CN106191640A

CN106191640A - 一种球墨铸铁材料及其制备方法

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Publication number: CN106191640A
Application number: CN201510211737.2A
Authority: CN
Inventors: 郭亮; 韩军; 孙升; 尤国庆; 陶涛; 潘俊; 安晓雷
Original assignee: Share Equipment Ltd
Current assignee: Kocel Machinery Co Ltd
Priority date: 2015-04-29
Filing date: 2015-04-29
Publication date: 2016-12-07
Anticipated expiration: 2035-04-29
Also published as: CN106191640B

Abstract

本发明公开了一种球墨铸铁材料及其制备方法，按重量百分比所述球墨铸铁材料由以下组分组成：碳3.300％～3.700％；硅1.800％～2.400％；锰0.100％～0.300％；硫0.060％～0.120％；磷0.000％～0.050％；铜1.200％～1.500％；锡0.120％～0.150％；锑0.020％～0.040％；镁0.040％～0.060％；铈0.003％～0.010％；其余为铁。本发明的球墨铸铁材料的硬度为310HB～340HB，且具有良好的硬度均匀性，适用于厚大断面耐磨部件的生产。该材料生产工艺简便，过程可控性强，生产成本低，易于大规模推广应用。

Description

一种球墨铸铁材料及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种球墨铸铁材料及其制备方法，具体涉及一种用于厚大断面耐磨部件的球墨铸铁材料及其制备方法。

背景技术

高硬度球墨铸铁具有很高的强度、硬度和较好的韧性，性能可以和铸钢媲美，并且与铸钢相比具有很大的经济优势，被越来越多的应用于大型耐磨部件。该类部件在使用时与硬质异物反复摩擦，承受高载荷、高力矩的作用，使用条件十分恶劣，对材料的组织和性能有很高的要求。

该类耐磨部件一般都为厚大断面球墨铸铁(壁厚≥100mm)，一般壁厚为150mm～250mm，最大达到300mm以上，石墨形态的控制、本体硬度的实现和硬度均匀性的控制都非常困难。现在制备此类球墨铸铁材料一般为对合格的铸态球墨铸铁材料进行等温淬火，该方法制备的球墨铸铁基体组织主要为奥氏体+贝氏体，此方法需要加入大量的镍、钼和钒等贵重金属，制备成本很高，并且对设备要求较高，工艺控制非常困难，主要适用于小型部件的生产；而采用一般的正火工艺，本体硬度一般只能达到220～260HB，并且硬度偏差比较大。

发明内容

针对现有技术中球墨铸铁材料的制备工艺困难以及硬度不够高且偏差比较大的问题，本发明提出一种生产成本较低，工艺过程简单的高硬度的球墨铸铁材料及其制备方法。

本发明提供的一种球墨铸铁材料，按重量百分比所述球墨铸铁材料由以下组分组成：碳3.300％～3.700％；硅1.800％～2.400％；锰0.100％～0.300％；硫0.060％～0.120％；磷0.000％～0.050％；铜1.200％～1.500％；锡0.120％～0.150％；锑0.020％～0.040％；镁0.040％～0.060％；铈0.003％～0.010％；其余为铁。

在上述球墨铸铁材料中，优选的，按重量百分比所述球墨铸铁材料由以下组分组成：碳3.53％；硅2.26％；锰0.27％；硫0.08％；磷0.031％；铜1.34％；锡0.14％；锑0.032％；镁0.043％；铈0.003％；其余为铁。

在上述球墨铸铁材料中，优选的，所述球墨铸铁材料的基体组织为珠光体。

根据本发明的另一方面，提供了一种权利要求1所述的球墨铸铁材料的制备方法，所述方法包括以下步骤：

称取炉料，按重量百分比所述炉料包括：生铁45％～65％、球铁回炉料5％～20％、废钢30％～45％、增碳剂0.4％～0.9％、硅铁0.6％～1.0％、电解铜1.2％～1.6％、锡锭0.13％～0.16％、锑铁0.025％～0.045％；

将废钢、增碳剂、球铁回炉料、硅铁和生铁依次加入电炉中熔炼，待完全熔化后加入电解铜、锡锭和锑铁，将温度升高至1410℃～1450℃，对所述电炉中的铁水进行成分分析，把成分调整到符合要求后，快速升温至1470℃～1500℃，并保温2min～5min；

将所述电炉内的所述铁水的温度降低至1420℃～1460℃，将所述铁水快速倒入浇包内，同时进行球化孕育处理；

出铁结束后，扒净所述浇包内的所述铁水液面上的渣，进行铸件浇注，同步进行随流孕育；

浇注结束后，使所述铸件在砂型内冷却到300℃以下，然后依次进行落砂、分离、抛丸和热处理，得到所述球墨铸铁材料。

在上述方法中，优选的，采用冲入法工艺实施所述球化孕育处理，所述冲入法工艺包括以下工艺：在所述浇包内的球化反应室加入0.1％～0.2％的重稀土球化剂与0.7％～1.0％的硅铁镁合金，刮平捣实后在上面均匀覆盖0.2％～0.4％的75#硅铁粒和0.1％的碳化硅，再次刮平捣实后覆盖0.3％～0.5％的小钢片；在孕育斗中加入0.4％～0.6％的Ba-Si孕育剂，出铁时，所述铁水对准所述球化反应室另一侧冲入所述浇包内，保证所述铁水不直接冲到小钢片上，所述孕育斗中的所述孕育剂随所述铁水均匀地流入所述浇包内，在整个出铁过程中保证随流孕育时间占出铁总时间的70％以上，出铁重量达到预计出铁总量的80％以上时开始球化反应。

在上述方法中，优选的，所述球化孕育处理采用的所述重稀土球化剂和所述硅铁镁合金的粒径为10mm～30mm，所述75#硅铁粒的粒径为3mm～10mm，所述Ba-Si孕育剂的粒径为3mm～6mm。

在上述方法中，优选的，在出铁结束后的所述随流孕育中采用粒径为0.1mm～1mm的Ba-Si孕育剂，加入量为0.1％～0.2％。

在上述方法中，优选的，在浇注结束后的所述热处理是先在920℃～960℃保温3h～6h，然后进行风冷，冷却到200℃以下，冷却速度为10℃/min～15℃/min；再升温到530℃～570℃进行回火处理，保温4h～7h后自然冷却到室温。

本发明所具有的有益效果：(1)配料方面，生铁的比例不低于45％，保证原铁水有足够的形核核心；废钢的比例控制在30％以上，使得铁水中有足够的含氮量，铸铁中的氮通过改变铸铁组织中的石墨结构而阻止铁素体的形成，促进铸态珠光体含量的增加，同时氮含量的增加使铸铁共析转变温度降低，共析转变的过冷度增加，珠光体片层间距减小，对材料的性能有利。(2)设计了合理的变质处理工艺，使得石墨形态中VI型石墨的比例达到了80％以上，球化率达到了95％以上。(3)充分考虑了各种合金元素的优缺点，把铜、锡和锑以合理的比例组合加入，充分发挥叠加效应，稳定、细化珠光体，改善材料断面组织和性能的均匀性，提高淬透性。(4)制定合理的热处理工艺，保证了该材料的基体组织为珠光体，该材料本体(壁厚≥100mm)硬度达到了310HB～340HB，硬度均匀性良好。(5)该材料适用于厚大断面耐磨部件的生产。(6)该材料生产工艺简便，过程可控性强，生产成本低，易于大规模推广应用。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为变质处理工艺冲入法的示意图，其中1为硅铁镁合金+重稀土球化剂，2为碳化硅，3为75#硅粒，4为废钢片，5为铁水流，6为孕育斗，7为硅钡孕育剂，8为浇包，9为合金；

图2实施例4的热处理工艺；

图3为试验铸件，其中1、2、3、4为本体硬度和金相的检测位置，1处壁厚为265mm，2处为285mm，3处为145mm，4处为175mm；

图4为附铸试块；

图5为实施例4附铸试块正火后的金相；

图6为实施例4试验铸件正火后金相。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅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所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明所提供的球墨铸铁材料的制备方法包括以下步骤：

(1)称取炉料，按照重量百分比炉料包括：生铁45％～65％、球铁回炉料5％～20％、废钢30％～45％、增碳剂0.4％～0.9％、硅铁0.6％～1.0％、电解铜1.2％～1.6％、锡锭0.13％～0.16％、锑铁0.025％～0.045％。在本发明的优选实施例中，按照重量百分比炉料包括：生铁60％，球铁回炉料5％％，废钢35％，增碳剂0.7％，硅铁0.9％，电解铜1.3％，锡锭0.15％，锑铁0.035％。本发明提供的球墨铸铁材料在配料方面，生铁的比例不低于45％，保证原铁水有足够的形核核心；废钢的比例控制在30％以上，使得铁水中有足够的含氮量，铸铁中的氮通过改变铸铁组织中的石墨结构而阻止铁素体的形成，促进铸态珠光体含量的增加，同时氮含量的增加使铸铁共析转变温度降低，共析转变的过冷度增加，珠光体片层间距减小，对材料的性能有利；充分考虑了各种合金元素的优缺点，把铜、锡和锑以合理的比例组合加入，充分发挥叠加效应，稳定、细化珠光体，改善材料断面组织和性能的均匀性，提高淬透性。适用于厚大断面耐磨部件的生产。

(2)将废钢、增碳剂、球铁回炉料、硅铁和生铁依次加入电炉中熔炼，待完全熔化后加入电解铜、锡锭和锑铁，把温度升高到1410℃～1450℃，对电炉中的铁水进行成分分析，把成分调整到符合要求后，快速升温至1470℃～1500℃，并保温2min～5min。

(3)将炉内铁水温度降低至1420℃～1460℃，将铁水快速倒入浇包内，同时进行球化孕育处理；采用变质处理工艺冲入法实施球化孕育处理，冲入法工艺包括以下工艺，如图1所示：在浇包8内的球化反应室加入0.1％～0.2％的重稀土球化剂与0.7％～1.0％的硅铁镁合金，硅铁镁合金和重稀土球化剂在图1中用参考标号1表示，刮平捣实后在上面均匀覆盖0.2％～0.4％的75#硅铁粒3和0.1％的碳化硅2，再次刮平捣实后覆盖0.3％～0.5％的小钢片；在孕育斗6中加入0.4％～0.6％的Ba-Si孕育剂7，出铁时，铁水对准球化反应室另一侧冲入浇包8内，以保证铁水不直接冲到所述小钢片上，孕育斗6中的孕育剂随铁水流5均匀地流入浇包8内，铁水倒入浇包8后，合金9(如铜、锡、锑等)熔化，与铁水混合。在整个出铁过程中保证随流孕育时间占出铁总时间的70％以上，出铁重量达到预计出铁总量的80％以上时开始球化反应，其中废钢片4是为了保证延后球化反应加入的覆盖材料。球化孕育处理采用的重稀土球化剂和硅铁镁合金的粒径为10mm～30mm，75#硅铁粒3的粒径为3mm～10mm，Ba-Si孕育剂7的粒径为3mm～6mm。

(4)出铁结束后，扒净浇包内铁水液面的渣，进行铸件浇注，同步进行随流孕育。在本发明的优选实施方式中，试验铸件尺寸如图3所示(其中1、2、3、4为本体硬度和金相的检测位置，1处壁厚为265mm，2处为285mm，3处为145mm，4处为175mm)，铸件上的附铸试块尺寸如图4所示。在该步骤中的随流孕育采用粒径为0.1mm～1mm的Ba-Si孕育剂，加入量为0.1％～0.2％。

(5)浇注结束后，使铸件在砂型内冷却到300℃以下，然后依次进行落砂、分离、抛丸和热处理，即得到该球墨铸铁材料。在该步骤中，热处理是先在920℃～960℃保温3h～6h，然后进行风冷，冷却到200℃以下，冷却速度为10℃/min～15℃/min，该处理工艺也称为正火；正火后，再升温到530℃～570℃进行回火处理，保温4h～7h后自然冷却到室温，通过合理的热处理工艺保证了该材料的基体组织为珠光体，使得制得的球墨铸铁材料的本体(壁厚≥100mm)硬度达到了310HB～340HB，且硬度均匀性良好。

通过本发明提供的制备方法设计了合理的处理工艺，使得石墨形态中VI型石墨的比例达到了80％以上，球化率达到了95％以上，本体(壁厚≥100mm)硬度达到了310HB～340HB，且硬度均匀性良好。且生产工艺简便合理，过程可控性强，生产成本低，易于大规模推广应用。

实施例1

本实施例的球墨铸铁材料的主要化学成分见表1。

表1

该球墨铸铁材料的性能和金相见表2。

该球墨铸铁材料的制备方法包括以下步骤：

(1)称取炉料待用，炉料按照重量百分比计包括：生铁60％，球铁回炉料5％％，废钢35％，增碳剂0.7％，硅铁0.9％，电解铜1.3％，锡锭0.15％，锑铁0.035％。

(2)将废钢、增碳剂、球铁回炉料、硅铁和生铁依次加入电炉中熔炼，待完全熔化后加入电解铜、锡锭和锑铁，把温度升高到1410℃～1450℃进行成分分析，把成分调整到符合表3的要求后，快速升温至1470℃～1500℃，并保温2～5min。

表3

(3)将炉内铁水温度降低至1420℃～1460℃，将铁水快速倒入浇包内，同时进行球化、孕育处理。球化、孕育处理采用冲入法工艺：在浇包内的球化反应室加入0.15％的重稀土球化剂与0.8％的硅铁镁合金，重稀土球化剂和硅铁镁合金的粒径为10mm～30mm，刮平捣实后在上面均匀覆盖0.3％的粒径为3mm～10mm的75#硅铁粒和0.1％的碳化硅，再次刮平捣实后覆盖0.3％的小钢片。在孕育斗里加入0.5％的粒径为3mm～6mm的Ba-Si孕育剂。出铁时，铁水对着球化反应室另一侧冲入包内，保证铁水不直接冲到小钢片上，孕育斗中的孕育剂随铁水流均匀的流入浇包内，在整个出铁过程中保证随流孕育时间占出铁总时间的70％以上，出铁重量达到预计出铁总量的80％以上时开始球化反应。球化、孕育处理采用的，出铁孕育用Ba-Si孕育剂的。

(4)出铁结束后，扒净浇包内铁水液面的渣，进行铸件浇注，同步进行随流孕育。随流孕育采用粒径为0.1mm～1mm的Ba-Si孕育剂，加入量为0.1％。试验铸件尺寸如图3所示，铸件上的附铸试块尺寸如图4所示。

(5)浇注结束后，使铸件在砂型内冷却到300℃以下，依次进行落砂、分离、抛丸和热处理，热处理是先在930℃保温4h，然后进行风冷，冷却到200℃以下，冷却速度为13℃/min；再升温到550℃进行回火处理，保温4h后自然冷却到室温，即得到该球墨铸铁材料。

实施例2

本实施例的球墨铸铁材料的主要化学成分及测量结果见表5。其制备方法如下：

(3)将炉内铁水温度降低至1420℃～1460℃，将铁水快速倒入浇包内，同时进行球化、孕育处理。球化、孕育处理采用冲入法工艺：在浇包内的球化反应室加入0.15％的重稀土球化剂与0.8％的硅铁镁合金，重稀土球化剂和硅铁镁合金的粒径为10mm～30mm，刮平捣实后在上面均匀覆盖0.3％的粒径为3mm～10mm的75#硅铁粒和0.1％的碳化硅，再次刮平捣实后覆盖0.5％的小钢片。在孕育斗里加入0.5％的粒径为3mm～6mm的Ba-Si孕育剂。出铁时，铁水对着球化反应室另一侧冲入包内，保证铁水不直接冲到小钢片上，孕育斗中的孕育剂随铁水流均匀的流入浇包内，在整个出铁过程中保证随流孕育时间占出铁总时间的70％以上，出铁重量达到预计出铁总量的80％以上时开始球化反应。球化、孕育处理采用的，出铁孕育用Ba-Si孕育剂的。

(5)浇注结束后，使铸件在砂型内冷却到300℃以下，依次进行落砂、分离、抛丸和热处理，热处理是先在930℃保温5h，然后进行风冷，冷却到200℃以下，冷却速度为13℃/min；再升温到550℃进行回火处理，保温5h后自然冷却到室温，即得到该球墨铸铁材料。

实施例3

(3)将炉内铁水温度降低至1420℃～1460℃，将铁水快速倒入浇包内，同时进行球化、孕育处理。球化、孕育处理采用冲入法工艺：在浇包内的球化反应室加入0.15％的重稀土球化剂与0.8％的硅铁镁合金，重稀土球化剂和硅铁镁合金的粒径为10mm～30mm，刮平捣实后在上面均匀覆盖0.3％的粒径为3mm～10mm的75#硅铁粒和0.1％的碳化硅，再次刮平捣实后覆盖0.3％～0.5％的小钢片。在孕育斗里加入0.5％的粒径为3mm～6mm的Ba-Si孕育剂。出铁时，铁水对着球化反应室另一侧冲入包内，保证铁水不直接冲到小钢片上，孕育斗中的孕育剂随铁水流均匀的流入浇包内，在整个出铁过程中保证随流孕育时间占出铁总时间的70％以上，出铁重量达到预计出铁总量的80％以上时开始球化反应。球化、孕育处理采用的，出铁孕育用Ba-Si孕育剂的。

(4)出铁结束后，扒净浇包内铁水液面的渣，进行铸件浇注，同步进行随流孕育。随流孕育采用粒径为0.1mm～1mm的Ba-Si孕育剂，加入量为0.1％。铸件尺寸如图3所示，铸件上的附铸试块尺寸如图4所示。

(5)浇注结束后，使铸件在砂型内冷却到300℃以下，依次进行落砂、分离、抛丸和热处理，热处理是先在940℃保温5h，然后进行风冷，冷却到200℃以下，冷却速度为13℃/min；再升温到550℃进行回火处理，保温5h后自然冷却到室温，即得到该球墨铸铁材料。

实施例4

(5)浇注结束后，使铸件在砂型内冷却到300℃以下，依次进行落砂、分离、抛丸和热处理，热处理如图2所示，先在940℃保温6h，然后进行风冷，冷却到200℃以下，冷却速度为14℃/min；再升温到560℃进行回火处理，保温6h后自然冷却到室温，即得到该球墨铸铁材料。

实施例5

(5)浇注结束后，使铸件在砂型内冷却到300℃以下，依次进行落砂、分离、抛丸和热处理，热处理是先在960℃保温5h，然后进行风冷，冷却到200℃以下，冷却速度为15℃/min；再升温到570℃进行回火处理，保温5h后自然冷却到室温，即得到该球墨铸铁材料。

实施例6

(5)浇注结束后，使铸件在砂型内冷却到300℃以下，依次进行落砂、分离、抛丸和热处理，热处理是先在920℃保温5h，然后进行风冷，冷却到200℃以下，冷却速度为10℃/min；再升温到530℃进行回火处理，保温7h后自然冷却到室温，即得到该球墨铸铁材料。

上述各实施例中，实施例2至实施例6与实施例1基本相同，不同之处在于：球墨铸铁材料的化学成分、力学性能和热处理工艺。热处理工艺如表4所示，实施例2至实施例6所得的球墨铸铁材料的组成以及性能和金相见表5。

表4

表5

使用光学显微镜对实施例4中的球墨铸铁材料的金相结构进行了观测，如图5为实施例4附铸试块正火后的金相；图5为实施例4试验铸件正火后的金相，其中，前两个图是在放大100倍的图，第三个是放大500倍的图，第四个是放大1000倍的图。图6为实施例4的试验铸块正火后的金相图，是放大100倍的图，由此可知，该球墨铸铁材料的基体组织为珠光体，试验铸件石墨球数量多，分布均匀，组织致密。

综上所述，本发明提供的球墨铸铁材料，按重量百分比球墨铸铁材料由以下组分组成：碳3.300％～3.700％；硅1.800％～2.400％；锰0.100％～0.300％；硫0.060％～0.120％；磷≤0.050％；铜1.200％～1.500％；锡0.120％～0.150％；锑0.020％～0.040％；镁0.040％～0.060％；铈0.003％～0.010％；其余为铁。该球墨铸铁材料的基体组织为珠光体，根据ISO945评判石墨形态，VI型石墨的比例≥80％，球化率≥95％。球墨铸铁材料的抗拉强度≥940MPa，屈服强度≥830MPa，延伸率≥1％，球墨铸铁材料本体(壁厚≥100mm)硬度为310HB～340HB。硬度均匀性良好。该球墨铸铁材料具有高硬度和高耐磨性，适用于厚大断面耐磨部件的生产。该材料生产工艺简便，过程可控性强，生产成本低，易于大规模推广应用。

以上仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种球墨铸铁材料，其特征在于，按重量百分比所述球墨铸铁材料由以下组分组成：碳3.300％～3.700％；硅1.800％～2.400％；锰0.100％～0.300％；硫0.060％～0.120％；磷0.000％～0.050％；铜1.200％～1.500％；锡0.120％～0.150％；锑0.020％～0.040％；镁0.040％～0.060％；铈0.003％～0.010％；其余为铁。

2.根据权利要求1所述的球墨铸铁材料，其特征在于，按重量百分比所述球墨铸铁材料由以下组分组成：碳3.53％；硅2.26％；锰0.27％；硫0.08％；磷0.031％；铜1.34％；锡0.14％；锑0.032％；镁0.043％；铈0.003％；其余为铁。

3.根据权利要求1所述的球墨铸铁材料，其特征在于，所述球墨铸铁材料的基体组织为珠光体，其中，VI型石墨的比例≥80％，球化率≥95％。

4.根据权利要求1所述的球墨铸铁材料，其特征在于，所述球墨铸铁材料的本体的壁厚≥100mm，硬度为310HB～340HB。

5.根据权利要求1所述的球墨铸铁材料，其特征在于，所述球墨铸铁材料的抗拉强度≥940MPa，屈服强度≥830MPa，延伸率≥1％。

6.一种球墨铸铁材料的制备方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：

7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，采用冲入法工艺实施所述球化孕育处理，所述冲入法工艺包括以下工艺：在所述浇包内的球化反应室加入0.1％～0.2％的重稀土球化剂与0.7％～1.0％的硅铁镁合金，刮平捣实后在上面均匀覆盖0.2％～0.4％的75#硅铁粒和0.1％的碳化硅，再次刮平捣实后覆盖0.3％～0.5％的小钢片；在孕育斗中加入0.4％～0.6％的Ba-Si孕育剂，出铁时，所述铁水对准所述球化反应室另一侧冲入所述浇包内，保证所述铁水不直接冲到所述小钢片上，所述孕育斗中的所述孕育剂随所述铁水均匀地流入所述浇包内，在整个出铁过程中保证随流孕育时间占出铁总时间的70％以上，出铁重量达到预计出铁总量的80％以上时开始球化反应。

8.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述球化孕育处理采用的所述重稀土球化剂和所述硅铁镁合金的粒径为10mm～30mm，所述75#硅铁粒的粒径为3mm～10mm，所述Ba-Si孕育剂的粒径为3mm～6mm。

9.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，在出铁结束后的所述随流孕育中采用粒径为0.1mm～1mm的Ba-Si孕育剂，加入量为0.1％～0.2％。

10.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，在浇注结束后的所述热处理是先在920℃～960℃保温3h～6h，然后进行风冷，冷却到200℃以下，冷却速度为10℃/min～15℃/min；再升温到530℃～570℃进行回火处理，保温4h～7h后自然冷却到室温。