用雾化柴油喷嘴将保温炉内炉壁烘烤30分钟以上至亮红色，在结晶器中插入引锭头，引锭头与引钉杆相连，并通过牵引机牵引拉拔，将处理好的铁水经保温炉的浇口浇入保温炉；
(4)水平连续铸造
当铁水浇注进入保温炉后停留3-5分钟，使进入结晶器的铁水包裹住引锭头并结晶凝固后开始引锭牵引，以“拉-停-拉”工艺水平连铸生产。其中牵引电机转速900rpm，拉拔时间为1-2.5s，停留时间为20-30s，结晶器长度为400-600mm，进水温度为室温，出水温度为50-75℃，型材结晶器出口温度控制为900-1050℃。
控制拉拔速度和型材出口温度，防止漏炉，控制铁水浇注间隔不超过12分钟，以防止铁水孕育衰退而出现过多碳化物和石墨形态变异。
本发明大直径灰铸铁型材材料的制备方法，铁水熔炼过程中在电炉中加入Ti元素，有利于Ti合金的熔化和吸收，以利于获得D型和E型石墨；熔化时原铁水铁水的Si量控制较低，在孕育过程中加大含锶和钡的长效硅铁孕育剂的量，提高和延长孕育效果，避免大直径铸铁型材生产过程中因凝固时间长造成的孕育衰退而出现碳化物；出铁水时在保温炉内加入Sb，以促进珠光体的形成和珠光体含量的提高，以利于提高铸铁型材中心硬度。适当降低浇注温度，可以降低保温炉内的铁水温度波动范围，有利于稳定生产。控制拉拔牵引工艺，有利于稳定生产和型材质量控制，避免漏炉事故的发生。
实施例1
Φ200mm灰铸铁型材材料及其制备。
按重量百分比其组成为：C3.2％～3.4％，Si2.8％～3.0％，Mn0.8％～1.0％，P≤0.15％，S≤0.04％，Ti0.15％，Sb0.04％，其余为Fe。其中碳当量控制为4.0-4.2。
采用3T中频感应炉熔化铁水，按照上述重量百分比成份，扣除0.9％长效硅铁孕育剂带入的硅量，计算原铁水所需铸造生铁、废钢、回炉料及锰铁合金、钛铁合金、75％硅铁的量，熔化加料顺序依次为炉料(包括铸造生铁，废钢和回炉料)铁合金及微量调整合金，即炉料完全熔化后再依次加入75％硅铁，低碳锰铁合金，低碳钛铁合金。在中频感应炉中加入的铁合金均按照10％的烧损量计算。所有铁合金均熔化结束后取原铁水进行炉前成分快速分析，确定并补充中间合金及增碳剂，调整原铁水中的C、Si、Mn、P、S及Ti的成分达到要求，准备出炉。熔化温度为1550℃，出铁温度为1460℃，浇注温度1420℃。每次出炉前进行一次炉前成分快速分析和成分调整，适当的时候需要补充增碳剂；
出铁前在500kg中间铁水包底加入0.04％Sb；扒去铁水上表面的渣后将含锶和钡的长效硅铁孕育剂倒在铁水包中铁水的上表面，其量为0.9％，含锶和钡的长效硅铁孕育剂的粒度15-25mm；
将保温炉用雾化柴油喷嘴烘烤40分钟，在结晶器中插入引锭头后将处理好的铁水经保温炉的浇口浇入保温炉；
当铁水浇注进入保温炉后停留3分钟，使进入结晶器的铁水包裹住引锭头并结晶凝固后开始引锭牵引，以“拉-停-拉”工艺水平连铸生产；其中牵引电机转速900rpm，拉拔时间为2.5s，停留时间为20s，结晶器长度为400mm，进水温度为26℃，出水温度为65℃，型材结晶器出口温度控制为900℃，得到Φ200mm灰铸铁型材材料。
实施例1制备的Φ200mm灰铸铁型材材料，拉伸性能指标达到了LZHT300标准要求，1/2半径处的抗拉强度为215MPa，硬度HB210-240，弹性模量102GPa。石墨为D型+E型，其中D型75％；心部基体显微组织为85％珠光体其余为铁素体；1/2半径处基体显微组织为80％珠光体其余为铁素体；最表层至25mm处基体显微组织为5-10％珠光体其余为铁素体，游离碳化物不超过5％。
实施例2
Φ300mm灰铸铁型材材料及其制备。
按重量百分比其组成为：C3.0％～3.2％，Si2.6％～2.9％，Mn0.6％～0.8％，P0.15～0.3％，S≤0.04％，Ti0.20％，Sb0.04％，其余为Fe。其中碳当量控制为4.1-4.2。
采用3T中频感应炉熔化铁水，按照上述重量百分比成份，扣除0.8％长效硅铁孕育剂带入的硅量，计算原铁水所需铸造生铁、废钢、回炉料及锰铁合金、钛铁合金、磷铁合金、75％硅铁的量，熔化加料顺序依次为炉料(包括铸造生铁，废钢和回炉料)铁合金及微量调整合金，即炉料完全熔化后再依次加入75％硅铁，低碳锰铁合金，低碳钛铁合金。在中频感应炉中加入的铁合金均按照10％的烧损量计算。所有铁合金均熔化结束后取原铁水进行炉前成分快速分析，确定并补充中间合金及增碳剂，调整原铁水中的C、Si、Mn、P、S及Ti的成分达到要求，准备出炉。熔化温度为1570℃，出铁温度为1500℃，浇注温度1390℃。每次出炉前进行一次炉前成分快速分析和成分调整，适当的时候需要补充增碳剂。
出铁前在500kg中间铁水包底加入0.04％Sb；扒去铁水上表面的渣后将含锶和钡的长效硅铁孕育剂倒在铁水包中铁水的上表面，其量为0.8％，含锶和钡的长效硅铁孕育剂的粒度15-25mm。
将保温炉用雾化柴油喷嘴烘烤40分钟，在结晶器中插入引锭头后将处理好的铁水经保温炉的浇口浇入保温炉。
当铁水浇注进入保温炉后停留4分钟，使进入结晶器的铁水包裹住引锭头并结晶凝固后开始引锭牵引，以“拉-停-拉”工艺水平连铸生产。其中牵引电机转速900rpm，拉拔时间为1.8s，停留时间为28s，结晶器长度为520mm，进水温度为26℃，出水温度为50℃，型材结晶器出口温度控制为1000℃，得到Φ300mm灰铸铁型材材料。
实施例2制备的Φ300mm灰铸铁型材材料，拉伸性能指标达到了LZHT300标准要求，1/2半径处的抗拉强度为200MPa，硬度HB200-250，弹性模量105GPa。石墨为D型+E型，其中D型75％；心部基体显微组织为85％珠光体其余为铁素体；1/2半径处基体显微组织为80％珠光体其余为铁素体；最表层至25mm处基体显微组织为5-10％珠光体其余为铁素体，游离碳化物不超过5％，游离磷共晶为5％。
实施例3
Φ400mm灰铸铁型材材料及其制备。
按重量百分比其组成为：C2.9％～3.1％，Si2.5％～2.8％，Mn0.8％～1.0％，P0.3％，S≤0.04％，Ti0.28％，Sb0.04％，其余为Fe。其中碳当量控制为4.0-4.2。
采用5T中频感应炉熔化铁水，按照上述重量百分比成份，扣除0.8％长效硅铁孕育剂带入的硅量，计算原铁水所需铸造生铁、废钢、回炉料及锰铁合金、钛铁合金、磷铁合金、75％硅铁的量，熔化加料顺序依次为炉料(包括铸造生铁，废钢和回炉料)铁合金及微量调整合金，即炉料完全熔化后再依次加入75％硅铁，低碳锰铁合金，低碳钛铁合金。在中频感应炉中加入的铁合金均按照10％的烧损量计算。所有铁合金均熔化结束后取原铁水进行炉前成分快速分析，确定并补充中间合金及增碳剂，调整原铁水中的C、Si、Mn、P、S及Ti的成分达到要求，准备出炉。熔化温度为1580℃，出铁温度为1520℃，浇注温度1380℃。每次出炉前进行一次炉前成分快速分析和成分调整，适当的时候需要补充增碳剂。
出铁前在500kg中间铁水包底加入0.04％Sb；扒去铁水上表面的渣后将含锶和钡的长效硅铁孕育剂倒在铁水包中铁水的上表面，其量为1.2％，含锶和钡的长效硅铁孕育剂的粒度15-25mm。
将保温炉用雾化柴油喷嘴烘烤30分钟，在结晶器中插入引锭头后将处理好的铁水经保温炉的浇口浇入保温炉。
当铁水浇注进入保温炉后停留5分钟，使进入结晶器的铁水包裹住引锭头并结晶凝固后开始引锭牵引，以“拉-停-拉”工艺水平连铸生产。其中牵引电机转速900rpm，拉拔时间为1.0s，停留时间为30s，结晶器长度为600mm，进水温度为26℃，出水温度为75℃，型材结晶器出口温度控制为1050℃，得到Φ400mm灰铸铁型材材料。
实施例3制备的Φ400mm灰铸铁型材材料，拉伸性能指标达到了LZHT300标准要求，1/2半径处的抗拉强度为195MPa，硬度HB200-250，弹性模量101GPa。石墨为D型+E型，其中D型75％；心部基体显微组织为85％珠光体其余为铁素体；1/2半径处基体显微组织为80％珠光体其余为铁素体；最表层至25mm处基体显微组织为5-10％珠光体其余为铁素体，游离碳化物不超过5％，游离磷共晶为5％。
Claims (4)
1.一种大直径灰铸铁型材材料的制备方法，其特征在于，该大直径灰铸铁型材材料，按重量百分比其组成为：C2.9％～3.5％，Si2.2％～3.2％，Mn0.3％～1.2％，P≤0.60％，S≤0.06％，Ti0.08％～0.30％，Sb0～0.04％，其余为Fe；
包括以下步骤：
步骤1，铁水熔炼
采用中频感应炉熔化铁水，按照设定的重量百分比成份，扣除孕育用长效硅铁孕育剂带入的硅量，计算原铁水所需铸造生铁、废钢、回炉料及低碳锰铁合金、钛铁合金、磷铁合金、75％硅铁的量，熔化加料顺序依次为铸造生铁、废钢、回炉料，待其完全熔化后再依次加入75％硅铁，低碳锰铁合金，低碳钛铁合金及根据需要时加Sb和磷铁合金；在中频感应炉中加入的铁合金均按照10％的烧损量计算；其中，Sb在出铁水时直接加入到中间铁水包中，其含量不计烧损；待所有铁合金均熔化结束后取原铁水进行炉前成分快速分析，确定并补充中间合金及增碳剂，调整原铁水中的C2.9％～3.5％，Si2.2％～3.2％，Mn0.3％～1.2％，P≤0.60％，S≤0.06％，Ti0.08％～0.30％，准备出炉；
步骤2，铁水孕育及微量元素调整
按照每包铁水的重量，根据加入的量称量纯Sb，出铁前在中间铁水包底加入Sb，使其在铁水包中熔化；根据所需补充的Si量称量含锶和钡的长效硅铁孕育剂，通常孕育剂的量为铁水量的0.8-1.2％，孕育剂的粒度15-25mm，并将其倒在铁水包中铁水的上表面；
步骤3，浇注
浇注前采用雾化柴油喷嘴将保温炉内炉壁烘烤30分钟以上至亮红色，在结晶器中插入引锭头，引锭头与引钉杆相连，并通过牵引机牵引拉拔，将处理好的铁水经保温炉的浇口浇入保温炉；
步骤4，水平连续铸造
将铁水浇注进入保温炉后停留3分钟，使进入结晶器的铁水包裹住引锭头并结晶凝固后开始引锭牵引，以“拉-停-拉”工艺水平连铸生产，即得到大直径灰铸铁型材材料。
2.根据权利要求1所述的大直径灰铸铁型材材料的制备方法，其特征在于，步骤1中熔化温度为1550-1580℃，出铁温度为1460-1520℃，步骤3中浇注温度1380-1420℃。
3.根据权利要求2所述的大直径灰铸铁型材材料的制备方法，其特征在于，步骤2中加入含锶和钡的长效硅铁孕育剂前要先扒去铁水包中铁水上表面的渣。
4.根据权利要求1～3任一所述的大直径灰铸铁型材材料的制备方法，其特征在于，步骤4中水平连续铸造过程中牵引电机转速900rpm，拉拔时间为1-2.5s，停留时间为20-30s，结晶器长度为400-600mm，进水温度为室温，出水温度为50-75℃，型材结晶器出口温度控制为900-1050℃。
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