CN106521296B - 用于球墨铸铁的非晶孕育剂及其制备方法和使用方法 - Google Patents

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Abstract

本发明是用于球墨铸铁的非晶孕育剂及其制备方法和使用方法，非晶孕育剂包括以下重量百分比的各元素：50‑78的Si，0.5‑2.5的Al，0‑6.0的Ba，0‑1.5的Sr，0‑2.5的Zr，0‑0.4的Cu，0‑0.08的Y2O3，余量为Fe。非晶孕育剂的制备采用与现有技术工艺条件不同的极速冷却法，非晶孕育剂的添加量是浇注包球墨铸铁熔液的0.03‑0.12WT.％。本非晶孕育剂可以明显增加球墨铸铁石墨球数、改善其圆整度，使球墨铸铁铸件的强度和延伸率得到了明显提高。

Description

用于球墨铸铁的非晶孕育剂及其制备方法和使用方法
技术领域
本发明属于铸铁合金，特别是涉及用于球墨铸铁的非晶孕育剂及其制备方法和使用方法。
背景技术
球墨铸铁是在熔炼过程中经过球化处理，使石墨形成球状的一种铸铁，它具有较高的机械性能和良好的铸造性能，由于球铁生产成本比铸钢低，机械性能比一般铸铁好，因此球墨铸铁得到了广泛应用。但是，球墨铸铁共晶凝固时间较长，容易产生球化衰退，石墨畸形等原因将导致球墨铸铁的力学性能显著下降。
目前提高球墨铸铁性能的主要方法是：1、合理选择化学成分，增加镍、铜、铬、钛、钨等合金元素，但材料成本增加。2、通过热处理改变基体组织结构，但增加能源消耗。3、通过铁液孕育处理提高球化率和强韧性，增加石墨球数使铸态的铁素体数量增加，提高其延伸率。
现在普遍使用的孕育剂是细粒状料、由粉料加粘结剂制成的块料或预制块，存在改性不彻底特别是对于铸件强度的改善效果差的实际问题。
授权公告号CN103111609B公开了一种非晶态合金孕育处理铸造铝合金方法，所述孕育剂包括Zr系、Ni系、Cu系、Al系和Ti系多元非晶合金，成分按原子百分比为：Zr50Cu50；Zr55Cu30Al10Ni5；Zr65Cu15Al10Ni10；(Zr55Cu30Al10Ni5)95La5；Ni60Nb25Ti15；Ni70Nb10Ti10Zr10；Cu47Ti34Zr11Ni8；Cu47Ti34Zr11Ni8；Ti50Cu45Ni5；Ti50Cu45Ni5；Al84Ni10La6；(1)孕育剂的制备：a)在高纯氩气的保护下，将按一定比例混合的纯金属物料，在高真空多功能电弧炉中熔炼成合金，并吸铸成棒材；b)然后将棒材通过高真空感应加热单辊旋淬系统制成非晶条带。孕育处理的工艺参数为：将制备好的非晶薄带在铝合金浇铸之前加入铝合金熔体，铝合金熔体温度为750℃-770℃；非晶孕育剂加入量为铝合金重量的0.05-1.0wt.％；孕育处理时间为15-600秒；辅助机械搅拌0-300秒；辅助超声震荡0-180秒。该方法的孕育剂是薄条带状，便于在熔体中分散、均匀，其团簇和纳米晶逐步分散于铝合金熔体中，作为α-Al的异质形核核心，显著地增加了铝合金熔体中初生α-Al形核的核心数量，从而十分明显地细化了α-Al晶粒。
授权公告号CN102011026B公开了航空紧固件用钛合金及其制备方法，其中涉及的非晶钛合金孕育剂的原料按元素的质量百分比为Cu：10％～15％、Ni：10％～15％、Al：1％～5％、V：1％～5％、Fe：3％～10％、B：1％～5％、Zr：5％～10％、Cr：1％～5％，余量为Ti；非晶钛合金孕育剂的制备采用极速冷却法，首先在真空电弧炉的真空度压力值＞2×10-3Pa，起弧后的弧电流200A～300A，原料全部熔化后随炉冷却至室温，得到钛合金铸锭，再将所得钛合金铸锭在水冷铜坩埚中反复上述熔化和冷却至室温的熔炼操作过程4次～6次，得到成分相对均匀的钛合金铸锭，再将该成分相对均匀的钛合金铸锭在抽真空至真空度＞2×10- 3Pa的真空退火炉中于900℃～1100℃温度均匀化退火7h～10h，制得成分完全均匀化的钛合金铸锭；最后高纯氩气至真空度的压力值为0.06Pa～0.08Pa，将原料放入非自耗真空电弧炉的水冷铜坩埚中，调节钨电极位置，使之与水冷铜坩埚内放入的非晶钛合金孕育剂原料之间的距离为0.5mm～1.5mm，关闭炉门和放气阀，抽真空至真空度压力值＞2×10-3Pa后，随后充入高纯氩气至真空度的压力值为0.06Pa～0.08Pa，起弧后调节弧电流逐步上升至200A～300A，整个过程都用高纯氩气保护，至全部原料熔化，随炉冷却至室温，得到钛合金铸锭，再将所得钛合金铸锭在水冷铜坩埚中反复上述熔化和冷却至室温的熔炼操作过程4次～6次，得到成分相对均匀的钛合金铸锭，将该成分相对均匀的钛合金铸锭在抽真空至真空度＞2×10-3Pa的真空退火炉中于900℃～1100℃温度均匀化退火7h～10h，制得成分完全均匀化的钛合金铸锭；最后通过快淬法得到非晶钛合金条带，即为非晶钛合金孕育剂。
发明内容
本发明的一个目的在于公开一种用于球墨铸铁的非晶孕育剂，另一目的在于公开所述非晶孕育剂的制备方法，再一个目的在于提供所述非晶孕育剂的使用方法。
本发明为实现上述目的采取以下技术方案：本发明的用于球墨铸铁的非晶孕育剂，包括以下重量百分比的各元素：50-78的Si，0.5-2.5的Al，0-6.0的Ba，0-1.5的Sr，0-2.5的Zr，0-0.4的Cu，0-0.08的Y2O3，余量为Fe。
所述非晶孕育剂各元素重量百分比组成是：70-78的Si，0.5-2.5的Al，0-0.4的Cu，0-0.08的Y2O3，余量为Fe。
所述非晶孕育剂各元素重量百分比组成是：64-73的Si，0.5-2.5的Al，4.0-6.0的Ba，0-0.4的Cu，0-0.08的Y2O3，余量为Fe。
所述非晶孕育剂各元素重量百分比组成是：68-75的Si，0.5-2.5的Al，1.0-3.0的Ba，0-0.4的Cu，0-0.08的Y2O3，余量为Fe。
所述非晶孕育剂各元素重量百分比组成是：50-60的Si，0.5-2.5的Al，4.0-6.0的Ba，0-0.4的Cu，0-0.08的Y2O3，余量为Fe。
所述非晶孕育剂各元素重量百分比组成是：68-76的Si，0.5-2.5的Al，0-0.4的Cu，0-0.08的Y2O3，0.6-1.5的Sr，余量为Fe。
所述非晶孕育剂各元素重量百分比组成是：68-76的Si，0.5-2.5的Al，0-0.4的Cu，0-0.08的Y2O3，1.5-2.5的Zr，余量为Fe。
本发明的非晶孕育剂制备方法：将粒度为2-8mm的非晶孕育剂合金原料放入真空快淬炉的水冷铜坩埚，调节电极位置，使之与坩埚内的原料合金颗粒之间的距离为0.5～1.5mm，关闭炉门、进出料口和放气阀，抽真空至3-4×10-3Pa后充入氩气，真空快淬炉炉内压力保持为-0.04～-0.06Pa，起弧后调节弧电流逐步上升至650～800A，将坩埚内的原料合金熔化，待该合金全部熔化成液态时，倾斜该坩埚使得该合金熔液通过流道引至高速旋转的水冷钼轮使之极速凝固形成薄带状并沿钼轮切线方向抛出，落入真空炉体下部的收料仓得到非晶孕育剂，钼轮边缘线速度为46～55m/秒，钼轮表面温度为10～12℃。
所述薄带状非晶孕育剂，其平均厚度0.1～0.2mm，平均宽度0.3～0.7mm，平均长度0.7～0.8mm。
本发明非晶孕育剂的使用方法：在浇注前，将球墨铸铁熔液从运转包倒入浇注包时随铁流添加非晶孕育剂；或，将非晶孕育剂直接铺设在浇注包底面，球墨铸铁熔液从运转包倒入浇注包时与其混合，非晶孕育剂的添加量是浇注包球墨铸铁熔液的0.06-0.9WT.％。
本发明的有益效果和优点在于：本非晶孕育剂可以降低界面能，使得液态时的球墨铸铁原子间的结合能力大大减少，增加原子跳跃、移动的能力，从而使得液态球墨铸铁原子近程有序的长度变短，提高了铁水的流动性；并且使液态球墨铸铁凝固时的过冷度增加，形核核心显著增加，改变了凝固方式，减少凝固温度区间，具有细化晶粒、细化微观组织的显著特点，从而明显增加了石墨球数、改善了其圆整度，使球墨铸铁铸件的强度和延伸率得到了明显提高。本发明的非晶孕育剂可细分为6种具体非晶孕育剂，各种具体非晶孕育剂对各牌号的球墨铸铁均产生相同的孕育效果，其区别仅在于依据球墨铸铁合金实际铸态组织中基体组织状况选择合适的具体非晶孕育剂，其添加量对于本领域技术人员而言也是可以很容易掌握的。
本发明的非晶孕育剂中特定元素具有如下作用：
Si、Al：促进石墨化、脱氧、脱氮作用；
Ba：脱氧、脱氮、抗衰退作用、减小铸铁断面敏感性，增加石墨球数、改善园整度；
Sr：脱氧、脱硫、除气作用、减小白口、防止缩松缺陷、抗衰退；
Zr：脱氧、脱硫、除气作用，抗衰退、减少白口倾向；
Cu：促进凝固石墨化，稳定珠光体作用。
Y2O3：脱氧、除气作用，提高球墨铸铁的结构稳定性，有利于铸件的耐磨性能。
本发明的非晶孕育剂针对不同特性的球墨铸铁以及对球墨铸铁性能的要求细分为6种型号，各型号的非晶孕育剂分别由上述基本元素和可选择元素组合组成，均具有使相应球墨铸铁显微组织高度均匀化和大幅度提高球墨铸铁铸件的综合机械性能的突出优点。
附图说明
附图1是实施例1石墨形态100X对照图。
附图2是实施例2石墨形态100X对照图。
附图3是实施例3石墨形态100X对照图。
附图4是实施例4石墨形态100X对照图。
附图5是实施例5石墨形态100X对照图。
具体实施方式
下面结合实施例及其附图进一步说明本发明。
实施例1
1型非晶孕育剂各元素重量百分比的组成是：
70的Si，2.5的Al，0.4的Cu，0.08的Y2O3，余量为Fe；或者是：75的Si，1.5的Al，0.1的Cu，余量为Fe；或者是：78的Si，0.5的Al，0.02的Y2O3，余量为Fe。
1型非晶孕育剂的制备方法：
将粒度为2-8mm的1型非晶孕育剂合金原料放入真空快淬炉的水冷铜坩埚内，调节电极位置，使之与坩埚内的原料合金颗粒之间的距离为0.5～1.5mm，关闭炉门、进出料口和放气阀，抽真空至3-4×10-3Pa后充入保护气体氩气，真空快淬炉炉内保持在-0.04～-0.06Pa范围内均可。起弧后调节弧电流逐步上升至650～800A，将坩埚内的原料合金熔化，待该合金全部熔化成液态时，倾斜该坩埚使得该合金熔液通过流道引至高速旋转的水冷钼轮使之极速凝固形成薄带状并沿钼轮切线方向抛出，落入真空炉体下部的收料仓得到非晶孕育剂。钼轮边缘线速度为46～55m/秒，钼轮表面温度为10～12℃。薄带状的非晶孕育剂其平均厚度0.1～0.2mm，平均宽度0.3～0.7mm，平均长度0.7～0.8mm。
1型非晶孕育剂的使用方法：
将温度为1480～1540℃的QT450-10(牌号)球墨铸铁熔液从运转包倒入浇注包时，随铁流添加1型非晶孕育剂而使两者混合，1型非晶孕育剂的添加量是浇注包中高铬铸铁熔液的0.06-0.9WT.％。
图1中，图1a是未添加本孕育剂的试样石墨形态，其石墨球数212个/mm2，图1b是添加1型非晶孕育剂(实施例1第3种组成)试样石墨形态，其石墨球数370个/mm2，球化率远高于普通孕育剂。
实施例2
2型非晶孕育剂各元素重量百分比的组成是：
64的Si，2.5的Al，6.0的Ba，0.4的Cu，0.08的Y2O3，余量为Fe；或者是：68的Si，1.5的Al，5.0的Ba，0.1的Cu，余量为Fe；或者是：73的Si，0.5的Al，4.0的Ba，0.02的Y2O3，余量为Fe。
2型非晶孕育剂的制备方法和使用方法同实施例1。
图2中，图2a是未添加本孕育剂的试样石墨形态，其石墨球数200个/mm2，图2b是添加2型非晶孕育剂(实施例2第2种组成)试样石墨形态，其石墨球数340个/mm2，球化率远高于普通孕育剂。
实施例3
3型非晶孕育剂各元素重量百分比的组成是：
68的Si，2.5的Al，3.0的Ba，0.4的Cu，0.08的Y2O3，余量为Fe；或者是：72的Si，1.5的Al，2.0的Ba，0.1的Cu，余量为Fe；或者是：75的Si，0.5的Al，1.0的Ba，0.02的Y2O3，余量为Fe。
3型非晶孕育剂的制备方法和使用方法同实施例1。
图3中，图3a是未添加本孕育剂的试样石墨形态，其石墨球数223个/mm2，图3b是添加2型非晶孕育剂(实施例3第2种组成)试样石墨形态，其石墨球数342个/mm2，球化率远高于普通孕育剂。
实施例4
4型非晶孕育剂各元素重量百分比的组成是：
50的Si，2.5的Al，6.0的Ba，0.4的Cu，0.08的Y2O3，余量为Fe；或者是：55的Si，1.5的Al，5.0的Ba，0.1的Cu，余量为Fe；或者是：60的Si，0.5的Al，4.0的Ba，0.02的Y2O3，余量为Fe。
4型非晶孕育剂的制备方法同实施例1。
4型非晶孕育剂的使用方法：将4型非晶孕育剂直接铺设在浇注包底面后从运转包倒入温度为1480～1540℃的QT500-7(牌号)球墨铸铁熔液，随球墨铸铁熔液的倒入使4型非晶孕育剂与其混合，4型非晶孕育剂的添加量是高铬铸铁熔液的0.06-0.9WT.％。
图4中，图4a是未添加本孕育剂的试样石墨形态，其石墨球数229个/mm2，图4b是添加4型非晶孕育剂(实施例4第1种组成)试样石墨形态，其石墨球数440个/mm2，球化率远高于普通孕育剂。
实施例5
5型非晶孕育剂各元素重量百分比的组成是：
68的Si，2.5的Al，0.4的Cu，0.08的Y2O3，1.5的Sr，余量为Fe；或者是：72的Si，1.5的Al，0.1的Cu，1.0的Sr，余量为Fe；或者是：76的Si，0.5的Al，0.02的Y2O3，0.6的Sr，余量为Fe。
5型非晶孕育剂的制备方法和使用方法同实施例4。
图5中，图5a是未添加本孕育剂的试样石墨形态，其石墨球数222个/mm2，图5b是添加5型非晶孕育剂(实施例5第1种组成)试样石墨形态，其石墨球数353个/mm2，球化率远高于普通孕育剂。
实施例6
6型非晶孕育剂各元素重量百分比的组成是：
68的Si，2.5的Al，1.5的Zr，0.4的Cu，0.08的Y2O3，2.5的Zr，余量为Fe；或者是：72的Si，1.5的Al，2.0的Zr，0.1的Cu，2.0的Zr，余量为Fe；或者是：76的Si，0.5的Al，2.5的Zr，0.02的Y2O3，1.5的Zr，余量为Fe。
6型非晶孕育剂的制备方法和使用方法同实施例4。
添加6型非晶孕育剂(实施例6第1种组成)的石墨形态与未添加本孕育剂的试样石墨形态石墨球数对比结果与图4近似，故省略附图。
以上实施例经添加本发明各型号非晶孕育剂的球墨铸铁熔液按常规方法实施浇铸。
以下通过列表对比说明以上各实施例试样与未添加本孕育剂试样在石墨球数、抗拉强度和延伸率的状况。
上表说明本发明的非晶态孕育剂各实施例其石墨球数明显高于未添加本孕育剂试样的石墨球数。
上表说明本发明的非晶态孕育剂各实施例其球墨铸铁抗拉强度明显优于未添加本孕育剂试样的球墨铸铁。
上表说明本发明的非晶态孕育剂各实施例其球墨铸铁延伸率明显优于未添加本孕育剂试样球墨铸铁的延伸率。
以上：金相试样的制备按GB/T13298金属显微组织检验方法的规定执行。
石墨球数的评定方法按GB/T9441-2009球墨铸铁进项检验标准执行。
抗拉强度和延伸率检测按GB/T228金属材料室温拉伸试验方法执行。

Claims (2)

1.用于球墨铸铁的非晶孕育剂的制备方法，其特征在于所述用于球墨铸铁的非晶孕育剂包括以下重量百分比的各元素：70-78的Si，2.5的Al，0-6.0的Ba，0-1.5的Sr，0-2.5的Zr，0.4的Cu，0.02-0.08的Y2O3，余量为Fe；制备方法为将粒度为2-8mm的非晶孕育剂合金原料放入真空快淬炉的水冷铜坩埚，调节电极位置，使之与坩埚内的原料合金颗粒之间的距离为0.5～1.5mm，关闭炉门、进出料口和放气阀，抽真空至3-4×10-3Pa后充入氩气，真空快淬炉炉内压力保持为-0.04～-0.06Pa，起弧后调节弧电流逐步上升至650～800A，将坩埚内的原料合金熔化，待该合金全部熔化成液态时，倾斜该坩埚使得该合金熔液通过流道引至高速旋转的水冷钼轮使之极速凝固形成薄带状并沿钼轮切线方向抛出，落入真空炉体下部的收料仓得到非晶孕育剂，钼轮边缘线速度为46～55m/秒，钼轮表面温度为10～12℃；其中用于球墨铸铁非晶孕育剂的使用方法为在浇注前，将球墨铸铁熔液从运转包倒入浇注包时随铁流添加非晶孕育剂；或，将非晶孕育剂直接铺设在浇注包底面，球墨铸铁熔液从运转包倒入浇注包时与其混合，非晶孕育剂的添加量是浇注包球墨铸铁熔液的0.06-0.9WT.％。
2.根据权利要求1所述的用于球墨铸铁非晶孕育剂的制备方法，其特征在于：所述薄带状非晶孕育剂，其平均厚度0.1～0.2mm，平均宽度0.3～0.7mm，平均长度0.7～0.8mm。
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孕育剂的分类;王守辉;《分别适合冲天炉和感应电炉的复合灰铸铁孕育剂的对比与研制》;中国学术期刊（光盘版）电子杂志社;20130116;13-14 *

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