CN104988381A

CN104988381A - 一种大断面铸态铁素体球墨铸铁及其制备方法

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Publication number: CN104988381A
Application number: CN201510420912.9A
Authority: CN
Inventors: 王星; 王美喜; 史学勇; 闫兴义; 陈柏林
Original assignee: Jiangsu Jixin Wind Energy Technology Co Ltd
Current assignee: Jiangsu Jixin Wind Energy Technology Co Ltd
Priority date: 2015-07-17
Filing date: 2015-07-17
Publication date: 2015-10-21
Anticipated expiration: 2035-07-17
Also published as: CN104988381B

Abstract

本发明属于球墨铸铁技术领域，具体涉及球墨铸铁材料的控制和铸造生产，尤其是一种大断面铸态铁素体球墨铸铁QT580-15A及其制备方法。通过原材料选择，铁水成分控制，球化剂、覆盖剂及工艺的优化，孕育剂及工艺的确定，微量合金元素加入量及加入方法的控制，使壁厚大于60mm铸件的单铸试块和70mm厚附铸试块的性能均达到要求(单铸：抗拉强度≥580MPa，屈服强度≥450MPa，延伸率≥15％；附铸：抗拉强度≥530MPa，屈服强度≥400MPa，延伸率≥12.5％)。

Description

一种大断面铸态铁素体球墨铸铁及其制备方法

技术领域

本发明属于球墨铸铁技术领域，具体涉及球墨铸铁材料的控制和铸造生产，尤其是一种大断面铸态铁素体球墨铸铁QT580-15A及其制备方法。

背景技术

目前国家标准《GBT 1348-2009球墨铸铁件》中对于以附铸试块检测性能的QT500，分别有QT500-7A和QT500-10A两个牌号，前者为铁素体-珠光体混合基球墨铸铁，后者为硅固溶强化铁素体球墨铸铁，是一种新型球墨铸铁,两种材料的性能指标见表1。如表1所示，在强度达到500Mpa的条件下，延伸率最大为10％。

表1 GBT 1348-2009中QT500-7A和QT500-10A的性能指标

QT580-15A属于硅固溶强化铁素体球墨铸铁，QT指球墨铸铁；580表示抗拉强度值；15表示延伸率值。具体性能指标见表2。

表2 QT580-15A的性能指标

根据表1和表2可以看出，该QT580-15A球墨铸铁与QT500-7A，QT500-10A相比，其抗拉强度、屈服强度和延伸率都有大幅度提高。QT580-15A球墨铸铁为新型的硅固溶强化铁素体球墨铸铁，其基体组织为纯铁素体，因组织单一硬度均匀，较铁素体-珠光体混合基体，加工性能更优良。

2012年3月，德国和欧洲的球墨铸铁标准DIN EN1563在修改时，将固溶强化铁素体球墨铸铁作为区别于普通铁素体-珠光体球墨铸铁的一类球墨铸铁，增加了三个牌号：EN-GJS-450-18，EN-GJS-500-14，EN-GJS-600-10。自此国内对固溶强化铁素体球墨铸铁的研究明显增多，但至今相关国家标准GBT 1348只有QT500-10一种材料，并且要求低于DIN EN 1563。

现有技术中，对于小件(如壁厚小于60mm)，由于散热条件好、凝固速度快，石墨长大的时间相对较短，石墨畸变的倾向就小，其组织容易控制，材料性能好。DIN EN1563-2012中三个牌号：EN-GJS-450-18，EN-GJS-500-14，EN-GJS-600-10，对壁厚小于60mm的铸件的性能有明确要求，但对于由于大断面铸件，其冷却速度慢，石墨球长大的时间长，并且该材料靠硅固溶强化，硅含量高，大断面铸件经常出现碎块状石墨等畸形石墨，性能也急剧恶化。

申请号为CN201310731458.X，公开号为CN103710612A的中国发明专利申请“一种铸态铁素体基球墨铸铁QT600-10的生产方法”，申请号为CN201410374923.3，公开号为CN104120332A的中国专利申请“高强度高韧性球墨铸铁600-10及其生产工艺”，这两种方法生产的球墨铸铁，强度比本发明略高，但延伸率下降较多，并且未提到壁厚60mm以上大断面铸件组织及性能的保证方法。

申请号为CN201310368533.0，公开号为CN104419862A的中国专利申请“一种全铁素体球墨铸铁及其生产方法”，该方法生产的球墨铸铁的壁厚未提及，但壁厚对该材料的影响很大。

发明内容

本发明的目的在于提供一种大断面(壁厚大于60mm)高强度高韧性铁素体球墨铸铁QT580-15A及其制备方法，获得强度高、韧性好，加工性能优良的球墨铸铁件，替代部分现有的球墨铸铁，以减小壁厚、减轻重量。

本发明的技术方案是提供大断面高强度高韧性铁素体球墨铸铁材料的制备方法。通过原材料选择，铁水成分控制，球化剂、覆盖剂的选择和工艺优化，孕育剂的选择和工艺的确定，微量合金元素加入量及加入方法的控制，使壁厚大于60mm铸件的单铸试块和70mm厚附铸试块的性能均达到要求(单铸：抗拉强度≥580MPa，屈服强度≥450MPa，延伸率≥15％；附铸：抗拉强度≥530MPa，屈服强度≥400MPa，延伸率≥12.5％)，材料的组织为纯铁素体基体组织。

本发明提供了一种大断面(壁厚大于60mm)高强度高韧性铁素体球墨铸铁QT580-15A，该球墨铸铁材料的元素组成：C:3.1～3.5wt％，Si:3.0～4.0wt％，Mn≤0.3wt％，P≤0.04wt％，S:0.01～0.03wt％，Sb：0.001～0.006wt％，Mg:0.03～0.05wt％，Re：0.01-0.03wt％其余为Fe和制备过程中带入的杂质。

本发明还提供了上述大断面(壁厚大于60mm)高强度高韧性铁素体球墨铸铁QT580-15A的制备方法，包括以下步骤：

A)材料选择：生铁：40-60wt％，废钢：10-30wt％，回炉料：20-40wt％，生铁选择高纯生铁(Mn≤0.15wt％，P≤0.035wt％，S:≤0.03wt％，有害合金元素总和≤0.08wt％)，废钢选择低碳钢(C≤0.03wt％，Mn≤0.15wt％，P≤0.03wt％，S:≤0.03wt％)；球化剂选择稀土镁合金球化剂，覆盖剂选择一种低硅高铁含Ba硅铁覆盖剂(其成分配方：Si：30-40wt％，Ba：1.5-4.0wt％，其余为铁)，孕育剂选择硅钙钡孕育剂和含Bi随流孕育剂。

B)熔炼：生铁、废钢、回炉料一起熔化，控制铁水出炉温度为1420～1480℃；

C)球化处理：在步骤B中得到的铁水中加入球化剂，选择稀土镁合金球化剂，其中球化剂的成分配方是：Mg 5-7wt％，Si 40-50wt％，Re 0.5-1.0wt％，其余为铁；球化剂的加入量为步骤B所得铁水总量的1.0～1.5wt％；球化处理温度：1420～1480℃，在球化剂上加入覆盖剂，覆盖剂的成分配方：Si 30-40wt％，Ba 1.5-4.0wt％，其余为铁，覆盖剂的加入量为步骤B所得铁水总量的0.3～0.8wt％；

D)孕育：孕育包括一次孕育和随流孕育，一次孕育时加入孕育剂Ⅰ，加入量为步骤B所得铁水总量的0.3-1.0wt％，球化反应开始时加入；随流孕育为在浇注时加入孕育剂Ⅱ，加入量为步骤B所得铁水总量的0.1-0.3wt％；

孕育剂Ⅰ为硅钙钡孕育剂，成分配方是：Si 70-80wt％，Ca 1.5-2.5wt％，Ba 8-12％，其余为铁；孕育剂Ⅱ为含Bi随流孕育剂在浇注过程中加入的随流孕育剂，孕育剂成分配方是：Si 65-75wt％，Bi 0.5-2.5wt％，其余为铁；在浇注时随铁水流加入。

E)微量合金元素的加入：微量合金元素为Sb，加入量为步骤B所得铁水总量的0.001～0.006wt％。加入方法是通过与随流孕育剂混合均匀后，在浇注时随流加入，能明显减少常见的大断面球墨铸铁中微量合金元素的偏析问题，获得良好的性能。

F)造型：采用呋喃树脂砂工艺铸造，并保证充足的吃砂量和型砂强度；

G)浇注：控制浇注温度在1330～1380℃，保证浇注速度平稳；

H)冷却：确保铸件在型内缓慢冷却，开箱温度控制在≤400℃，开箱后空冷，得到大断面(壁厚大于60mm)高强度高韧性铁素体球墨铸铁。

其中回炉料是指铁素体球墨铸铁回炉料。

其中步骤F中所述的树脂砂工艺的具体步骤为：(1)将硅砂与呋喃树脂、固化剂按照一定比例混合均匀。(2)将混好的砂放至套在模具上的砂箱或芯盒中，紧实好后等待呋喃树脂砂自动硬化。(3)将硬化后的呋喃树脂砂型起出来，进行装配合箱，等待浇注。

本发明具有以下有益效果：

通过对本发明方法制备得到的产品测试，壁厚大于300mm的铸块和壁厚大于80mm的风电铸件上70mm厚附铸试块的抗拉强度≥540MPa，屈服强度≥430MPa，延伸率16％；单铸试块的抗拉强度≥580MPa，屈服强度≥450MPa，延伸率18％。并且材料的组织为纯铁素体基体组织。该材料针对国外客户的特殊要求进行开发，在国内无相关研究和报道。

发明是一种大断面铸态固溶强化铁素体球墨铸铁，与一般大断面铁素体球墨铸铁不同之处在于，球墨铸铁经过固溶强化，强度高出很多，但延伸率相损失不是很多，一般球墨铸铁在强度到580后，延伸率基本在3％。

附图说明

图1阶梯铸块结构图；三个阶梯分别是：300mm×300mm×300mm、200mm×200mm×200mm、150mm×150mm×150mm，3个阶梯在一个水平面上，且该平面中心在一条直线上。

具体实施方式

下面结合本发明的实施例对本发明的实施作详细说明，以下实施例是在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

实施例1：300mm×300mm×300mm+200mm×200mm×200mm+150mm×150mm×150mm的阶梯铸块的制备，该阶梯铸块的结构、尺寸见图1。

按照该发明的方法，球墨铸铁材料的元素组成：C:3.1～3.5wt％，Si:3.0～4.0wt％，Mn≤0.3wt％，P≤0.04wt％，S:0.01～0.03wt％，Sb：0.001～0.006wt％，Mg:0.03～0.05wt％，Re：0.01-0.03wt％，剩余的是铁和制备过程中产生的杂质。

上述配方的球墨铸铁材料(生铁：40-60wt％，废钢：10-30wt％，回炉料：20-40wt％)，首先熔炼，控制铁水出炉温度为1430～1460℃。进行球化处理，球化剂的配方是Mg 5-7wt％，Si 40-50wt％，Re 0.5-1.0wt％其余为铁，球化剂的加入量为总铁水量的1.0～1.2wt％，在球化剂上加入覆盖剂，覆盖剂为一种低硅高铁含Ba硅铁覆盖剂，加入量为总铁水量的0.3～0.8wt％。

球化反应开始后加入硅钙钡孕育剂，成分配方是：Si 70-80wt％，Ca1.5-2.5wt％，Ba 8-12wt％，其余为铁，加入量为0.3-0.8wt％；球化处理后，在1330℃至1380℃之间将所述铁液浇铸到铸型中，并在浇注过程中加入混合均匀的随流孕育剂和微量合金化元素Sb，Sb加入量为总铁水量的0.001～0.006wt％，孕育剂加入量为总铁水量的0.10-0.15wt％，成分配方是：Si65-75wt％，Bi 0.5-2.5wt％，其余为铁。

浇注结束后在砂型中缓慢冷却到300-400℃从铸型中清出。

生产表明，采用本实施例方法制备得到的阶梯铸块，其单铸试块和70mm厚附铸试块的性能分别如下：抗拉强度585MPa、550MPa，屈服强度457MPa、448MPa，延伸率18.9％、18％：GB/T 228金属材料室温拉伸试验方法，材料的组织为纯铁素体基体组织。

实施例2：以400mm×400mm×400mm的方形铸块作的制备

按照该发明的方法，球墨铸铁材料的元素组成：C:3.1～3.5wt％，Si:3.0～3.8wt％，Mn≤0.3wt％，P≤0.04wt％，S:0.01～0.03wt％，Sb：0.001～0.006wt％，Mg:0.03～0.05wt％，Re：0.01-0.03wt％，剩余的是铁和制备过程中产生的杂质。

上述配方的球墨铸铁材料，首先熔炼，控制铁水出炉温度为1420～1450℃进行球化处理，其余同实施例1。

生产表明，采用本实施例方法制备得到的400mm×400mm×400mm的方形铸块，其单铸试块和70mm厚附铸试块的性能分别如下：抗拉强度586MPa、545MPa，屈服强度459MPa、440MPa，延伸率19％、16％，材料的组织为纯铁素体基体组织。

实施例3

大断面(壁厚大于60mm)高强度高韧性铁素体球墨铸铁的制备。选用2.5MW风电轴承端盖铸件进行试制，该轴承端盖单重0.8吨，主要壁厚100-220mm，按照下述步骤进行：

选择生铁：50wt％，废钢：20wt％，回炉料：30wt％；首先熔炼，生铁、废钢、回炉料一起熔化，控制铁水出炉温度为1460℃。进行球化处理，球化剂的配方是Mg 5.5wt％，Si 42wt％，Re 0.6wt％，其余为铁，球化剂的加入量为铁水总量1.15wt％，在球化剂上加入覆盖剂，覆盖剂为一种低硅高铁含Ba硅铁覆盖剂，覆盖剂加入量为铁水总量的0.6wt％。

球化反应开始后加入硅钙钡孕育剂，成分配方是：Si 73wt％，Ca 2.0wt％，Ba 12％，其余为铁，加入量为铁水总量的0.5wt％；球化处理后，在1330℃至1380℃之间将所述铁液浇铸到铸型中，并在浇注过程中加入混合均匀的随流孕育剂和微量合金化元素Sb，Sb加入量为铁水总量的0.002wt％，随流孕育剂成分配方是：Si 70wt％，Bi 0.8wt％，其余为铁；加入量为铁水总量的0.15wt％。

浇注结束后在砂型中缓慢冷却到400℃从铸型中清出。

按照上述方法得到的球墨铸铁材料的元素组成：C:3.5wt％，Si:3.7wt％，Mn:0.2wt％，P:0.032wt％，S:0.01wt％，Sb：0.0025wt％，Mg:0.04wt％，Re：0.001wt％，剩余的是铁和制备过程中产生的杂质。

生产表明，采用本实施例方法制备得到的2.5MW风电轴承端盖铸件，其单铸试块和在其铸件壁厚185mm位置的70mm厚附铸试块的性能分别如下：抗拉强度590MPa、542MPa，屈服强度460MPa、431MPa，延伸率19.2％、18％，材料的组织为纯铁素体基体组织。

实施例4

大断面(壁厚大于60mm)高强度高韧性铁素体球墨铸铁的制备。选用2.5MW风电底座铸件进行试制，该底座单重16吨，主要壁厚80-120mm，按照下述步骤进行：

选择生铁：55wt％，废钢：25wt％，回炉料：20wt％；首先熔炼，生铁、废钢、回炉料一起熔化，控制铁水出炉温度为1430℃。进行球化处理，球化剂的配方是Mg 5.5wt％，Si 42wt％，Re 0.6wt％其余为铁，球化剂的加入量为铁水总量的1.2wt％，在球化剂上加入覆盖剂，覆盖剂为一种低硅高铁含Ba硅铁覆盖剂，覆盖剂加入量为铁水总量的0.7wt％。

球化反应开始后加入硅钙钡孕育剂，成分配方是：Si 73wt％，Ca 2.0wt％，Ba 12％，其余为铁，加入量为铁水总量的0.4wt％；球化处理后，在1330℃至1380℃之间将所述铁液浇铸到铸型中，并在浇注过程中加入随流孕育剂和微量合金化元素Sb，Sb加入量为铁水总量的0.0025wt％，随流孕育剂成分配方是：Si 70wt％，Bi 0.8wt％，其余为铁；加入量为铁水总量的0.13wt％，在浇注时随铁水流加入。

浇注结束后在砂型中缓慢冷却到400℃从铸型中清出。

按照上述方法得到的球墨铸铁材料的元素组成：C:3.45wt％，Si:3.65wt％，Mn:0.19wt％，P:0.031wt％，S:0.01wt％，Sb：0.0026wt％，Mg:0.04wt％，Re：0.001wt％，剩余的是铁和制备过程中产生的杂质。

生产表明，采用本实施例方法制备得到的2.5MW风电底座铸件，其单铸试块和在铸件壁厚120mm位置的70mm厚附铸试块的性能分别如下：抗拉强度588MPa、548MPa，屈服强度457MPa、439MPa，延伸率19.7％、17.5％，材料的组织为纯铁素体基体组织。

对比例1

制备方法同实施例1，其不同之处在于，C：3.5-3.9wt％，Si：2.0-2.8wt％，Cu：0.2-0.7wt％，球化剂同样为稀土镁硅铁球化剂，但Re：1-3wt％，孕育剂为FeSi75，不加合金Sb。

采用本实施例方法制备得到的阶梯铸块70mm厚辅助试块的性能如下：抗拉强度560MPa，屈服强度350MPa，延伸率2％，其材料组织为珠光体基体组织，延伸率降低很明显。

对比例2

制备方法同实施例3，其不同之处在于覆盖剂选用的是FeSi75，加入量为0.3wt％。

采用本实施例方法制备得到的2.5MW轴承盖板铸块70mm厚附铸试块的性能如下：抗拉强度510MPa，屈服强度385MPa，延伸率12％，其综合性能不达标。

对比例3

制备方法同实施例3，其不同之处在于Sb合金的加入方式是在电炉内加入，加入量为0.0025wt％。

采用本实施例方法制备得到的2.5MW轴承盖板铸块70mm厚附铸试块的性能如下：抗拉强度515MPa，屈服强度390MPa，延伸率13％。

对比例4

制备方法同实施例3，其不同之处在随流孕育剂为高钙钡孕育剂，成分配方是：Si 70-80wt％，Ca 1.5-2.5wt％，Ba 8-12％。

采用本实施例方法制备得到的2.5MW轴承盖板铸块70mm厚附铸试块的性能如下：抗拉强度525MPa，屈服强度395MPa，延伸率15％。

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等同物界定。

Claims

1.一种大断面铁素体球墨铸铁，该球墨铸铁材料的元素组成：C:3.1～3.5wt％，Si:3.0～4.0wt％，Mn≤0.3wt％，P≤0.04wt％，S:0.01～0.03wt％，Sb:0.001～0.006wt％，Mg:0.03～0.05wt％，Re:0.01-0.03wt％其余为Fe和制备过程中带入的杂质。

2.权利要求1所述的铁素体球墨铸铁的制备方法，包括以下步骤：

A)材料选择：生铁：40-60wt％，废钢：10-30wt％，回炉料：20-40wt％，生铁选择高纯生铁，废钢选择低碳钢；球化剂选择稀土镁合金球化剂，覆盖剂选择一种低硅高铁含Ba硅铁覆盖剂，孕育剂选择硅钙钡孕育剂和含Bi随流孕育剂；

D)孕育：孕育包括一次孕育和随流孕育，一次孕育时加入孕育剂Ⅰ，加入量为步骤B所得铁水总量的0.3-1.0wt％，球化反应开始时加入；随流孕育为在浇注时加入孕育剂Ⅱ，加入量为步骤B所得铁水总量的0.1-0.3％；

孕育剂Ⅰ为硅钙钡孕育剂，成分配方是：Si 70-80wt％，Ca 1.5-2.5wt％，Ba 8-12wt％，其余为铁；孕育剂Ⅱ为含Bi随流孕育剂，在浇注过程中随流加入，孕育剂成分配方是：Si 65-75wt％，Bi 0.5-2.5wt％，其余为铁；

E)微量合金元素的加入：微量合金元素为Sb，加入量为步骤B所得铁水总量的0.001～0.006wt％，与随流孕育剂混合均匀后，在浇注时随流加入；

G)浇注：控制浇注温度在1330～1380℃，保证浇注速度平稳；

H)冷却：确保铸件在型内缓慢冷却，开箱温度控制在≤400℃，开箱后空冷，得到铁素体球墨铸铁。

3.根据权利要求2所述的铁素体球墨铸铁的制备方法，其特征在于步骤A所述的高纯生铁：Mn≤0.15wt％，P≤0.035wt％，S:≤0.03wt％，有害合金元素总和≤0.08wt％。

4.根据权利要求2所述的铁素体球墨铸铁的制备方法，其特征在于步骤A所述的低碳钢：C≤0.03wt％，Mn≤0.15wt％，P≤0.03wt％，S:≤0.03wt％。

5.根据权利要求2所述的铁素体球墨铸铁的制备方法，其特征在于步骤A所述的低硅高铁含Ba硅铁覆盖剂的成分配方：Si：30-40wt％，Ba：1.5-4.0wt％，其余为铁。

6.根据权利要求2所述的铁素体球墨铸铁的制备方法，其特征在于其中步骤F中所述的树脂砂工艺的具体步骤为：A.将硅砂与呋喃树脂、固化剂混合均匀；B.混好的砂放至套在模具上的砂箱或芯盒中，紧实好后等待呋喃树脂砂自动硬化；C.将硬化后的呋喃树脂砂型起出来，进行装配合箱，等待浇注。