CN104878286B - 一种船用柴油机机身铸造材料及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
一种船用柴油机机身铸造材料，按质量百分比由以下成分组成：Fe91％～94％，C 3.4％～4.0％，Si 1.4％～2.6％，Cu 1％～2％，Mn 0.1％～0.3％，P 0.02％～0.07％，S 0.01％～0.03％，以上组分的含量总和为100％。本发明一种船用柴油机机身铸造材料的制备方法，包括熔融炉料、调整熔炼成分、分析初始铁水的化学成分、进行球化处理和进行反球化处理制得。本发明解决了现有船用柴油机机身铸造材料因其中一种或多种元素配比不合理而导致铸件出现组织缺陷、机械性能降低问题，提高了铸件的成品率，操作简便，方法稳定可靠。
Description
技术领域
本发明属于机械铸造技术领域，涉及一种船用柴油机机身铸造材料，本发明还涉及上述船用柴油机机身铸造材料的制备方法。
背景技术
柴油机机身是船用中速柴油机最关键零部件之一，其特点为：铸件结构紧凑，外形尺寸大，内部铸有润滑油道和冷却水道，内腔和外壁几何形状都比较复杂，且壁厚厚薄不匀，最大壁厚和最小壁厚相差悬殊，加工精度要求高，探伤部位多。由于机身铸件的重量较大，结构十分复杂，因此，机身铸造难度很大。
球墨铸铁柴油机机身具有强度高、稳定性好、减振降噪等综合性能好的优势，已成为船用柴油机机身的首选材料；球墨铸铁材料成分配比时，不但要能够满足良好的使用性能和理化性能(保证水压试验合格、较低的断面敏感性)及机械加工性能，还要有良好的铸造工艺性。球墨铸铁材料的自补缩铸造可减少铸造缺陷的发生，减小铸造冒口重量、提高工艺出品率、提升铸件的可靠性。
配比机身铸造材料成分时，不但需要利用球墨铸铁材料凝固过程的自补缩特性获得合格铸件，同时，还应根据技术文件中材料牌号和机械性能要求、零件的壁厚等进行机身铸造材料成分的配比设计。机身铸造的材料，其化学成分中主要有C、Si、Mn、Cu、P、S及合金化元素，这些元素均不同程度的影响着铸件的力学性能和铸造性能，其中碳当量主要影响石墨形态和铸造性能，合金元素主要影响基体中珠光体的含量，从而影响铸件的本体强度、硬度、均匀性和热疲劳性。现有的铸造技术在配比铸造材料时，往往因其中一种或多种元素配比不合理，轻则导致铸件出现组织缺陷降低机械性能，重则导致铸件不合格产生报废，增加企业生产成本。
发明内容
本发明的目的是提供一种船用柴油机机身铸造材料，该铸造材料解决了现有船用柴油机机身铸造材料因其中一种或多种元素配比不合理而导致铸件出现组织缺陷、机械性能降低的问题。
本发明的另一目的是提供上述机身铸造材料的制备方法，能够制造出更具稳定性的合金材料。
本发明所采用的技术方案是，一种船用柴油机机身铸造材料，按质量百分比由以下成分组成：Fe 91％～94％，C 3.4％～4.0％，Si 1.4％～2.6％，Cu 1％～2％，Mn 0.1％～0.3％，P 0.02％～0.07％，S 0.01％～0.03％，以上组分的含量总和为100％。
本发明所采用的另一技术方案是，上述柴油机机身铸造材料的制备方法，具体按照以下步骤实施：
步骤1、熔融炉料：按要求的设计组分进行炉前化学成分配比，秤量炉料，将称量好的炉料和合金加入炉中，送电，熔化并均匀化成分；加料顺序为先加炉料，熔清后再加入合金，制得初始铁水。
步骤2、调整熔炼成分：
步骤2.1、分析初始铁水的化学成分，根据化学分析结果确定成分差，并根据成分差，依据要求的设计组分进行补差计算，将需要补充的炉料、合金加入炉中，送电熔化并再次均匀化成分；
步骤2.2、再次取样分析，并根据化学分析结果进行成分微调，重复上述步骤来调整化学成分，直到各元素达到设计要求，制得共晶合金；
步骤3、进行球化处理：将经步骤2制得的共晶合金加入球化剂和孕育剂，进行球化处理；
步骤4、进行反球化处理：将经步骤3处理的共晶合金加入反球化剂，进行反球化处理，处理温度1460℃～1490℃，制得机身铸造材料。
本发明另一种技术方案的特点还在于，
要求的设计组分为：按质量百分比由以下成分组成：Fe 91％～94％，C 3.4％～4.0％，Si 1.4％～2.6％，Cu 1％～2％，Mn 0.1％～0.3％，P 0.02％～0.07％，S 0.01％～0.03％，以上组分的含量总和为100％。
炉料包括检验合格的生铁、废钢及球墨铸铁机身浇冒口、废球墨铸铁机身、球铁材质废铸件、低牌号灰铸铁废铸件。
球化剂为Mg或Re-Mg合金，球化剂的块度10mm～20mm，添加量为铁水质量的0.03～0.055％；孕育剂为75FeSi，添加量为铁水质量的0.2％～0.6％。
反球化剂包括Ti，Pb，Te和As，添加量不大于铁水质量的0.1％，其中，Ti含量不大于0.05％，Pb含量不大于0.002％，Te含量不大于0.03％，As含量不大于0.02％。
球化处理工序的具体方法为，将铁水升温至1460℃-1500℃，在铁水上先覆一层球化剂，再将孕育剂和球化剂混合后二次出铁时随流冲入。
本发明的有益效果是，
(1)一种船用柴油机机身铸造材料，通过合金组分配比，设计碳当量及其它元素的含量，使材料在铸造时流动性提高，更有利于浇注船用柴油机机身的成形条件，有利于材料自身补缩，提高了铸件组织致密性，从而获得健全的铸件，提高了铸件的机械性能和成品率，节省铸造成本。
(2)一种船用柴油机机身铸造材料的制备方法，通过材料化学成分控制、合金球化工艺、合金反球化工艺及熔炼工艺，制备出共晶合金，并且提高了工艺可靠性，使制备出的合金材料更具稳定性，从而进一步提高铸件的成品率，节省铸造成本。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明进行详细说明。
本发明一种船用柴油机机身铸造材料，按质量百分比由以下成分组成：Fe 91％～94％，C 3.4％～4.0％，Si 1.4％～2.6％，Cu 1％～2％，Mn 0.1％～0.3％，P 0.02％～0.07％，S 0.01％～0.03％，以上组分的含量总和为100％，经计算，铸造材料中的碳当量为3.6％～3.8％。
本发明一种船用柴油机机身铸造材料的制备方法，具体按照以下步骤实施：
步骤1、熔融炉料：按要求的设计组分进行炉前化学成分配比，秤量炉料，将称量好的炉料和合金加入炉中，送电，熔化并均匀化成分；加料顺序为先加炉料，熔清后再加入合金，制得初始铁水，其中，要求的设计组分为：按质量百分比由以下成分组成：Fe 91％～94％，C 3.4％～4.0％，Si 1.4％～2.6％，Cu 1％～2％，Mn 0.1％～0.3％，P 0.02％～0.07％，S 0.01％～0.03％，以上组分的含量总和为100％；炉料包括检验合格的生铁、废钢及球墨铸铁机身浇冒口、废球墨铸铁机身、球铁材质废铸件、低牌号灰铸铁废铸件。
步骤2、调整熔炼成分：
步骤2.1、分析初始铁水的化学成分，根据化学分析结果确定成分差，并根据成分差，依据要求的设计组分进行补差计算，将需要补充的炉料、合金加入炉中，送电熔化并再次均匀化成分；
步骤2.2、再次取样分析，并根据化学分析结果进行成分微调，重复上述步骤来调整化学成分，直到各元素达到设计要求，制得共晶合金。
步骤3、进行球化处理：将经步骤2制得的共晶合金加入球化剂和孕育剂，进行球化处理：将铁水升温至1460℃-1500℃，在铁水上先覆一层球化剂，再将孕育剂和球化剂混合后二次出铁时随流冲入其中，球化剂为Mg或Re-Mg合金，球化剂的块度10mm～20mm，添加量为铁水质量的0.03～0.055％；孕育剂为75FeSi，添加量为铁水质量的0.2％～0.6％。
步骤4、进行反球化处理：将经步骤3处理的共晶合金加入反球化剂，进行反球化处理，处理温度1460℃～1490℃，其中，反球化剂包括Ti，Pb，Te和As，添加量不大于铁水质量的0.1％，其中，Ti含量不大于0.05％，Pb含量不大于0.002％，Te含量不大于0.03％，As含量不大于0.02％，制得机身铸造材料。
本发明步骤1中，炉料准备前进行材料组分设计，之后依次按顺序加入炉料，熔化并均匀化成分，能够使各组分更均匀地熔化。
本发明步骤2中，完成化学成分调整。从原铁水的化学成分分析开始，依据各类炉料、合金的成分进行补差计算；称量要加入的炉料、合金加入炉中，送电熔化并均匀化成分(加料顺序为先加炉料，熔清后加合金)；再次取样分析；根据化学分析结果进行成分微调；按照以上步骤，制备出达到共晶合金的成分。
本发明船用柴油机机身铸造材料成分设计中，1)提高碳当量：因为碳元素促进石墨化，减少白口倾向，改善流动性，增加凝固时的体积膨胀，在不引起石墨漂浮的前提下，有利于减少铁水的收缩和提高铁水的石墨化膨胀自补缩能力。2)降低合金化元素含量：在保证机械性能的前提下，应降低合金化元素含量，特别是碳化物形成元素含量，如锰、铬、钒等元素，有利于减少铁水的收缩倾向。3)降低残留镁和稀土含量：镁和稀土在铁水中均能增加白口倾向，在保证球化的前提下，尽量降低镁和稀土，也要求原铁水中的反球化元素和含硫量低。4)降低磷含量：低熔点磷共晶存在，会导致最后凝固时得不到补缩而产生缩松。
材料配比主要依据铸件球墨铸铁的牌号和各种性能要求，如铸件的尺寸、重量、形状和冷却速度，是否热处理，球化和脱硫工艺及原材料条件等，综合考虑设计出C、Si、Mn、P、S及合金化元素的合理配比。根据以上原则，通过设计熔炼和凝固试验，优选出符合球墨铸铁自补缩要求的柴油机机身材料化学成分。
船用柴油机机身铸件对底脚板和曲轴中心线部位等都有致密度要求，本发明对机身铸件的铸造材料进行化学成分优化配比，充分利用球墨铸铁凝固时石墨化膨胀带来的体积变化实现有效补缩，克服了原化学成分设计未综合考虑高温熔炼过程中球化、及孕育过程成分变化所产生的影响，使金属液收缩得不到补充，易形成缩孔、缩松的现象。该成分配比也解决了在凝固过程中机身铸件易在厚壁部位产生微观缩松的问题，提高了机身铸件的自补缩能力，为获得了无组织缩松的机身铸件创造了物质条件。
实施例1：
M型柴油机机身铸件用材料，熔融炉料：按要求的设计组分进行炉前化学成分配比，秤量炉料，将称量好的炉料和合金加入炉中，送电，熔化并均匀化成分；加料顺序为先加炉料，熔清后再加入合金，制得初始铁水，其中，要求的设计组分为：按质量百分比由以下成分组成：Fe 91％，C 4.0％，Si 2.6％，Cu 2％，Mn 0.3％，P 0.07％，S 0.03％，以上组分的含量总和为100％；炉料包括检验合格的生铁、废钢及球墨铸铁机身浇冒口、废球墨铸铁机身、球铁材质废铸件、低牌号灰铸铁废铸件。调整熔炼成分：分析初始铁水的化学成分，根据化学分析结果确定成分差，并根据成分差，依据要求的设计组分进行补差计算，将需要补充的炉料、合金加入炉中，送电熔化并再次均匀化成分；再次取样分析，并根据化学分析结果进行成分微调，重复上述步骤来调整化学成分，直到各元素达到设计要求，制得共晶合金。进行球化处理：将制得的共晶合金加入球化剂和孕育剂，进行球化处理：将铁水升温至1460℃，在铁水上先覆一层球化剂，再将75FeSi和球化剂混合后二次出铁时随流冲入其中，球化剂为Mg，球化剂的块度10mm，添加量为铁水质量的0.03％，75FeSi的添加量为0.2％。进行反球化处理：将共晶合金加入反球化剂，进行反球化处理，处理温度1460℃，制得M型柴油机机身铸件用材料。其中，反球化剂包括Ti，Pb，Te和As，添加量为铁水质量的0.1％，其中，Ti含量0.048％，Pb含量0.002％，Te含量0.03％，As含量0.02％。
实施例2：
P型柴油机机身铸件用材料，熔融炉料：按要求的设计组分进行炉前化学成分配比，秤量炉料，将称量好的炉料和合金加入炉中，送电，熔化并均匀化成分；加料顺序为先加炉料，熔清后再加入合金，制得初始铁水，其中，要求的设计组分为：按质量百分比由以下成分组成：Fe 94％，C 3.4％，Si 1.4％，Cu 1.07％，Mn 0.1％，P 0.02％，S 0.01％，以上组分的含量总和为100％；炉料包括检验合格的生铁、废钢及球墨铸铁机身浇冒口、废球墨铸铁机身、球铁材质废铸件、低牌号灰铸铁废铸件。调整熔炼成分：分析初始铁水的化学成分，根据化学分析结果确定成分差，并根据成分差，依据要求的设计组分进行补差计算，将需要补充的炉料、合金加入炉中，送电熔化并再次均匀化成分；再次取样分析，并根据化学分析结果进行成分微调，重复上述步骤来调整化学成分，直到各元素达到设计要求，制得共晶合金。进行球化处理：将制得的共晶合金加入球化剂，进行球化处理：将铁水升温至1480℃，在铁水上先覆一层球化剂，再将75FeSi和球化剂混合后二次出铁时随流冲入其中，球化剂为Mg，球化剂的块度为15mm，添加量为铁水质量的0.04％，75FeSi的添加量为0.4％。进行反球化处理：将共晶合金加入反球化剂，进行反球化处理，处理温度1470℃，制得P型柴油机机身铸件用材料。其中，反球化剂包括Ti，Pb，Te和As，添加量为铁水质量的0.08％，其中，Ti含量0.038％，Pb含量0.002％，Te含量0.02％，As含量0.02％。
实施例3：
N型柴油机机身铸件用材料，熔融炉料：按要求的设计组分进行炉前化学成分配比，秤量炉料，将称量好的炉料和合金加入炉中，送电，熔化并均匀化成分；加料顺序为先加炉料，熔清后再加入合金，制得初始铁水，其中，要求的设计组分为：按质量百分比由以下成分组成：Fe 93％，C 3.74％，Si 2％，Cu 1％，Mn 0.2％，P 0.04％，S 0.02％，以上组分的含量总和为100％；炉料包括检验合格的生铁、废钢及球墨铸铁机身浇冒口、废球墨铸铁机身、球铁材质废铸件、低牌号灰铸铁废铸件。调整熔炼成分：分析初始铁水的化学成分，根据化学分析结果确定成分差，并根据成分差，依据要求的设计组分进行补差计算，将需要补充的炉料、合金加入炉中，送电熔化并再次均匀化成分；再次取样分析，并根据化学分析结果进行成分微调，重复上述步骤来调整化学成分，直到各元素达到设计要求，制得共晶合金。进行球化处理：将制得的共晶合金加入球化剂，进行球化处理：将铁水升温至1500℃，在铁水上先覆一层球化剂，再将75FeSi和球化剂混合后二次出铁时随流冲入其中，球化剂为Mg，球化剂的块度为20mm，添加量为铁水质量的0.055％；75FeSi的添加量为0.6％。进行反球化处理：将共晶合金加入反球化剂，进行反球化处理，处理温度1490℃，制得P型柴油机机身铸件用材料。其中，反球化剂包括Ti，Pb，Te和As，添加量为铁水质量的0.06％，其中，Ti含量0.029％，Pb含量0.001％，Te含量0.015％，As含量0.015％。
Claims (5)
1.一种船用柴油机机身铸造材料的制备方法，其特征在于，具体按照以下步骤实施：
步骤1、熔融炉料：按要求的设计组分进行炉前化学成分配比，秤量炉料，将称量好的炉料和合金加入炉中，送电，熔化并均匀化成分；加料顺序为先加炉料，熔清后再加入合金，制得初始铁水；
要求的设计组分为：按质量百分比由以下成分组成：Fe 91％～94％，C 3.4％～4.0％，Si 1.4％～2.6％，Cu 1％～2％，Mn 0.1％～0.3％，P 0.02％～0.07％，S 0.01％～0.03％，以上组分的含量总和为100％；
步骤2、调整熔炼成分：
步骤2.1、分析初始铁水的化学成分，根据化学分析结果确定成分差，并根据成分差，依据要求的设计组分进行补差计算，将需要补充的炉料、合金加入炉中，送电熔化并再次均匀化成分；
步骤2.2、再次取样分析，并根据化学分析结果进行成分微调，重复上述步骤来调整化学成分，直到各元素达到设计要求，制得共晶合金；
步骤3、进行球化处理：将经步骤2制得的共晶合金加入球化剂和孕育剂，进行球化处理；
步骤4、进行反球化处理：将经步骤3处理的共晶合金加入反球化剂，进行反球化处理，处理温度1460℃～1490℃，制得机身铸造材料。
2.根据权利要求1所述的一种船用柴油机机身铸造材料的制备方法，其特征在于，所述步骤1中，炉料包括检验合格的生铁、废钢及球墨铸铁机身浇冒口、废球墨铸铁机身、球铁材质废铸件、低牌号灰铸铁废铸件。
3.根据权利要求1所述的一种船用柴油机机身铸造材料的制备方法，其特征在于，所述步骤3中，球化剂为Mg或Re-Mg合金，球化剂的块度为10mm～20mm，添加量为铁水质量的0.03～0.055％；孕育剂为75FeSi，添加量为铁水质量的0.2％～0.6％。
4.根据权利要求1所述的一种船用柴油机机身铸造材料的制备方法，其特征在于，所述步骤3中，球化处理工序的具体方法为，将铁水升温至1460℃-1500℃，在铁水上先覆一层球化剂，再将孕育剂和球化剂混合后二次出铁时随流冲入。
5.根据权利要求1所述的一种船用柴油机机身铸造材料的制备方法，其特征在于，所述步骤4中，反球化剂包括Ti，Pb，Te和As，反球化剂添加量不大于铁水质量的0.1％，其中，Ti含量不大于铁水质量的0.05％，Pb含量不大于铁水质量的0.002％，Te含量不大于铁水质量的0.03％，As含量不大于铁水质量的0.02％。
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