CN104498816B - 切削性能优良的灰铸铁及其生产方法 - Google Patents

切削性能优良的灰铸铁及其生产方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种切削性能优良的灰铸铁,配料中加入了大量的废钢,实现了变废为宝降低成本的目的,而硫铁和磷铁的加入能改善孕育效果,增大铁水的流动性,降低铸件的气孔和废品率,提高铸件的耐磨性和切削性能;本发明还公开了上述灰铸铁的生产方法,包括一次熔化、二次熔化、精炼、孕育、浇注等步骤,该生产方法中原料的熔化分为两次,保证了原料的充分熔解和高吸收率,而碳当量范围的控制,能保证铸铁件优异的力学性能,该生产方法简单,易于控制,铁水的收缩性小,产品的废品率极大降低。本发明适用于生产灰铸铁,所生产的灰铸铁进一步应用于加工冷冻压缩机的缸体。

Description

切削性能优良的灰铸铁及其生产方法
技术领域
本发明属于铸造领域,涉及一种灰铸铁及其生产方法,具体地说是涉及一种切削性能优良的灰铸铁及其生产方法。
背景技术
由于灰铸铁具有较好的切削性能和耐磨等特点,它在机械、机床、冶金、汽车等行业中得到了广泛应用。为了保证机件的生产效率和加工精度,在实际的生产应用中,通常会不断提高机床主轴的转速进行高速切削,另外,不断增加不换刀一次加工的零件数量。
上述的使用要求对铸铁材料的高切削加工性能提出了更加苛刻的要求,对于铸铁件本身而言,其自身高强度、高的耐磨性和高切削性是相互矛盾的,但既要保证铸铁件的高强度、高耐磨性,又要保证高切削性能又是现实生产中铸铁件必备的性能。
铸铁件的切削性能主要由加工断屑情况、铸铁的金相组织和构成硬质点的金属和非金属化合物等因素决定的。加工时断屑情况良好,可以保证优良的切削加工性能,而硫元素是影响断屑的主要元素之一,现有铸铁件生产技术中,大部分的研究者只控制硫含量的上限,却不控制下限。硫对石墨化的影响有两重性,当硫含量高时,铁水的粘度会明显提高,铁水流动性降低,阻碍石墨化,铸件的废品率高、热脆性差、加工时不易断屑,满足不了高速切削加工的性能的要求;当硫含量低时,严重影响孕育效果。
另外一个影响铸铁件切削性能的元素是磷,人们通常认为磷元素为有害元素,它的含量越低越好,然而铸件中含有适量的磷,具有以下优点:
(1)提高铸件硬度
少量磷共晶比珠光体有更高的硬度,使铸件硬度有明显提高,同时改善铸件耐磨性;
磷共晶虽然提高硬度,但由于它的脆性,在金属加工时容易脱落以及断屑,因此需要控制磷含量在适量的范围内;
(2)提高铸件耐磨性
铸铁中含有适量磷,易形成少量涡形片状的A型石墨,充分发挥了石墨保持润滑油膜或自生润滑剂作用;
(3)降低薄壁铸件白口化倾向
适度的磷含量能形成少量磷共晶,使第一期石墨化进行,促使碳化铁分解,而对第二期石墨化无实际影响,对加工极为有利;
(4)铸件粘砂得到改善
(5)铁水流动性提高
适度的磷含量,可以提高铁水流动性,提高铸件填充性,有利于排气去渣,减少氧化性气孔。
发明内容
本发明要解决的技术问题,是提供一种切削性能优良的灰铸铁,配料中加入大量的废钢以实现变废为宝降低成本的目的;另外,加入磷铁以增大铁水的流动性,提高铸铁件的耐磨性和切削性能,降低铸铁件的气孔率、砂眼率和废品率;
本发明的另外一个目的,是提供一种切削性能优良的灰铸铁的生产方法,包括一次熔化、二次熔化、精炼、孕育、浇注等步骤,该方法中的原料分为两次熔化,以降低锰硅合金和增碳剂的烧损,并使锰硅合金、增碳剂、碳化硅在铁水中熔解得充分、彻底,该生产方法简单易于控制,铁水的收缩性小,产品的废品率极大降低。
为解决上述技术问题,本发明所采取的技术方案是:
一种切削性能优良的灰铸铁,按照重量份数计,包括如下原料:
生铁0-19.49份(以重量百分含量计,生铁的化学成分是C=4.323-4.10,Si=0.849-0.5,Mn=0.120-0.08,P≤0.04,S≤0.035,Cr<0.064,Ti<0.035,Al<0.047,其余为Fe),
废钢42.24-50.78份(以重量百分含量计,废钢的化学成分是 C=0.05-0.370,Si=0.03-0.35,Mn=0.20-0.40,P≤0.04,S≤0.035,Cr<0.15,Ti<0.035,Al<0.062,其余为Fe),
回炉料35.74-44.43份(以重量百分含量计,回炉料的化学成分是C=3.1-3.4,Si=1.9-2.25,Mn=0.7-0.90,P=0.06-0.085,S=0.055-0.075,Cr=0.15-0.29,其余为Fe),
硅铁0.42-0.83份(硅铁牌号为FeSi75-A,以重量百分含量计其化学成分是Si=74-80,Al=1.5,Ca=1.0,Mn=0.4,Cr=0.3, P=0.035, S=0.02,C=0.10,其余为Fe),
锰铁 0.32-0.60份(锰铁牌号为FeMn68,以重量百分含量计其化学成分是C=7.0,Mn=65-70,C=7.0,Si=2.0,P=0.20,S=0.03,其余为Fe),
硫铁0.10-0.16份(硫铁牌号为FeS28,以重量百分含量计其化学成分是S=20-28,C≤0.05,Si≤0.50,Mn≤0.30,P≤0.05,Fe≥79),
铬铁0.03-0.25份(铬铁牌号为FeCr67C9.5,以重量百分含量计其化学成分是Cr=62-72,C=9.5,Si=3.0,P=0.04,S=0.04,其余为Fe),
磷铁0.08-0.19份(磷铁牌号为FeP24,以重量百分含量计其化学成分是P=23-25,Si=3.0,C=1.0,S=0.5,Mn=2.0,其余为Fe),
硅钡孕育剂0.30-0.41份(以重量百分含量计其化学成分为Si=68-75,Ba=2-3,Ca=1-2,Al=1.0-2.0),
硅锆孕育剂0.10份(以重量百分含量计其化学成分为Si=73-75,Ca=2.0-2.5,Al=1.0-1.5,Zr=1.0-1.5),
碳化硅0.48-0.49份,
增碳剂0.70-1.78份[增碳剂牌号为KC-2,粒度0.5-5mm, 以重量百分含量计其化学成分为C≥98.5,S≤0.05,灰分≤0.5,挥发分≤0.5,氮≤0.025(即氮≤250PPM)]。
作为本发明的一种限定,所述的硅钡孕育剂的粒径为1-3mm,硅锆孕育剂粒径为0.5-0.9mm。
本发明还提供了上述切削性能优良的灰铸铁的生产方法,包括依次进行的一次熔化、二次熔化、冶炼、孕育、浇注等步骤。
作为本发明的一种限定,该生产方法按照如下的步骤顺序进行:
(1)一次熔化
将废钢,生铁加入中频电炉内,升温至1180-1250℃,待固体熔化至投料总重量的50-65%,得A;
(2)二次熔化
向A中加入回炉料、硅铁、锰铁、硫铁、铬铁、磷铁、碳化硅和增碳剂,中频电炉升温至1380-1400℃,得B;
二次熔化的目的是使硅铁、锰铁、铬铁和碳化硅合等原料充分熔解,增加增碳剂的吸收率,同时降低硅铁、锰铁和增碳剂的烧损;
锰铁、铬铁的加入,对铸铁的组织结构中硬质点的形态、大小、分布以及数量有直接的影响,加入适量锰铁可以达到稳定珠光体,又避免过量锰形成化学成分偏析,形成硬质点相的过锰化合物和过铬的化合物;
碳化硅,可以细化石墨晶粒,提高石墨等级,与铁水中氧、氮、氢等气体具有很强的亲和力,可以有效防止气孔的产生,对薄壁件边缘白口有很好改善作用,减小铁水线性收缩倾向,使组织致密,提高铸件加工性能及切削面粗糙度,同时在铁水凝固时能让合金偏析元素均匀分布,防止合金元素偏析,有利于提高切削加工性;
(3)精炼
从B中取样,检测,并调整其化学成分重量百分含量为C=3.10-3.28,Si=1.80-1.9,Mn=0.075-0.84,Cr=0.18-0.25,P=0.065-0.085,S=0.06-0.075,Ti<0.06时,中频电炉升温至1500-1520℃,保温,将温度调至1470-1500℃,得铁水C;
精炼温度对熔炼铁水的性能有重要影响,铁水经过加热可使石墨细化、基体组织细密,强度提高硬度下降,成熟度提高,如果温度超过1520℃,会增加铁水白口化倾向,降低铸件切削性和力学性能;如果温度低于1500℃,铁水纯净度低,不能有效消除生铁或回炉料中较粗大石墨对材质的遗传性影响;
(4)孕育
C出炉时,向出铁槽中加入硅钡孕育剂,孕育后得D;
(5)浇注
取1370-1420℃的D,向D中加入硅锆孕育剂,孕育后得F,将F浇注,待铸件表面温度低于350℃时,开箱落砂;
硅锆孕育剂的抗孕育衰退能力强,低温下易溶解,含有的锆元素具有中和增碳剂所带入铁水的氮的作用,能有效降低铸件因氮含量高时所形成的氮气孔,但微量氮对铸件强度和硬度有提高作用,本步骤加入硅锆孕育剂来实现氮含量的合理控制,进而提高铸铁件的整体性能。
作为本发明的进一步限定:
所述的步骤(3)中,保温时间为2-3min;
保温时间超过3min,会增加铁水白口化倾向,降低铸件切削性,碳元素烧损明显加剧,保温时间少于2min,不能有效消除生铁或回炉料中较粗大石墨对材质的遗传性影响;
所述的步骤(4)中,孕育时间为1-1.5min;
所述的步骤(5)中,孕育时间为0.2-0.6min;
在孕育的过程中,孕育剂作用并不是在于直接向铁水提供形核基质,而是通过提高碳在铁水中活度而促进石墨结晶核心的形成;孕育剂会在铁水中形成硅的浓度起伏,铁水也就有了浓度起伏,碳原子在富硅区中有较高活度,可以依附适合的形核基质而形成石墨核心;
本发明还有一种限定,所述的步骤(5)中,浇注时间为5-7min。
本发明灰铸铁的生产方法作为一个整体,具有简单、易于控制的优点,制作的灰铸铁件合格率高,切削性能好。
由于采用了上述的技术方案,本发明与现有技术相比,所取得的技术进步在于:
本发明提供了一种切削性能优良的灰铸铁,具有如下优点:
①本发明通过对各种原料的控制,使其元素之间相互协同,配合发挥作用,不仅保证了铸铁件的力学性能,还提高了切削性能;
②本发明应用了大量的废钢,实现变废为宝,大大降低了生产成本;
③硫铁和磷铁的添加,为铁水补充了P含量和S含量, 其中P可以增加铁水的流动性,降低成品的气孔率和砂眼率;S可以与金属元素化合并存在于石墨核心中,促进石墨化,改善了铸铁件的切削性。
本发明所提供的上述灰铸铁的生产方法,具有如下优点:
①原料的熔化分为两次,保证了锰铁、锰铁和硅铁以及碳化硅充分熔解,降低它们的烧损;
②精炼后铁水的碳当量的合理控制,可以使铸铁件的切削性能、力学性能达到最佳;
③该生产方法简单易于控制,铁水的收缩性小,力学性能高,产品的废品率极大降低。
本发明适用于生产灰铸铁,所生产的灰铸铁进一步应用于加工冷冻压缩机的缸体。
本发明下面将结合具体实施例作进一步详细说明。
附图说明
图1为实施例1所生产的灰铸铁于DMI5000M金相显微镜下的石墨形态照片;
图2为实施例1所生产的灰铸铁于DMI5000M金相显微镜下的基体组织照片。
具体实施方式
实施例 一种切削性能优良的灰铸铁及其生产方法
一、切削性能优良的灰铸铁
按照重量份数计,该灰铸铁的原料包括:
(1)生铁0-19.49份
以重量百分含量计,生铁的化学成分是C=4.323-4.10,Si=0.849-0.5,Mn=0.120-0.08,P≤0.04,S≤0.035,Cr<0.064,Ti<0.035,Al<0.047,其余为Fe;
(2)废钢42.24-50.78份
以重量百分含量计,废钢的化学成分是 C=0.05-0.370,Si=0.03-0.35,Mn=0.20-0.40,P≤0.04,S≤0.035,Cr<0.15,Ti<0.035,Al<0.062,其余为Fe;
(3)回炉料35.74-44.43份
以重量百分含量计,回炉料的化学成分是C=3.1-3.4,Si=1.9-2.25,Mn=0.7-0.90,P=0.06-0.085,S=0.055-0.075,Cr=0.15-0.29,其余为Fe;
(4)硅铁0.42-0.83份
硅铁牌号为FeSi75-A,以重量百分含量计其化学成分是Si=74-80,Al=1.5,Ca=1.0,Mn=0.4,Cr=0.3, P=0.035, S=0.02,C=0.10,其余为Fe;
(5)锰铁0.32-0.60份
锰铁牌号为FeMn68,以重量百分含量计其化学成分是C=7.0,Mn=65-70,C=7.0,Si=2.0,P=0.20,S=0.03,其余为Fe;
(6)硫铁0.10-0.16份
硫铁牌号为FeS28,以重量百分含量计其化学成分是S=20-28,C≤0.05,Si≤0.50,Mn≤0.30,P≤0.05,Fe≥79;
(7)铬铁0.03-0.25份
铬铁牌号为FeCr67C9.5,以重量百分含量计其化学成分是Cr=62-72,C=9.5,Si=3.0,P=0.04,S=0.04,其余为Fe;
(8)磷铁0.08-0.19份
磷铁牌号为FeP24,以重量百分含量计其化学成分是P=23-25,Si=3.0,C=1.0,S=0.5,Mn=2.0,其余为Fe;
(9)硅钡孕育剂0.30-0.41份(以重量百分含量计其化学成分为Si=68-75,Ba=2-3,Ca=1-2,Al=1.0-2.0);
(10)硅锆孕育剂0.10份
以重量百分含量计其化学成分为Si=73-75,Ca=2.0-2.5,Al=1.0-1.5,Zr=1.0-1.5);
(11)碳化硅0.48-0.49份;
(12)增碳剂0.70-1.78份
增碳剂牌号为KC-2,粒度0.5-5mm, 以重量百分含量计其化学成分为C≥98.5,S≤0.05,灰分≤0.5,挥发分≤0.5,氮≤0.025(即氮的重量百万分含量小于或等于250PPM)。
二、以前述一中原料生产切削性能优良的灰铸铁的方法
本实施例的生产方法包括序号为1—6的六个实施例。其中:
①实施例1 一种切削性能优良的灰铸铁的生产方法
实施例1按照如下的步骤顺序依次进行:
(11)一次熔化
将422.5kg废钢, 180kg生铁加入中频电炉内,升温至1200℃,待固体熔化至投料总重量的55%,得A1;
(12)二次熔化
向A1中加入444.3 kg回炉料、6.5kg硅铁、3.2kg锰铁、1.0kg硫铁、1.5kg铬铁、1.0kg磷铁、4.8kg碳化硅和9.0kg增碳剂,中频电炉升温至1390℃,得B1;
(13)精炼
从B1中取样检测并调整其相应化学成分至重量百分含量为C=3.10-3.28,Si=1.80-1.90,Mn=0.075-0.84,Cr=0.18-0.25,P=0.065-0.085,S=0.06-0.075,Ti<0.06时,中频电炉升温至1500℃,保温2.5min,将温度调至1500℃,得铁水C1;
(14)孕育
C1出炉时,向出铁槽中加入粒径为3mm的硅钡孕育剂3.0kg,孕育1min后,得D1;
(15)浇注
取1420℃的D1,向D1中加入粒径为0.8mm的硅锆孕育剂1.0kg,孕育0.5min后得F1,F1中Si的重量百分含量在2.10-2.25范围内,将F1浇注,浇注时间为5.5min,待铸件表面温度低于350℃时,开箱落砂。
图1为所制备的灰铸铁在DMI5000M金相显微镜下看到的石墨形态照片,灰铸铁试样经过4%硝酸酒精溶液浸蚀后进行呈相测试,得到基体组织照片,如图2。依据国标GB/T7216-2009灰铁金相检验标准可知,图1中石墨呈A 型分布,石墨长度4级,图2中的基体组织为珠光体、少量铁素体和少量磷共晶,珠体数为珠98,磷共晶为1%。
实施例1所提供的灰铸铁件,配方中应用了大量的废钢,实现了变废为宝的目的,大大降低了生产成本;硫铁和磷铁的添加,为铁水补充了P含量和S含量, P可以增加铁水的流动性,降低成品的气孔率和砂眼率;S可以与金属元素化合并存在于石墨核心中,促进石墨化。实施例1所涉及的生产方法简单易于控制,铁水的收缩性小,产品的废品率极大降低,本实施例所制的灰铸铁件切削性能好,抗拉强度305MPa,硬度203HB,废品率为4.8%,适用于加工冷冻压缩机的缸体。
②实施例2-6 切削性能优良的灰铸铁及其生产方法
实施例2-6分别用一中原料生产切削性能优良的灰铸铁,各实施例的灰铸铁的具体原料配比如表1所示,生产步骤与实施例1相似,不同之处仅在于:生产过程中相应的技术参数不同,具体见表2。
表1 实施例2-6中灰铸铁原料配比表
表2 实施例2-6中灰铸铁生产过程中相应的技术参数表
在实施例2-6中:
①步骤(x3)(x=2-6)中,利用光谱仪对铁水Cx(x=2-6)进行了化学成分的检验,铁水的各化学成分及其重量百分含量如下:
C=3.10-3.28,Si=1.80-1.90,Mn=0.075-0.84,Cr=0.18-0.25,P=0.065-0.085,S=0.06-0.075,Ti<0.06%;
②步骤(x 5)(x=2-6)中,Fx(x=2-6)中Si的重量百分含量在2.10-2.25范围内。
上述实施例所提供的灰铸铁配方中应用了大量的废钢,因变废为宝而大大降低了生产成本;硫铁和磷铁的添加,为铁水补充了P含量和S含量, P可以增加铁水的流动性,降低成品的气孔率和砂眼率;S可以与金属元素化合后并存在于石墨核心中,促进石墨化;本实施例的生产方法中,原料的熔化分为两次,保证了原料充分熔解,降低了它们的烧损率,灰铸铁的力学性能和可切削性能好,铣削速度可由常规铣削标准120-150M/min,提高到156-200M/min,车削速度也可较常规提高25-30%。该生产方法简单易于控制,铁水的收缩性小,产品的废品率极大降低。
实施例1-6,仅是本发明的较佳实施例而已,并非是对本发明所作的其它形式的限定,任何熟悉本专业的技术人员可能利用上述技术内容作为启示加以变更或改型为等同变化的等效实施例。但凡是未脱离本发明权利要求的技术实质,对以上实施例所作出的简单修改、等同变化与改型,仍属于本发明权利要求保护的范围。

Claims (5)

1.一种切削性能优良的灰铸铁,其特征在于按照重量份数计,包括如下原料:
生铁 0-19.49份,
废钢 42.24-50.78份,
回炉料 35.74-44.43份,
硅铁 0.42-0.83份,
锰铁 0.32-0.60份,
硫铁 0.10-0.16份,
铬铁 0.03-0.25份,
磷铁 0.08-0.19份,
硅钡孕育剂 0.30-0.41份,
硅锆孕育剂 0.10份,
碳化硅 0.48-0.49份,
增碳剂 0.70-1.78份;
所述的硅钡孕育剂的粒径为1-3mm,硅锆孕育剂粒径为0.5-0.9mm;
一种切削性能优良的灰铸铁的生产方法,该生产方法包括依次进行的一次熔化、二次熔化、精炼、孕育、浇注步骤;
(1)一次熔化
将废钢、生铁加入中频电炉内,升温至1180-1250℃,至已熔化部分占投料总重量的50-65%,得A;
(2)二次熔化
向A中加入回炉料、硅铁、锰铁、硫铁、铬铁、磷铁、碳化硅和增碳剂,中频电炉升温至1380-1400℃,得B;
(3)精炼
从B中取样检测,并调整其相应化学成分的重量百分含量为C=3.10-3.28,Si=1.80-1.9,Mn=0.075-0.84,Cr=0.18-0.25,P=0.065-0.085,S=0.06-0.075,Ti<0.06时,中频电炉升温至1500-1520℃,保温,将温度调至1470-1500℃,得铁水C;
(4)孕育
C出炉时,向出铁槽中加入硅钡孕育剂,孕育后得D;
(5)浇注
取1370-1420℃的D,加入硅锆孕育剂,孕育后得F;
将F浇注,待铸件表面温度低于350℃时,开箱落砂。
2.根据权利要求1所述的切削性能优良的灰铸铁,其特征在于:所述步骤(3)中,保温时间为2-3min。
3.根据权利要求1所述的切削性能优良的灰铸铁,其特征在于:所述步骤(4)中,孕育时间为1-1.5min。
4.根据权利要求1所述的切削性能优良的灰铸铁,其特征在于:所述步骤(5)中,孕育时间为0.2-0.6min。
5.根据权利要求1-4中任意一项所述的切削性能优良的灰铸铁,其特征在于:所述步骤(5)中,浇注时间为5-7min。
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