CN105970077A - 一种高强度高韧性的球墨铸铁及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种高强度高韧性的球墨铸铁，由以下质量百分比的元素成分组成：C 3.2‑3.5％、Si 2.8‑3.3％、Mn 0.5‑0.8％、Mo 0.3‑0.5％、Mg 0.01‑0.03％、Zr 0.02‑0.05％、Cr 0.7‑1.0％、Ni 0.4‑0.6％、V 0.2‑0.3％、Cu 0.2‑0.3％、RE 0.02‑0.04％，余量为Fe及不可避免的杂质。本发明还公开了高强度高韧性的球墨铸铁的制备方法。本发明合理优化球墨铸铁中的元素及配比，采用水雾和空冷交替冷却的热处理方式，使得热处理后的铸件不易变形和开裂，制得的球磨铸铁具有很好的机械性能，如拉伸强度、屈服强度、冲击韧性等，并且稳定性好。

Description

一种高强度高韧性的球墨铸铁及其制备方法
技术领域
本发明涉及冶金铸造领域，具体涉及一种高强度高韧性的球墨铸铁及其制备方法。
背景技术
在当前高度发达的社会中，耐磨材料的消耗量巨大。在矿山，电力、水泥、农机等行业，全国每年也要消耗几百万吨的易损件，产值上千亿元，在全球资源日趋枯竭的今天，此乃巨大的资源消耗。长期以来，国内外学者就致力于开发研究优质的新型抗磨材料以满足易磨损消耗件的需要，从普通白口铸铁、高锰钢，镍硬铸铁，高铬白口铸铁等。球墨铸铁是20世纪五十年代发展起来的一种高强度铸铁材料，其综合性能接近于钢。球墨铸铁中含碳量至少为3％，经球化和孕育处理后得到球状石墨，有效地提高了球磨铸铁的机械性能，特别是提高了塑性和韧性，从而得到比碳钢还高的强度，已成功地用于铸造一些受力复杂，强度、韧性、耐磨性要求较高的零件。然而，随着工业的发展，现有球磨铸铁的性能指标已不能满足现代生产的需求，并且热处理过程中球墨铸铁存在变形和开裂等现象。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明提供了一种高强度高韧性的球墨铸铁及其制备方法，制备的球磨铸铁具有优异的冲击韧性、抗拉强度等性能，且热处理后不易变形开裂。
为实现以上目的，本发明通过以下技术方案予以实现：
一种高强度高韧性的球墨铸铁，由以下质量百分比的元素成分组成：C 3.2-3.5％、Si 2.8-3.3％、Mn 0.5-0.8％、Mo 0.3-0.5％、Mg 0.01-0.03％、Zr 0.02-0.05％、Cr 0.7-1.0％、Ni 0.4-0.6％、V 0.2-0.3％、Cu 0.2-0.3％、RE 0.02-0.04％，余量为Fe及不可避免的杂质。
优选地，由以下质量百分比的元素成分组成：C 3.4％、Si 3.1％、Mn 0.7％、Mo 0.35％、Mg 0.025％、Zr 0.03％、Cr 0.85％、Ni 0.45％、V0.25％、Cu 0.25％、RE 0.025％，余量为Fe及不可避免的杂质。
高强度高韧性的球墨铸铁的制备方法，包括以下步骤：
1)配置原料，将其加入到中频感应炉中，升温至1000-1020℃，保持3-5min，再升温至1480-1510℃进行熔融，得到原铁液，出炉；
2)采用包内冲入法，将孕育剂覆盖在球化剂表面，置于球化包包底凹槽内，将球化包预热至600-650℃，将铁液注入到球化包中进行球化及一次孕育处理，当注入量超过2/3时，随流加入孕育剂进行二次孕育处理，球化孕育处理温度控制在1430-1450℃；
3)将球化孕育处理后的铁液浇注到砂型中，浇注先慢、中快、后细，得球墨铸铁；
4)将球墨铸铁加热到880-920℃，保温2-3h，然后将其吊离地面，低速旋转，从四个方向向球墨铸铁喷射水雾，使其温度降至600-620℃，再空冷至430-450℃，再喷射水雾至温度降至200-220℃，再空冷至室温；
5)将球磨铸铁回火加热到360-380℃，保温2-3h，空冷至室温，即得。
优选地，所述步骤2)中孕育剂为硅钡合金，加入量为铁液质量的0.5-1.0％，一次孕育处理和二次孕育处理加入的孕育剂的质量比为3-4:2。
优选地，所述步骤2)中球化剂为稀土镁硅铁球化剂，加入量为铁液质量的0.8-1.3％。
优选地，所述步骤3)中浇注温度为1290-1310℃。
本发明有益效果：本发明合理优化球墨铸铁中的元素及配比，满足球墨铸铁的性能要求；熔炼时对原料及球化孕育时对球化包进行预热，增加原料完全熔融及球化孕育的速率及程度；热处理工艺利用水 雾和空冷冷却速率的不同，对不同温段的铸件进行交替冷却，步骤简单，铸件内部冷却均匀，避免了组织转变时应力过大引发开裂，热处理后的铸件不易变形和开裂；中温回火进一步提高其综合性能。本发明制得的球磨铸铁具有很好的机械性能，如拉伸强度、屈服强度、冲击韧性等，并且稳定性好。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例1：
一种高强度高韧性的球墨铸铁，由以下质量百分比的元素成分组成：C 3.4％、Si 3.1％、Mn 0.7％、Mo 0.35％、Mg 0.025％、Zr 0.03％、Cr 0.85％、Ni 0.45％、V 0.25％、Cu 0.25％、RE 0.025％，余量为Fe及不可避免的杂质。
高强度高韧性的球墨铸铁的制备方法，包括以下步骤：
1)熔炼：配置原料，将其加入到中频感应炉中，升温至1010℃，保持5min，再升温至1500℃进行熔融，得到原铁液，出炉；
2)球化孕育：采用包内冲入法，将硅钡合金孕育剂覆盖在稀土镁硅铁球化剂表面，孕育剂加入量为铁液质量的0.6％，球化剂加入量为铁液质量的1.1％，置于球化包包底凹槽内，将球化包预热至630℃，将铁液注入到球化包中进行球化及一次孕育处理，当注入量超过2/3时，随流加入铁液质量0.4％的孕育剂进行二次孕育处理，球化孕育处理温度控制在1440℃；
3)浇注：将球化孕育处理后的铁液浇注到砂型中，浇注先慢、中快、后细，浇注温度为1300℃，得球墨铸铁；
4)淬火：将球墨铸铁加热到900℃，保温2.5h，然后将其吊离地面，低速旋转，从四个方向向球墨铸铁喷射水雾，使其温度降至610℃，再空冷至440℃，再喷射水雾至温度降至210℃，再空冷至室温；
5)回火：将球磨铸铁回火加热到370℃，保温2.5h，空冷至室温，即得。
实施例2：
一种高强度高韧性的球墨铸铁，由以下质量百分比的元素成分组成：C 3.3％、Si 3.2％、Mn 0.6％、Mo 0.4％、Mg 0.02％、Zr 0.035％、Cr 0.8％、Ni 0.55％、V 0.2％、Cu 0.2％、RE 0.03％，余量为Fe及不可避免的杂质。
高强度高韧性的球墨铸铁的制备方法，包括以下步骤：
1)配置原料，将其加入到中频感应炉中，升温至1000℃，保持4min，再升温至1490℃进行熔融，得到原铁液，出炉；
2)采用包内冲入法，将硅钡合金孕育剂覆盖在稀土镁硅铁球化剂表面，孕育剂加入量为铁液质量的0.5％，球化剂加入量为铁液质量的1.2％，置于球化包包底凹槽内，将球化包预热至620℃，将铁液注入到球化包中进行球化及一次孕育处理，当注入量超过2/3时，随流加入铁液质量0.25％的孕育剂进行二次孕育处理，球化孕育处理温度控制在1445℃；
3)将球化孕育处理后的铁液浇注到砂型中，浇注先慢、中快、后细，浇注温度为1305℃，得球墨铸铁；
4)将球墨铸铁加热到910℃，保温3h，然后将其吊离地面，低速旋转，从四个方向向球墨铸铁喷射水雾，使其温度降至610℃，再空冷至450℃，再喷射水雾至温度降至220℃，再空冷至室温；
5)将球磨铸铁回火加热到365℃，保温2.5h，空冷至室温，即得。
实施例3：
一种高强度高韧性的球墨铸铁，由以下质量百分比的元素成分组 成：C 3.2％、Si 3.3％、Mn 0.5％、Mo 0.5％、Mg 0.01％、Zr 0.05％、Cr0.7％、Ni 0.6％、V 0.2％、Cu 0.3％、RE 0.02％，余量为Fe及不可避免的杂质。
高强度高韧性的球墨铸铁的制备方法，包括以下步骤：
1)配置原料，将其加入到中频感应炉中，升温至1020℃，保持3min，再升温至1480℃进行熔融，得到原铁液，出炉；
2)采用包内冲入法，将硅钡合金孕育剂覆盖在稀土镁硅铁球化剂表面，孕育剂加入量为铁液质量的0.4％，球化剂加入量为铁液质量的1.0％，置于球化包包底凹槽内，将球化包预热至600℃，将铁液注入到球化包中进行球化及一次孕育处理，当注入量超过2/3时，随流加入铁液质量的0.25％的孕育剂进行二次孕育处理，球化孕育处理温度控制在1430℃；
3)将球化孕育处理后的铁液浇注到砂型中，浇注先慢、中快、后细，浇注温度为1310℃，得球墨铸铁；
4)将球墨铸铁加热到890℃，保温2.5h，然后将其吊离地面，低速旋转，从四个方向向球墨铸铁喷射水雾，使其温度降至600℃，再空冷至440℃，再喷射水雾至温度降至210℃，再空冷至室温；
5)将球磨铸铁回火加热到360℃，保温3h，空冷至室温，即得。
实施例4：
一种高强度高韧性的球墨铸铁，由以下质量百分比的元素成分组成：C 3.5％、Si 2.8％、Mn 0.8％、Mo 0.3％、Mg 0.03％、Zr 0.02％、Cr1.0％、Ni 0.4％、V 0.3％、Cu 0.2％、RE 0.04％，余量为Fe及不可避免的杂质。
高强度高韧性的球墨铸铁的制备方法，包括以下步骤：
1)配置原料，将其加入到中频感应炉中，升温至1020℃，保持4min，再升温至1510℃进行熔融，得到原铁液，出炉；
2)采用包内冲入法，将硅钡合金孕育剂覆盖在稀土镁硅铁球化剂 表面，孕育剂加入量为铁液质量的0.3％，球化剂加入量为铁液质量的1.3％，置于球化包包底凹槽内，将球化包预热至650℃，将铁液注入到球化包中进行球化及一次孕育处理，当注入量超过2/3时，随流加入铁液质量0.2％的孕育剂进行二次孕育处理，球化孕育处理温度控制在1440℃；
3)将球化孕育处理后的铁液浇注到砂型中，浇注先慢、中快、后细，浇注温度为1290℃，得球墨铸铁；
4)将球墨铸铁加热到910℃，保温2h，然后将其吊离地面，低速旋转，从四个方向向球墨铸铁喷射水雾，使其温度降至620℃，再空冷至440℃，再喷射水雾至温度降至200℃，再空冷至室温；
5)将球磨铸铁回火加热到380℃，保温2h，空冷至室温，即得。
实施例5：
一种高强度高韧性的球墨铸铁，由以下质量百分比的元素成分组成：C 3.3％、Si 2.9％、Mn 0.8％、Mo 0.45％、Mg 0.02％、Zr 0.025％、Cr 0.8％、Ni 0.4％、V 0.25％、Cu 0.2％、RE 0.02％，余量为Fe及不可避免的杂质。
高强度高韧性的球墨铸铁的制备方法，包括以下步骤：
1)配置原料，将其加入到中频感应炉中，升温至1010℃，保持4min，再升温至1490℃进行熔融，得到原铁液，出炉；
2)采用包内冲入法，将硅钡合金孕育剂覆盖在稀土镁硅铁球化剂表面，孕育剂加入量为铁液质量的0.55％，球化剂加入量为铁液质量的0.8％，置于球化包包底凹槽内，将球化包预热至600℃，将铁液注入到球化包中进行球化及一次孕育处理，当注入量超过2/3时，随流加入铁液质量0.32％的孕育剂进行二次孕育处理，球化孕育处理温度控制在1450℃；
3)将球化孕育处理后的铁液浇注到砂型中，浇注先慢、中快、后细，浇注温度为1310℃，得球墨铸铁；
4)将球墨铸铁加热到900℃，保温2.5h，然后将其吊离地面，低速旋转，从四个方向向球墨铸铁喷射水雾，使其温度降至610℃，再空冷至440℃，再喷射水雾至温度降至210℃，再空冷至室温；
5)将球磨铸铁回火加热到365℃，保温3h，空冷至室温，即得。
对本发明实施例1-5制备的高强度高韧性的球墨铸铁进行性能检测试验，试验结果如下：
表1实施例1-5中制得的高强度高韧性的球墨铸铁性能指标
从表中可以看出，实施例1-5中的高强度高韧性的球墨铸铁的冲击韧性、抗拉强度和屈服强度等性能优异。
以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (6)

1.一种高强度高韧性的球墨铸铁，其特征在于，由以下质量百分比的元素成分组成：C 3.2-3.5％、Si 2.8-3.3％、Mn 0.5-0.8％、Mo0.3-0.5％、Mg 0.01-0.03％、Zr 0.02-0.05％、Cr 0.7-1.0％、Ni 0.4-0.6％、V 0.2-0.3％、Cu 0.2-0.3％、RE 0.02-0.04％，余量为Fe及不可避免的杂质。
2.如权利要求1所述的高强度高韧性的球墨铸铁，其特征在于，由以下质量百分比的元素成分组成：C 3.4％、Si 3.1％、Mn 0.7％、Mo0.35％、Mg 0.025％、Zr 0.03％、Cr 0.85％、Ni 0.45％、V 0.25％、Cu 0.25％、RE 0.025％，余量为Fe及不可避免的杂质。
3.如权利要求1或2所述的高强度高韧性的球墨铸铁的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)配置原料，将其加入到中频感应炉中，升温至1000-1020℃，保持3-5min，再升温至1480-1510℃进行熔融，得到原铁液，出炉；
2)采用包内冲入法，将孕育剂覆盖在球化剂表面，置于球化包包底凹槽内，将球化包预热至600-650℃，将铁液注入到球化包中进行球化及一次孕育处理，当注入量超过2/3时，随流加入孕育剂进行二次孕育处理，球化孕育处理温度控制在1430-1450℃；
3)将球化孕育处理后的铁液浇注到砂型中，浇注先慢、中快、后细，得球墨铸铁；
4)将球墨铸铁加热到880-920℃，保温2-3h，然后将其吊离地面，低速旋转，从四个方向向球墨铸铁喷射水雾，使其温度降至600-620℃，再空冷至430-450℃，再喷射水雾至温度降至200-220℃，再空冷至室温；
5)将球磨铸铁回火加热到360-380℃，保温2-3h，空冷至室温，即得。
4.如权利要求3所述的高强度高韧性的球墨铸铁的制备方法，其特征在于，所述步骤2)中孕育剂为硅钡合金，加入量为铁液质量的0.5-1.0％，一次孕育处理和二次孕育处理加入的孕育剂的质量比为3-4：2。
5.如权利要求3所述的高强度高韧性的球墨铸铁的制备方法，其特征在于，所述步骤2)中球化剂为稀土镁硅铁球化剂，加入量为铁液质量的0.8-1.3％。
6.如权利要求3所述的高强度高韧性的球墨铸铁的制备方法，其特征在于，所述步骤3)中浇注温度为1290-1310℃。
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