CN106399817B

CN106399817B - 灶具炉头用易切削灰口铸铁及其抗氧化合金化制备方法

Info

Publication number: CN106399817B
Application number: CN201611135454.5A
Authority: CN
Inventors: 罗丰华; 程永超; 李林; 刘晓刚; 牟楠
Original assignee: Central South University
Current assignee: Central South University
Priority date: 2016-12-12
Filing date: 2016-12-12
Publication date: 2018-06-05
Anticipated expiration: 2036-12-12
Also published as: CN106399817A

Abstract

灶具炉头用易切削灰口铸铁及其制备方法，本发明各元素的质量百分含量为：3.2～3.6%C，2.1～2.7%Si，0.3～0.6%Mn，0.2～0.3%Sb、0.1～0.3%Cu和少量杂质，其余为铁。C、Si含量控制使得碳当量在4.26%附近，产生尽可能多的共晶组织。Mn能细化铸铁的石墨，Sb有干预石墨球化作用，增加石墨球数。Sb易与Fe形成化合物，使合金的脆性增加，添加少量Cu，在不增加合金硬度的前提下，减少Sb的脆化作用。本发明灰口铸铁的组织由HT200灰口铸铁的A型石墨组织转变为F型石墨组织，有利于提高热疲劳作用下的抗氧化能力，同时适合大批量化生产、成本低。

Description

灶具炉头用易切削灰口铸铁及其抗氧化合金化制备方法

技术领域

本发明涉及一种灶具炉头用灰口铸铁的抗氧化性能的改善。它是通过添加微量Cu和Sb元素，控制石墨析出形貌和珠光体片层厚度，在不显著改变合金的硬度的情况下，提高一种HT200灰口铸铁的抗中低温氧化能力。

技术背景

本发明属于一种低强度灰口铸铁材料，适用于低强度要求的灶具炉头材质。灶具炉头的作用是实现燃气与空气的混合，常用的燃气包括天然气、人工煤气、液化石油气等。其中人工煤气组成波动大, 含较多硫、氮等制酸成分,对腐蚀影响较严重。而天然气燃烧产物中NOx含量较低, 几乎不含SO₂。另外，燃烧过程中产生大量的水蒸气量，与生活用盐水等结合，可在炉头表面形成复杂电解质，其。因此，炉头的腐蚀情况比较复杂，同时兼有石墨化腐蚀过程和活化腐蚀过程，这种情况下，应选择处于接近球铁状态的非连续细片状石墨铸铁(灰铸铁)作为炉头铸铁的候选组织，从而实现均匀腐蚀，以提高炉头耐蚀性。

但是，在实际应用中发现，在与火盖相接触的部位是炉头腐蚀最为严重的地方。究其原因，应该与热疲劳相关：由于与火盖相接触的炉头铸铁，在点火燃烧时，其温度超过400℃。在反复的燃烧-熄火过程中，铸铁存在温度反复升降，因而会产生热疲劳。从而加剧了铸铁基体的氧化和电化学腐蚀。

热疲劳加剧铸铁的电化学腐蚀过程主要有两个机理：一是造成钝化膜脱落，由于钝化膜与腐蚀基体的热膨胀性能不一致，当钝化膜增加到一定厚度时，钝化膜与基体之间的热应力增加，造成钝化膜与基体脱离，从而失去保护作用。二是造成基体产生微裂纹。

灰口铸铁是第一阶段石墨化过程充分进行而得到的铸铁，全部或大部分碳以片状石墨形态存在，断口呈灰暗色，因此得名，它包括一般灰口铸铁（简称灰铸铁）、球墨铸铁、麻口铸铁、孕育铸铁、稀土灰口铸铁等。灰口铸铁其断口的外貌呈浅灰色，故称为灰口铸铁（灰铁）。此价格便宜，应用广泛，灰口铸铁占铸铁的总产量80%以上。目前炉头所利用的铸铁为灰铸铁，即一般灰口铸铁。

按照国家标准，灰铸铁的牌号主要以抗拉强度为依据，但大多数铸件由不同壁厚的部分组成，壁厚不同造成冷却速度不同，从而造成组织和性能的差异。根据灶具炉头的机械强度和壁厚要求，一般采用HT200灰口铸铁，其主要成分为3.2～3.6%C，2.0～2.4%Si，0.6～0.9%Mn和少量的磷、硫等杂质，其余为铁。

硬度是铸铁工作性能的基本指标之一，它能反映材料的强度、耐磨性和可切削加工性能的优劣。灰铸铁的布氏硬度范围为HB110～270。由于灶具炉头铸件需要较多的切削加工，因此其适宜的硬度为HB110～200。

加入合金元素的目的是提高金属基体的电极电位, 或其热力学稳定性或使其表面生成电阻极大的腐蚀产物层, 特别是表面生成一层钝化膜, 以降低阳极、阴极活性。铸铁材料中通常加入Ni、Cr、Sb、Cu等, 多种元素复合合金化时可使铸铁的耐蚀性提高3-5倍。目前应用比较普遍的低合金铸铁有Ni-Cr、Cu-Cr、Cu-Al、Cu-Sb-Cr等。

HT200加入l%Cu、1.5%-2%Cr、0.8%-1.2% Mo及Al变质剂, 可使铸铁的耐静海腐蚀性能提高4倍以上，这要归功于在腐蚀过程中表面形成了一种均一、完整、致密的保护膜。膜内富集了大量的元素C、Si、Al、Cr、M n、O等, 且有一定数量Cu、Mo等, 形成金属及非金属氧化物及其他物质组成的复合保护膜。

灰铸铁中(Cu)为0.4%-0.5%时，Cu以固溶形式存在,提高基体电极电位，w(Cu)＞0.5%时，铸铁中出现自由状态Cu，形成坚固的保护膜，同时有Ni、Cu、Al存在时能够提高Cu的固溶度。

Sb可提高铸铁在酸碱中的耐蚀性，并且是一种强有力的珠光体稳定剂, 作用比Sn强1倍, 比铜强100倍。但是锑合金化急剧降低铸铁强度, 为改善力学性能, 一般采用Sb、Cu复合合金化。含Cu 0.4%-0.8%、Sb 0.1%-0.4%的铸铁, 可在近海污染的海水中使用。Cr-Sb-Cu铸铁在海水中的腐蚀比普通铸铁轻, 它暴露一年的腐蚀率为0.13mm/a。

对成分为3.2-3.8%C, 3.3-3.5%Si、1.5-3.5%Cu、0.5-1.5%Mn、0.1-2.5%Al和0.008-0.2%Sb的铸铁采用球化处理, 可获得高强度的耐海水腐蚀铸铁件( 船舶结构件),其抗拉强度可达770-800MPa,硬度达到HB=269-277,腐蚀率为0.039-0.041g/m²h。由上可见，采用Sb、Cu复合合金化可以改善灰口铸铁在海水里的腐蚀性能，但会导致硬度上升而不利于加工等问题，并且其抗热循环氧化问题一直是个难题。

发明内容

本发明的目的是提供一种低硬度灰口铸铁的制备方法，制备的灰口铸铁具有耐500℃以下循环氧化的特性、可用于灶具炉头等领域。

本发明设计了一种灰口铸铁，其3.2～3.6%C，2.1～2.7%Si，0.3～0.6%Mn， 0.2～0.3%Sb、0.1～0.3%Cu和少量的磷、硫杂质，其余为铁。

Sb 的质量百分含量为：0.2～0.25%Sb。

Cu的质量百分含量为：0.1～0.2%Cu。

Sb 和Cu的质量百分含量分别为0.2～0.25%Sb，0.1～0.2%Cu。

本发明的灰口铸铁采用感应熔炼和砂模铸造，熔铸工艺如下：

1、炉料准备

炉料包括生铁、回炉料、碳素废钢、锰铁、硅铁、金属铜和锑，要求纯度达标，尺寸符合炉前加料要求。

2、浇注铁水包的准备

使用前，必须对铁水包充分烘烤至干，并加热使用。

3、孕育剂、保温覆盖剂的准备

选用防水、防潮良好的孕育剂、保温覆盖剂，否则应在200-400℃下烘烤干后使用。

4、装料熔化及炉前检验

装料时应先加生铁和回炉料，大块料加在坩埚壁周围，小块料加在炉底及中心并尽量装满，送电熔化。生铁和回炉料全部熔化后，按次序加入各种炉料，按如下顺序加入：废钢、锰铁和硅铁，继续加热，使炉温达到1450～1480℃。

5、孕育处理和加金属铜锑

由于Cu、Sb加入量少，为了保证均匀，预先制备成Cu-48～52%Sb合金，破碎成-200目粉末，并与孕育剂充分混合。提前3～5分钟清除铁水包，当炉内铁液温度达到1450～1480℃时，切断电源，迅速将铁液表面的熔渣及保温覆盖剂扒净，出铁时，应连续均匀快速出铁至需要量。采用随流加入孕育剂和Cu-Sb合金粉末混合物，即在出铁时加入，并搅拌铁液，使孕育剂和Cu-Sb粉全部熔化，加入保温覆盖剂，搅拌铁液及保温覆盖剂，扒净渣后，迅速将铁液运至浇铸场地。

6、浇铸

浇铸时应连续，不允许断流，并应避免渣进入砂型型腔内。

本发明通过对C、Si含量控制使得碳当量在4.26%附近，产生尽可能多的共晶组织。Mn能细化铸铁的石墨，但由于Mn元素在晶界偏析和有较强的碳化物形成倾向，有提高强度的趋势。为了防止后续添加元素造成强度提高，Mn含量控制在0.3 %～0.6%之间。Sb有干预石墨球化作用，增加石墨球数。但Sb易与Fe形成化合物，使合金的脆性增加，因此添加少量Cu，在不增加合金硬度的前提下，减少Sb的脆化作用。

通过上述合金设计，使灰口铸铁的组织由HT200灰口铸铁的A型石墨组织转变为F型石墨组织。其中A型石墨组织为分布均匀的片状石墨，石墨片比较粗大，并相互连通，从而利于高温下氧原子的扩散，在热疲劳应力作用下片层间出现裂纹而使氧化脱落倾向增加；而F型石墨为星形石墨，块状石墨和其表面长出的小片状石墨组成，这种组织石墨片相交程度降低，从而降低了氧的扩散能力，有利于提高热疲劳作用下的抗氧化能力。

经过改进后的合金的550℃氧化增重曲线中可知，本发明灰口铸铁经过8天氧化后的增重率只有30g/m²，只有普通HT200灰口铸铁的50%，抗氧化能力增加。本发明通过合金元素的控制，获得石墨片连通性小的F型石墨组织，从而降低热疲劳氧化速率；同时通过适当降低Mn含量和较少Cu、Sb添加量，控制合金的硬度在HB110～200范围内，减少后续切削加工的难度，从而有利于低成本、大批量化生产。

附图说明

图1 HT200的灰口铸铁的金相组织图；

图2 本发明灰口铸铁的金相组织图；

图3 本发明和HT200灰口铸铁在550℃时的氧化增重曲线的比对图。

具体实施方式

按照发明合金的成分范围，即3.2～3.6%C，2.1～2.7%Si，0.3～0.6%Mn， 0.2～0.3%Sb、0.1～0.3%Cu，配制8种灰口铸铁成分，参照灰口铸铁熔铸工艺，得到的铸铁灶具炉头，经检验，其成分和硬度列于下表1：

表1，实施例成分和硬度

合金	C	Si	Mn	Cu	Sb	S	P	硬度，HB
									HT200	3.5	2.4	0.6			0.026	0.040	139
实施例1	3.6	2.11	0.31	0.21	0.15	0.026	0.030	152
									实施例2	3.4	2.50	0.42	0.18	0.20	0.031	0.030	179
实施例3	3.2	2.70	0.39	0.29	0.29	0.032	0.030	182
									实施例4	3.3	2.62	0.34	0.11	0.23	0.032	0.030	180
实施例5	3.6	2.10	0.56	0.21	0.21	0.033	0.030	188
									实施例6	3.45	2.28	0.42	0.16	0.18	0.026	0.030	165
实施例7	3.32	2.56	0.38	0.19	0.25	0.029	0.030	143
									实施例8	3.46	2.43	0.59	0.25	0.23	0.026	0.030	191

实施例1

材料成分按表1所述。制备过程如下：

1、炉料准备

2、浇注铁水包的准备

使用前，对铁水包充分烘烤至干，并加热使用。

3、孕育剂、保温覆盖剂的准备

将孕育剂、保温覆盖剂在300℃下烘烤至干。

4、装料熔化及炉前检验

5、孕育处理和加金属铜锑

预先制备成Cu-48～52%Sb合金，破碎成-200目粉末，并与孕育剂充分混合。提前3分钟清除铁水包，当炉内铁液温度达到1450℃时，切断电源，迅速将铁液表面的熔渣及保温覆盖剂扒净，出铁时，应连续均匀快速出铁至需要量。采用随流加入孕育剂和Cu-Sb合金粉末混合物，即在出铁时加入，并搅拌铁液，使孕育剂和Cu-Sb粉全部熔化，加入保温覆盖剂，搅拌铁液及保温覆盖剂，扒净渣后，迅速将铁液运至浇铸场地。

6、浇铸

浇铸时应连续，不允许断流，并应避免渣进入砂型型腔内。

实施例2～8

各元素质量百分含量见表1，制备过程步骤同实施例1。

将实施例3得到的产品的金相组织进行分析，结果如图2所示，从中可看出，与图1HT200的灰口铸铁的金相组织图比较，有非常明显的不同。

图3为实施例1～4得到的本发明产品与HT200灰口铸铁在550℃时的氧化增重曲线的比对图。

Claims

1.一种灶具炉头用易切削灰口铸铁，其特征在于：各元素成分的质量百分含量为：3.2～3.6％C，2.1～2.7％Si，0.3～0.6％Mn，0.2～0.3％Sb，0.1～0.3％Cu和少量的磷、硫杂质，其余为铁；所述灶具炉头用易切削灰口铸铁组织为F型石墨组织。

2.如权利要求1所述的灶具炉头用易切削灰口铸铁，其特征在于：Sb的质量百分含量为：0.2～0.25％Sb。

3.如权利要求1所述的灶具炉头用易切削灰口铸铁，其特征在于：Cu的质量百分含量为：0.1～0.2％Cu。

4.如权利要求1所述的灶具炉头用易切削灰口铸铁，其特征在于：Sb和Cu的质量百分含量分别为0.2～0.25％Sb，0.1～0.2％Cu。

5.一种如权利要求1所述的灶具炉头用易切削灰口铸铁的抗氧化合金化制备方法，其特征在于包括以下步骤：

A炉料准备

炉料包括生铁、回炉料、碳素废钢、锰铁、硅铁、金属铜和锑，要求纯度达标，尺寸符合炉前加料要求；

B浇注铁水包的准备

使用前，对铁水包烘烤至干，并加热使用；

C孕育剂、保温覆盖剂的准备

选用防水、防潮良好的孕育剂、保温覆盖剂，达不到要求时在200-400℃下烘烤干后使用；

D装料熔化及炉前检验

装料时应先加生铁和回炉料，大块料加在坩埚壁周围，小块料加在炉底及中心并尽量装满，送电熔化；生铁和回炉料全部熔化后，按如下顺序加入各种炉料：废钢、锰铁和硅铁，继续加热，使炉温达到1450～1480℃；

E孕育处理和加金属铜锑

由于Cu、Sb加入量少，为了保证均匀，预先制备成Cu-48～52％Sb合金，破碎成-200目粉末，并与孕育剂充分混合；提前3～5分钟清除铁水包，当炉内铁液温度达到1450～1480℃时，切断电源，迅速将铁液表面的熔渣及保温覆盖剂扒净，出铁时，连续均匀快速出铁至需要量；采用随流加入孕育剂和Cu-Sb合金粉末混合物，即在出铁时加入，并搅拌铁液，使孕育剂和Cu-Sb粉全部熔化，加入保温覆盖剂，搅拌铁液及保温覆盖剂，扒净渣后，迅速将铁液运至浇铸场地；

F 浇铸

连续浇铸，并应避免渣进入砂型型腔内。