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 - Google Patents
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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
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
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,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
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
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 (5)
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。
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