CN106367663A - 一种球墨铸铁的痕量合金化工艺 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种球墨铸铁的痕量合金化工艺。球磨铸铁的痕量合金化工艺包括球化、第一次孕育处理和喂丝法痕量合金化的步骤和第二次孕育处理及冲入法痕量合金化的步骤。本发明球墨铸铁的痕量合金化工艺生产的球墨铸铁强度、塑性明显提高。抗拉强度＞750MPa，屈服强度约560MPa，断后延伸率达到7.5％以上。

Description

一种球墨铸铁的痕量合金化工艺
技术领域
本发明涉及一种提高球墨铸铁强度、塑性的痕量合金化工艺。
背景技术
球墨铸铁广泛应用在机械制造、矿山冶金、石油化工和国防工业等行业。随着现代工业技术的高速发展，对球墨铸铁的综合力学性能要求越来越高。例如，石油钻井的十字头要求力学性能为抗拉强度≥689MPa,屈服强度≥483MPa，延伸率≥3.0；车床的主轴、球磨机齿轴、小型水轮机主轴等，其所要求的抗拉强度达到700MPa以上，屈服强度达到420MPa以上，延伸率达到2％以上；汽车齿轮系列(正时齿轮、行星齿轮、后桥齿轮等)则要求有更高的强度与韧性。本领域技术人员都熟知，球墨铸铁的力学性能与其合金成分及加入量有直接关系，特别高强、高塑性球墨铸铁中必须添加强化基体，细化晶粒，提高塑性等性能的合金元素，如Cu、Zn、Sn、Mo、Zr，Bi等。但合金元素的作用以及加入量对球墨铸铁综合力学性能的影响是利弊共存的。
因此，研发出一种有效且经济实用的合金元素添加量及添加方式对促进我国球墨铸铁的发展与应用具有重大的生产意义与理论意义。
发明内容
因此，本发明的目的是提供一种有效且经济实用的球磨铸铁的痕量合金化工艺。
本发明的技术方案为：本发明还包括上述含痕量合金的球墨铸铁的痕量合金化工艺，包括以下步骤：
1)熔炼：铁液采用中频感应电炉熔炼工艺，电炉中加入重量百分比为55-65％的生铁，25-35％的球铁回炉料，5-10％的废钢，电炉升温至1450-1550℃，将所述生铁、球铁回炉料、废钢的混合物熔炼成铁水；
2)调节铁水成分含量：通过炉前分析，将步骤1)所得铁水中化学成分的重量百分比调节至以下范围：C：3.35％-3.7％，Si：2.3％-2.7％，Mn：0.35％-0.55％，P≤0.035％，S≤0.015％，Re：0.016％-0.018％，Mg：0.02％-0.04％，Nb：0.55％-0.85％；
3)球化和喂丝法痕量合金化：在球化剂包中加入步骤2)所得铁水，进行球化处理，同时将黄铜丝、锡丝合股以喂丝法方式加入，球化剂表面加入0.4％的孕育剂，孕育剂粒度3～8mm，所述量基于铁水的总质量；
4)第二次孕育处理及冲入法痕量合金化：在步骤3)所得铁水中加入含痕量合金的孕育剂进行孕育处理；
5)浇注：将步骤4)所得铁水转至铸件型腔中进行浇注，浇注后自然冷却，即得铸态球墨铸铁。
进一步地，上述步骤3)中的黄铜丝含62重量份的Cu和38重量份的Zn，锡丝含42重量份的Sn和58重量份的Bi。
进一步地，上述步骤3)中的黄铜丝的直径为2mm，锡丝的直径为1mm，加入量为每吨铁水加入12米合股合金丝。
进一步地，上述步骤4)中加入的孕育剂为0.2～0.3％、粒度为1～3mm，所述量基于铁水的总质量。
更进一步地，上述步骤3)和步骤4)中加入的孕育剂中有在孕育处理阶段加入的均匀掺杂的Mo、Zr，其中Mo粉在孕育剂中按重量计为1.5～3.5％，Zr粉在孕育剂中按重量计为2.5～4.5％。
本发明公开的痕量合金化工艺为喂丝法与冲入法相结合。具体工艺为直径2mm黄铜丝(Cu62Zn38)、直径1mm锡丝(Sn42Bi58)合股以喂丝法方式在球化处理阶段加入，加入量为每吨铁水加入12米合股合金丝；将Mo、Zr粉均匀掺杂在孕育剂内在孕育处理阶段加入，其中Mo粉在孕育剂中占比1.5-3.5％，Zr粉在孕育剂中占比2.5-4.5％。采用二次孕育处理方式：采用冲入法球化时在球化剂表面加入0.4％的孕育剂，孕育剂粒度3-8mm，待冲入铁液进行球化处理时，同时发生孕育作用，在浇注前将铁水从球化包转入浇注包时在铁水表面加入0.2--0.3％的粒度为1-3mm的孕育剂作为二次孕育，所述量基于铁水的总重量。
本发明公开的球墨铸铁的痕量合金化工艺结合工业生产实际来使用，在生产中容易制取，使用方便，减少合金烧损，节省原料，经济实用。二次孕育处理方式合理控制终硅量，可以有效防止孕育衰退，提高孕育效果。球化及孕育处理后的球墨铸铁中含有痕量元素Cu、Zn、Sn、Mo、Al、Zr<0.22％，微量的Zn能细化石墨，增加化合碳量,提高其强度；微量的Sn能增加球墨铸铁的珠光体数量，细化共晶团，并提高力学性能；少量的Cu使组织致密，强化铸铁铁素体和珠光体的倾向，因此能增加铸铁的抗拉强度；微量的Mo使组织致密，并细化和改善石墨的均匀分布，细化珠光体，增加珠光体含量，同时强化珠光体中的铁素体，因而能有效地提高铸铁的强度及耐磨性。珠光体数量以及铁素体基体强度主要依靠痕量合金的作用体现，适当加强孕育效果，有利于铸件在保证抗拉强度达到750MP的前提下，有较强的韧性，延伸率＞7.5％，并能有效消除碳化物，有利于铁水补缩，减小铁水收缩倾向，防止铸件产生疏松。各种痕量合金的共同作用，在不显著影响球化率及球墨大小的情况下，显著细化并强化珠光体，铁素体，从而提高铸铁的强度、塑性，得到高强性、高塑性球墨铸铁。
附图说明
附图1为本发明对比实施例、实施例制备所得的铸态球墨铸铁的单铸试块的示意图。
附图2为本发明对比实施例、实施例制备所得的铸态球墨铸铁的单铸试块的右视图。
图3、图4为本发明实施例制备所得的球墨铸铁拉伸断口扫描照片。
图5为本发明工艺流程图。
具体实施方式
为了使本领域的技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合具体附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。
对比实施例1：
1)熔炼：铁液采用中频感应电炉熔炼工艺，电炉中加入重量百分比为55-65％的生铁，25-35％的球铁回炉料，5-10％的废钢，电炉升温至1450-1550℃，将所述生铁、球铁回炉料、废钢的混合物熔炼成铁水；
2)调节铁水成分含量：通过炉前分析，将步骤1)所得铁水中化学成分的重量百分比调节至以下范围：C：3.35％-3.7％，Si：2.3％-2.7％，Mn：0.35％-0.55％，P≤0.035％，S≤0.015％，Re：0.016％-0.018％，Mg：0.02％-0.04％，Nb：0.55％-0.85％；
3)球化处理：在球化剂包中加入步骤2)所得铁水，进行球化处理。
4)孕育处理：在步骤3)所得铁水中加入孕育剂进行孕育处理；
5)浇注：将步骤4)所得铁水转至铸件型腔中进行浇注，浇注后自然冷却，即得铸态球墨铸铁。
上述步骤5)所得铸态球墨铸铁中的各成分如表1所示。
表1铸态球墨铸铁中的化学成分及其含量
通过以上步骤，分别铸造单铸试块4个，见附图1、附图2，分别编号为1，2，3，4。试块型号为Y25，单位：mm，将以上4个单铸试块每块取样加工成拉伸试样3个。拉伸试样尺寸及形状符合国家标准。力学性能测试和金相组织分析，结果如下：
A、力学性能检测
将4个单铸试块取样加工成的拉伸试样，分别进行力学性能测试，测试温度为室温，测试结果为同一单铸试块中三个试样结果的平均值。其力学性能如表2所示：
表2力学性能测试结果
B、金相组织分析：
将四个单铸试块分别进行金相组织分析，分析结果如表3所示：
表3金相组织分析结果
实施例1：
见附图5，一种高强、高塑性球墨铸铁的痕量合金化工艺，包括以下步骤：
1)熔炼：铁液采用中频感应电炉熔炼工艺，电炉中加入重量百分比为55-65％的生铁，25-35％的球铁回炉料，5-10％的废钢，电炉升温至1450-1550℃，将所述生铁、球铁回炉料、废钢的混合物熔炼成铁水；
2)调节铁水成分含量：通过炉前分析，将步骤1)所得铁水中化学成分的重量百分比调节至以下范围：C：3.35％-3.7％，Si：2.3％-2.7％，Mn：0.35％-0.55％，P≤0.035％，S≤0.015％，Re：0.016％-0.018％，Mg：0.02％-0.04％，Nb：0.55％-0.85％；
3)球化和喂丝法痕量合金化：在球化剂包中加入步骤2)所得铁水，进行球化处理和同时将直径2mm黄铜丝(Cu 62 Zn38)、直径1mm锡丝(Sn42Bi58)合股以喂丝法方式加入，加入量为每吨铁水加入12米合股合金丝，球化剂表面加入0.4％的孕育剂，孕育剂粒度3--8mm，待冲入铁液进行球化处理时，同时发生第一次孕育作用。
4)第二次孕育处理及冲入法痕量合金化：在步骤3)所得铁水中加入含痕量合金的孕育剂进行孕育处理；
5)浇注：将步骤4)所得铁水转至铸件型腔中进行浇注，浇注后自然冷却，即得铸态球墨铸铁。
上述步骤5)所得铸态球墨铸铁中的各成分如表4所示。
表4化学成分
通过以上步骤，分别铸造单铸试块4个，见附图1，分别编号为1，2，3，4。试块型号为Y25，单位：mm，将以上4个单铸试块每块取样加工成拉伸试样3个。拉伸试样尺寸及形状符合国家标准。力学性能测试和金相组织分析，结果如下：
A、力学性能检测
将4个单铸试块取样加工成的拉伸试样，分别进行力学性能测试，测试温度为室温，测试结果为同一单铸试块中三个试样结果的平均值。其力学性能如表5所示：
表5力学性能测试结果
从以上力学性能测试结果可知，本申请的痕量合金化工艺能明显提高球墨铸铁的强度，塑性，得到同时具有高强度，高塑性的球墨铸铁。
B、金相组织分析：
将四个单铸试块分别进行金相组织分析，分析结果如表6所示：
表6金相组织分析结果
从以上金相组织分析结果可知，铸态球墨铸铁试件上的石墨大小为7-6级，且石墨个数较多，珠光体比例较大，其中珠光体可使铸件在保持高强度的情况下，有很好的塑性，本申请中的痕量合金化工艺能够使球墨铸铁在球化率、石墨大小、石墨个数、铁素体和珠光体的比例上达到平衡，形成稳定的内部金相组织结构，因此在宏观的高强度和高塑性上达到兼顾。
图3、图4为球墨铸铁拉伸断口扫描照片，可以看到，基体上大量的撕裂脊，石墨脱落，形成韧窝状的坑，裂纹沿着石墨扩展导致石墨脱落，并且能看到少量的解理台阶，从20000倍下可以看到大量细小的韧窝，可以判断基体进行较大的塑形变形，因此表明材料断裂过程中主要还是韧性断裂。
以上仅是本发明的优选实施方式，应当指出的是，上述优选实施方式不应视为对本发明的限制，本发明的保护范围应当以权利要求所限定的范围为准。对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明的精神和范围内，还可以做出若干改进，这些改进也应视为本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种球墨铸铁的痕量合金化工艺，包括以下步骤：
1)熔炼：铁液采用中频感应电炉熔炼工艺，电炉中加入重量百分比为55-65％的生铁，25-35％的球铁回炉料，5-10％的废钢，电炉升温至1450-1550℃，将所述生铁、球铁回炉料、废钢的混合物熔炼成铁水；
2)调节铁水成分含量：通过炉前分析，将步骤1)所得铁水中化学成分的重量百分比调节至以下范围：C：3.35％-3.7％，Si：2.3％-2.7％，Mn：0.35％-0.55％，P≤0.035％，S≤0.015％，Re：0.016％-0.018％，Mg：0.02％-0.04％，Nb：0.55％-0.85％；
3)球化和喂丝法痕量合金化：在球化剂包中加入步骤2)所得铁水，进行球化处理，同时将黄铜丝、锡丝合股以喂丝法方式加入，球化剂表面加入0.4％的孕育剂，孕育剂粒度3-8mm，所述量基于铁水的总重量；
4)第二次孕育处理及冲入法痕量合金化：在步骤3)所得铁水中加入含痕量合金的孕育剂进行孕育处理；
5)浇注：将步骤4)所得铁水转至铸件型腔中进行浇注，浇注后自然冷却，即得铸态球墨铸铁。
2.一种如权利要求1所述的球墨铸铁的痕量合金化工艺，其特征在于，步骤3)中的黄铜丝含62重量份的Cu和38重量份的Zn，锡丝含42重量份的Sn和58重量份的Bi。
3.一种如权利要求2所述的球墨铸铁的痕量合金化工艺，其特征在于，步骤3)中的黄铜丝的直径为2mm，锡丝的直径为1mm，加入量为每吨铁水加入12米合股合金丝。
4.一种如权利要求3所述的球墨铸铁痕量合金化工艺，其中步骤4)中加入的孕育剂为0.2-0.3％、粒度为1-3mm，所述量基于铁水的总重量。
5.一种如权利要求1所述的球墨铸铁痕量合金化工艺，其中步骤3)和步骤4)中加入的孕育剂中有在孕育处理阶段加入的均匀掺杂的Mo、Zr，其中Mo粉在孕育剂中按重量计为1.5-3.5％，Zr粉在孕育剂中按重量计为2.5-4.5％。
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