CN107723580B - 高强度高延伸率球墨铸铁的生产方法 - Google Patents
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Abstract
一种高强度高延伸率球墨铸铁的生产方法,选用低硫低钛生铁、普通碳素钢和自产回炉铁为主要炉料，添加75硅铁，65高碳锰铁、电解铜及石墨型增碳剂；经中频炉熔炼，先后加入专用球化剂、孕育剂，出铁球化，铁液浇入铁模覆砂的型腔中，覆砂层厚度根据铸件对应位置的壁厚选取，浇注件在空气中缓慢冷却，无需热处理。制备的产品强度达670‑700MPa,屈服强度450‑500MPa，延伸率12.5‑14.5％，远超相同拉伸强度的普通球铁。本牌号产品已批量用于80T矿山重载自卸车、50T渣土车的平衡悬架支架等零件上，实现了用高强度高延伸率球墨铸铁替代铸钢件，并降低了成本，减轻了重量，取得了显著效益。
Description
技术领域
本发明属于铸造工艺领域、特别是一种高强度高延伸率球墨铸铁的生产方法。
背景技术
按照GB/T1348-2009的标准，球墨铸铁在强度达到或超过450MPa情况下，通常有如图1所示的系列材料牌号。而从根据图1绘制出的材料拉伸强度与延伸率曲线图3可看出，球墨铸铁在强度从450MPa逐渐提升过程中，延伸率下降迅速，在强度达到600-700MPa时，延伸率仅为2-3％，低于5％，按照工程材料学定义，属于脆性材料，因此受到延伸率局限，应用领域并不是很宽广。特别是对于一些工作环境受到冲击、交变载荷的支架类零件，难以满足工况要求，往往只能采用铸钢牌号以满足使用要求，如载重汽车的平衡悬架支架、气室支架、钢板弹簧座等零件；其工作环境恶劣，时刻受到冲击、弯曲、拉伸、剪切应力，要求材料同时具备高强度和高延伸率。
对于这类零件，汽车生产厂家通常采用QT450-10、QT500-7两种牌号生产载重40-50吨公路货车平衡悬架等。而对于载重80吨以上的矿山自卸车、渣土车等，要求强度超过600MPa、延伸率大于10％的材料牌号才能满足工况需要。但是普通球墨铸铁牌号已经不能满足其需要，如QT600-3、QT700-2，虽然强度可以满足工况需要，但是延伸率仅为2-3％，在载重车辆倾斜冲击发生时，支架零件自身无法转化储存为足够的弹性势能，会瞬间发生断裂失效。在这种情况下支架零件就只能选用铸钢牌号，例如图2所示的ZG340-640就是一种常见的铸钢支架牌号。
ZG340-640，强度为640MPa，延伸率为10％。虽然可以满足零件使用工况，但是使用铸钢件来生产这类支架类零件并不是最适宜的，原因如下：
1.铸钢件的铸造工艺性远远不及铸铁，钢液流动性没有铁液好，容易产生冷隔、气孔缺陷，特别是对结构复杂，断面不均匀的零件，容易出现充型缺陷；
2.铸钢件收缩非常大，在浇注系统需要增加大型冒口补缩，对出品率影响巨大，铸钢件出品率往往不及50％，铸铁通常可以达到70-80％；
3.铸钢件通常都需要热处理，常见的有正火、回火、退火等，以消除应力、使晶粒均匀化，实现抑制变型和材质均匀化的目的。而铸铁件通常不需要高温热处理，仅在有需要时做低温去应力退火，甚至直接铸态使用。
4.铸钢熔炼通常需要1650℃甚至更高的熔炼温度，而球墨铸铁熔炼温度仅需1550℃的球化温度；
综合以上所述，铸钢件虽然可以实现高强度和高延伸率并存，但与球墨铸铁件相比，其工艺复杂，只能生产结构较简单的零件，生产周期长，能耗高，出品率低，成本比球墨铸铁件高30-40％。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种稳定、可靠的球墨铸铁生产方法，可同时提高球墨铸铁拉伸强度和延伸率、有效降低生产成本、经济效益显著、以铸铁替代铸钢的牌号为QT650-12球墨铸铁的生产方法。
本发明以如下技术方案解决上述技术问题：
1.选用Q10低硫低钛生铁，碳素钢和自产回炉铁为主炉料，其质量比分别为：生铁20％，废钢60％，回炉铁20％；再添加为主炉料总质量0.65-0.8％的75硅铁，0.15-0.19％的65高碳锰铁，0.15-0.20％的电解铜，及2.3-2.5％的石墨型增碳剂；通过中频炉熔炼获得成分为C 3.78-3.88％、Si 1.5-1.7％、Mn 0.22-0.28％、Cu 0.2-0.25％、S≤0.03％的原铁液；
2.选取低稀土球化剂2-6与3-7，按照4:1的质量比混合制备专用球化剂；在球化包内加入为出铁水质量1.1-1.15％的专用球化剂，实现终铁液残余RE 0.02-0.025％、残余Mg0.03-0.038％，控制残余RE/Mg比例为2/3；
3.铁液球化前在球化包内加入为出铁水质量为0.4-0.5％的BS-1A孕育剂和0.1-0.15％的75硅铁作为一次孕育剂；。
4.中频炉出铁液至球化包，采用冲入法，出铁球化温度为1530-1550℃，出铁步骤分为2步，第1步出75％铁液，等待反应完成，30-40S后，再出剩余25％铁液；
5.浇注时，用粒度为1-3mm的75硅铁做为二次孕育剂，随流加入，孕育剤量为浇注铁水质量的0.15-0.2％，用定流速漏斗加入；
6.铁液浇入铁模覆砂工艺制备的型腔，其中覆砂层厚度要根据铸件对应位置的壁厚选取，厚大部位覆砂层厚度5-7mm，薄壁位置覆砂层厚度8-10mm，芯头部位覆砂层厚度为4-5mm；
7.铁液浇注后20-23min开箱，铸件表面温度为600-700℃，在空气中缓慢冷却，不需采用热处理工艺；
8.采用每包铁液对应铸件送检一个机械试块检验力学性能。
电解铜的成分为低铅、纯度99.99％。
浇注时用定流速漏斗加入二次孕育剂75硅铁的流速为10-12克/秒。
本发明具有如下优点：
(1)突破了传统球墨铸铁拉伸强度和延伸率的局限，在得到高强度拉伸性能的同时，最大程度保留了延伸率。由图5可见：本发明的QT650-12球墨铸铁的拉伸强度、屈服强度、延伸率均超过ZG340-640，很好的实现了以铁代钢，零件可靠性提升明显；
(2)铸造工艺简便，无需热处理，生产周期短；
(3)可以生产结构复杂铸件，相比铸钢件充型类废品率可降低90％以上；
(4)铸件出品率70-80％，远高于铸钢件50％的出品率；
(5)能耗低，熔炼环节相比铸钢节能15％，无需热处理环节，整体能耗比铸钢件低25％以上；
(6)以铁代钢，目前铸钢单价约为13-14元/Kg，而球铁件仅为8.5-9.5元/Kg，相对铸钢件成本降低约40％；
(7)对生产设备要求较低，普通球墨铸铁铸造车间都具备设备条件；
(8)拓宽了球墨铸铁应用领域，其牌号填补国内空白，为机械零件设计提供了更多选择。
用本发明的方法制备的球墨铸铁牌号强度达到670-700MPa,屈服强度450-500MPa，延伸率满足12.5-14.5％，达到QT650-12牌号标准。所得QT650-12牌号球墨铸铁的拉伸强度和延伸率远远超过相同拉伸强度的普通球墨铸铁(如图4所示)。QT650-12牌号已经批量应用在80T矿山重载自卸车、50T渣土车的平衡悬架支架等零件上，成功实现了用高强度高延伸率球墨铸铁替代铸钢件，并降低了成本，减轻了铸件重量，取得了显著效益。
附图说明
图1：GB/T1348-2009球墨铸铁力学牌号
图2：GB/T 11352-2009一般工程用铸造碳钢件力学牌号
图3：常用球墨铸铁强度和延伸率变化表
图4：QT650-12球墨铸铁牌号与常规球墨铸铁牌号强度延伸率对比表
图5：QT650-12球墨铸铁力学性能与铸钢力学性能对比表
图6：铸型覆膜砂层厚度示意图
图7：装包方式示意图
图中：1--陶瓷浇口杯；2--浇注系统；3--厚壁处覆膜砂层；4--薄壁处覆膜砂层；5--铸件；6--坭芯；7--芯头位覆膜砂层；8--铁型砂箱；9--球化包包衬；10--珍珠砂层；11--75硅铁孕育剂层；12--BS-1A孕育剂层；13--2-6与3-7混合球化剂层；14--底层75硅铁孕育剂层
具体实施方式
传统球墨铸铁生产工艺，是通过添加Cu、Mn、Mo等促进奥氏体枝晶生长的元素，固溶强化奥氏体枝晶，获得多的珠光体比例来提高材料抗拉强度。QT450-10的珠光体含量为10-25％，QT500-7的珠光体含量为20％-50％，QT600-3、QT700-2珠光体含量会达到60-85％。珠光体比例增加有效地提高了材料拉伸强度，但同时也快速的降低了材料韧性。以QT450-10和QT700-2为例，材料强度提高了75％，韧性下降了80％。对于拉伸强度和延伸率这两个矛盾体，往往顾此失彼，常规的工艺无法做到强度和延伸率同时提高。
本发明改变传统常规工艺，从原材料、球化工艺、孕育工艺、以及调整冷却速度环节入手，通过采用严格的残余RE--Mg含量配比，稳定并提升球化等级；合理设计Cu、Mn成分，限定珠光体含量；添加含Bi孕育剂，选取合理的原铁液和终铁液Si配比，提高石墨数量，并采取措施精确地控制凝固、冷却速度，细化晶粒、细化珠光体，在不添加贵重合金、不通过热处理手段的前提下，解决了球墨铸铁强度和延伸率不能同时提高的矛盾，获得了高强度高延伸率球墨铸铁牌号。
本发明采用了以下的技术方案制备QT650-12牌号球墨铸铁：
1.原材料准备：选用林州Q10低硫低钛生铁，普通碳素钢(含碳量0.13％)和自产回炉铁为主炉料，其质量比为：生铁20％，废钢60％，回炉铁20％，(误差±0.8％)。添加质量为上述主炉料总质量0.65-0.8％的75硅铁，0.15-0.19％的65高碳锰铁，0.15-0.20％的电解铜(低铅，纯度99.99％)，2.3-2.5％的石墨型增碳剂。通过3T中频炉熔炼获得成分为：C3.78.-3.88％、Si 1.5-1.7％、Mn 0.22-0.28％、Cu 0.2-0.25％、S≤0.03％的原铁液；
2.选取2-6(含镁6％、稀土2％、硅42％，余为铁)与3-7(含镁7％、稀土3％、硅42％，余为铁)的稀土镁球化剂，按照4:1的质量比例混合(误差±0.2％)，制备出专用球化剂。在球化包内加入为出铁水质量1.1％-1.15％的专用球化剂，实现终铁液残余稀土0.02-0.025％，残余镁0.03-0.038％，残余稀土与镁的比例约为2/3。通过此方法获得球化率达到2级以上，石墨等级5-8的圆整石墨球；
3.将球化剂、孕育剂等按照图7方式装包，加入质量比0.4-0.5％的BS-1A孕育剂和0.1-0.15％的75硅铁做为一次孕育剂；使得石墨核心弥散，石墨球大小六级；
4.中频炉出铁液至球化包，采用冲入法，出铁球化温度为1530-1550℃，出铁步骤分为2步，第1步出75％铁液(误差±5％)，等待反应完成，约30-40S后，再出剩余25％铁液(二次出铁时观察铁水包电子秤，总出铁重量误差小于2％)；
5.浇注时，用1-3mm粒度的75硅铁做为二次孕育剂，随流加入，孕育剤量为浇注铁水质量的0.15-0.2％，用定流速漏斗加入(孕育剂流速为10-12克/秒)；
6.铁液浇入铁模覆砂工艺制备的型腔，其中覆砂层厚度要根据铸件对应位置的壁厚选取，如图6所示，厚大部位覆砂层厚度5-7mm，薄壁位置覆砂层厚度8-10mm，芯头部位覆砂层厚度为4-5mm，目的是使得铁液均衡凝固，满足设定的冷却速度，使得铸件达到索氏体组织；
7.铁液浇注后20-23min开箱，铸件表面温度为600-700℃，在空气中缓慢冷却，不需采用热处理工艺；
8.采用每包铁液对应铸件送检一个机械试块检验力学性能。
申请人采用本发明的技术已生产出以球墨铸铁QT650-12制作的多种产品，包括80T矿山自卸车平衡悬架支架、50T渣土车平衡悬架支架、80T器室支架、80T矿山自卸车钢板弹簧座、40T公路牵引车平衡悬架支架等。
以下为其中的部分产品的实施例：
实施例1：生产80T矿山自卸车平衡悬架支架
零件重量74Kg，基本壁厚25mm,外形外廓尺寸800*600*300mm。
采用工艺为：
1.用林州Q10低硫低钛生铁，普通碳素钢和自产回炉铁为主炉料，采用3吨中频炉熔炼，主炉料质量配比为：生铁602Kg，占比20％，废钢1808Kg，占比60％，回炉铁598Kg，占比20％，误差均小于±0.8％。添加75硅铁(含硅75％)21.3Kg，为主炉料质量的0.71％；添加65高碳锰铁(含锰量65％)5.1Kg，为主炉料质量的0.17％；添加电解铜5.7Kg(低铅，纯度99.99％)，为主炉料质量的0.19％；添加石墨型增碳剂69.9Kg，为主炉料质量的2.33％。将上述炉料熔炼获得成分为C 3.83％、Si 1.6％、Mn 0.27％、Cu 0.25％、S≤0.03％的原铁水。
2.称取2-6球化剂(含镁6％、稀土2％、硅42％，余为铁)5.5Kg，3-7球化剂(含镁7％、稀土3％含硅42％，余为铁)1.38Kg混合，组分质量比约为4:1(误差±0.2％)，制备出专用球化剂。将上述球化剂6.88Kg装入球化包内，按照每浇注包出铁600Kg计算，比例为1.15％；
3.按照图7方式装包，加入BS-1A孕育剂2.82Kg，为出铁水质量的0.47％；加入75硅铁0.84Kg，为出铁水重量的0.14％，作为一次孕育剂；
4.中频炉出铁水至球化包采用冲入法，出铁球化温度为1541℃，出铁的第1步出454Kg铁水，约占总出铁水量的75％铁液(误差±5％)，等待反应完成，约经历37S后，再出151Kg铁水，约占总出铁水量的25％铁液，(总出铁重量605Kg，总误差小于2％)；
5.浇注时，用1-3mm粒度的75硅铁做为二次孕育剂，随流加入，孕育剂量为1.08Kg，为浇注铁水质量的0.18％，用定流速漏斗加入(孕育剂流速为10.7克/秒)；
6.型腔中的厚大部位、薄壁位置及芯头部位覆砂层厚度分别为6.1mm，9.5mm和4.5mm，铸件达到索氏体组织；
7.铁液浇注后22min开箱，铸件表面温度为677℃，在空气中缓慢冷却，无需热处理；
8.终铁水残余镁为0.037％、稀土为0.023％，球化率达2级，石墨等级6，,零件本体拉伸强度680MPa，屈服强度450MPa，延伸率12.5％。
本实施例的产品累计市场投放8000余套，截至目前未发生因材料强度不足牌号要求而导致的断裂、变型失效。
实施例2生产50T渣土车平衡悬架支架
零件重量60Kg，基本壁厚25mm,外形外廓尺寸750*550*290mm。
1.用林州Q10低硫低钛生铁，普通碳素钢和自产回炉铁为主炉料，采用3吨中频炉熔炼，主炉料为：生铁600Kg，废钢1802Kg，回炉铁602Kg。添加75硅铁21.3Kg，65高碳锰铁5.1Kg，电解铜5.7Kg，石墨型增碳剂69.9Kg。熔炼后获得成分为C 3.82％、Si 1.64％、Mn0.27％、Cu 0.24％、S≤0.03％的原铁水。
2.称取2-6球化剂5.38Kg、3-7球化剂1.34KG混合制备专用球化剂。将上述球化剂装入球化包内，按照每浇注包出铁600Kg计算，比例为1.12％；
3.按照图7所示方式装包，加入BS-1A孕育剂2.64Kg、75硅铁0.78Kg，作为一次孕育剂；
4.中频炉出铁液至球化包的方式同实施例1，出铁球化温度为1537℃；
5.浇注方式同实施例1，孕育剂量为1.02Kg，孕育剂流速为10克/秒；
6.型腔中的厚大部位、薄壁位置及芯头部位覆砂层厚度分别为6.5mm，10mm和4.8mm，铸件达到索氏体组织；
7.铁液浇注后21min开箱，铸件表面温度为668℃，在空气中缓慢冷却，无需热处理；
8.终铁水残余镁为0.038％、稀土0.022％，球化率达2级，石墨等级6，,零件本体拉伸强度690MPa，屈服强度455MPa，延伸率12.9％；
本实施例的产品累计市场投放15000余套，截至目前未发生因材料强度不足牌号要求而导致的断裂、变型失效。
实施例3 80T矿山自卸车气室支架
零件重量27Kg，基本壁厚20mm,外形外廓尺寸300*250*200mm。
1.用林州Q10低硫低钛生铁，普通碳素钢和自产回炉铁为主炉料，采用3吨中频炉熔炼，主炉料生铁598Kg，废钢1796Kg，回炉铁604Kg，再添加75硅铁21.3Kg，65高碳锰铁5.1Kg，电解铜5.7Kg，石墨型增碳剂69.9Kg。熔炼后获得成分为C 3.79％、Si 1.69％、Mn0.27％、Cu 0.21％、S≤0.03％的原铁水。
2.称取2-6球化剂5.32Kg、3-7球化剂1.33Kg混合制备专用球化剂。将上述球化剂装入球化包内；
3.按照图7方式装包，加入BS-1A孕育剂2.52Kg、75硅铁0.72Kg作为一次孕育剂；
4.中频炉出铁液至球化包的方式同实施例1，出铁球化温度为1547℃；
5.浇注方式同实施例1，孕育剤量为0.96Kg，孕育剂流速为11克/秒；
6.型腔中的厚大部位、薄壁位置及芯头部位覆砂层厚度同实施例2。铸件达到索氏体组织；
7.铁液浇注后23min开箱，铸件表面温度为688℃，在空气中缓慢冷却，无需热处理；
8.终铁水残余镁为0.036％、稀土0.024％，球化率达2级，石墨等级6，零件本体拉伸强度700MPa，屈服强度500MPa，延伸率12.2％；
本实施例的产品累计市场投放50000余套，截至目前未发生因材料强度不足牌号要求而导致的断裂、变型失效。
Claims (3)
1.一种高强度高延伸率球墨铸铁的生产方法，其特征是：
选用Q10低硫低钛生铁、普通碳素废钢和自产回炉铁为主炉料，其质量比分别为：生
铁20%，普通碳素废钢60%，回炉铁20%；再添加为主炉料总质量0.65-0.8%的75硅铁，0.15-
0.19%的65高碳锰铁，0.15-0.20%的电解铜及2.3-2.5%%的石墨型增碳剂；通过中频炉熔炼
获得成分为C：3.78-3.88%、Si：1.5-1.7%、Mn：0.22-0.28%、 Cu：0.2-0.25%、S≤0.03%的原铁
液；
取含镁6%、含稀土2%、含硅42%、余为铁的低稀土球化剂2-6，与含镁7%、含稀土3%、含
硅42%、余为铁的稀土镁球化剂3-7，按照质量比4:1的比例混合制备专用球化剂，在球化包
内加入为出铁水质量1.1-1.15%的专用球化剂，实现终铁液残余RE 0.02-0.025%，残余Mg
0.03-0.04%，控制残余RE/Mg比例为2/3；
铁液球化前在球化包内加入为出铁水质量0.4-0.5%的BS-1A孕育剂和0.1-0.15%的
75硅铁作为一次孕育剂；
中频炉出铁液至球化包，采用冲入法，出铁球化温度为1530-1550℃，出铁步骤分为
2步，第1步出75%铁液，等待反应完成， 30-40S后，再出剩余25%铁液；
浇注时，用粒度为1-3mm的75硅铁做为二次孕育剂，随流加入，孕育剤量为浇注铁水
质量的0.15-0.2%，用定流速漏斗加入；
铁液浇入铁模覆砂工艺制备的型腔，其中覆砂层厚度要根据铸件对应位置的壁厚
选取，厚大部位覆砂层厚度5-7mm，薄壁位置覆砂层厚度8-10mm，芯头部位覆砂层厚度为4-
5mm；
铁液浇注后20-23min开箱，铸件表面温度为600-700℃，在空气中缓慢冷却，不需采
用热处理工艺；
采用每包铁液对应铸件送检一个机械试块检验力学性能。
2.如权利要求1所述的高强度高延伸率球墨铸铁的生产方法，其特征是电解铜的成分为低铅、纯度99.99%。
3.如权利要求1所述的高强度高延伸率球墨铸铁的生产方法,其特征是浇注时用定流速漏斗加入二次孕育剂75硅铁的流速为10-12克/秒。
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