CN108103392A - 一种高强度球墨铸铁生产方法 - Google Patents

一种高强度球墨铸铁生产方法 Download PDF

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Abstract

一种高强度球墨铸铁生产方法，高强度球墨铸铁的最终化学成分为：按质量百分比计，C:3.65‑3.75%、Si:2.6‑2.75%、Mn:0.4‑0.5%、Cu:0.4‑0.5%、Mg：0.035‑0.045%、P:≤0.05%、S:≤0.03%、Re：0.01‑0.03%、Sn：0.01‑0.02%、余量为Fe；本发明制得的球墨铸铁能达到QT800‑5材质性能要求，具有良好的综合机械性能。

Description

一种高强度球墨铸铁生产方法
技术领域
本发明属于球墨铸铁生产工艺领域，尤其是一种高强度球墨铸铁生产方法。
背景技术
QT500-7材质的力学及金相要求：球化级别1-3级，球化率≥85%,珠光体含量应≥35%,抗拉强度Rm≥500MPa，伸长率≥7% ，硬度范围170-230HBS；QT800-5材质的力学及金相要求：球化级别3级，球化率≥85%,珠光体含量应≥65%，抗拉强度Rm≥800MPa，伸长率≥5%，硬度范围为220-310HBS。
在本领域尚未有能将QT500-7材质达到QT800-5材质性能要求的工艺方法。
发明内容
本发明提供一种高强度球墨铸铁生产方法，使QT500-7材质能达到QT800-5材质性能要求。
为了解决上述技术问题，本发明技术方案是：一种高强度球墨铸铁生产方法，高强度球墨铸铁的最终化学成分为：按质量百分比计，C:3.65-3.75%、Si:2.6-2.75%、Mn:0.4-0.5%、Cu:0.4-0.5%、Mg：0.035-0.045%、P:≤0.05%、S:≤0.03%、Re：0.01-0.03%、Sn：0.01-0.02%、余量为Fe；
为得到上述高强度球墨铸铁，其生产方法如下：
（1）熔炼原料：按质量百分比计配制原料：生铁13-15%、回炉料44-46%、废钢39-42%，并添加增碳剂和预处理剂，增碳剂加入量是原料重量的0.33-0.36%，预处理剂加入量是原料重量的0.09-0.11%，铁水的化学成分：C:3.8-3.9%、Si:1.4-1.6%、Mn:0.4-0.5%、P:≤0.05%、S:≤0.03%；
（2）铁水净化处理：用铁神一号净化剂对铁水进行精炼，在出铁水之前1分钟加入，铁神一号净化剂加入量是铁水重量的0.45-0.55%，加入后熔炉停电静置5-7分钟，然后熔炉通电将铁水升温到1590-1610℃时打渣后出铁水；
（3）一次孕育：出铁水前在铁水包内加入硅钡钙孕育剂和锡合金，硅钡钙孕育剂加入量是铁水重量的0.4%-0.6%，锡合金加入量是铁水重量的0.015-0.02%；
（4）球化与二次孕育同时进行：采用双线喂丝法处理，一根球化包芯线和一根孕育包芯线；球化包芯线的直径为φ13-15毫米、粉芯重量为229-235克/米、Si含量为43-45%、球化包芯线加入量是铁水重量的0.9%-1.0%；孕育包芯线的直径为φ13-15毫米、粉芯重量为265-275克/米、Si含量为68-70%、孕育包芯线加入量是铁水重量的0.8%-0.9%；球化和二次孕育处理时，铁水温度为1500±10℃，球化和二次孕育处理时间为1-2分钟以内；
（5）三次孕育：采用随流孕育法，浇注时在流动的铁水中加入孕育剂，孕育剂加入量是铁水重量的0.005-0.006%、粒度为0.3-1毫米；
（6）扒渣处理：铁水三次孕育处理后，加入除渣剂进行扒渣处理，扒渣时间为2-3分钟，扒渣必须干净彻底；
（7）造型及浇注：采用宝珠砂进行埋箱造型，铁水出炉温度控制在1590-1610℃，浇注温度控制在1430-1520℃，每箱浇注时间在40秒以内；
（8）负压及保压：砂箱内的负压值为-0.03～-0.04Mpa，并保压8-10分钟；
（9）冷却：随箱冷却，冷却后翻箱出件，制得QT500-7球墨铸铁；
（10）采用不平衡等温正火热处理QT500-7球墨铸铁:先将正火炉升温至650-700℃，后将QT500-7球墨铸铁放进正火炉中升温至860-900℃，保温1-1.5小时，保温完毕迅速用起吊工具将球墨铸铁件吊出转入喷雾室内，冷却时间在10分钟以内，使球墨铸铁件迅速降温至500℃以下，冷却完毕后将球墨铸铁件吊入正火炉内进行回火热处理，升温至580-600℃后保温1.5-2小时，回火完毕后，将球墨铸铁件吊出放置在空气中自然冷却，直至常温，制得QT800-5高强度球墨铸铁。
有益效果：本发明对元素的含量以及工艺参数进行了合理的限定，并通过不平衡等温正火热处理法将制得的QT500-7球墨铸铁达到QT800-5材质性能要求，使球墨铸铁具有良好的综合机械性能。
具体实施方式
实施例1：
一种高强度球墨铸铁生产方法，高强度球墨铸铁的最终化学成分为：按质量百分比计，C:3.65%、Si:2.55%、Mn:0.4%、Cu:0.4%、Mg：0.035%、P: 0.05%、S: 0.03%、Re：0.01%、Sn：0.01%、Fe:92.865%；
为得到上述高强度球墨铸铁，其生产方法如下：
（1）熔炼原料：按质量百分比计配制原料：生铁13%、回炉料44%、废钢39%，并添加增碳剂和预处理剂，增碳剂加入量是原料重量的0.3%，预处理剂加入量是原料重量的0.09%，铁水的化学成分：C:3.8%、Si:1.4%、Mn:0.4%、P: 0.05%、S: 0.03%；
（2）铁水净化处理：用铁神一号净化剂对铁水进行精炼，在出铁水之前1分钟加入，铁神一号净化剂加入量是铁水重量的0.45%，加入后熔炉停电静置5分钟，然后熔炉通电将铁水升温到1590℃时打渣后出铁水；
（3）一次孕育：出铁水前在铁水包内加入硅钡钙孕育剂和锡合金，硅钡钙孕育剂加入量是铁水重量的为0.4%，锡合金加入量是铁水重量的0.015%；
（4）球化与二次孕育同时进行：采用双线喂丝法处理，一根球化包芯线和一根孕育包芯线；球化包芯线的直径为φ13毫米、粉芯重量为229克/米、Si含量为43%、球化包芯线加入量是铁水重量的0.9%；孕育包芯线的直径为φ13毫米、粉芯重量为265克/米、Si含量为的68%、孕育包芯线加入量是铁水重量的0.8%；球化和二次孕育处理时，铁水温度为1490℃，球化和二次孕育处理时间为1分钟以内；
（5）三次孕育：采用随流孕育法，浇注时在流动的铁水中加入孕育剂，孕育剂加入量是铁水重量的0.005%、粒度为0.3毫米；
（6）扒渣处理：铁水经球化和三次孕育处理后，加入除渣剂进行扒渣处理，扒渣时间为2分钟，扒渣必须干净彻底；
（7）造型及浇注：采用宝珠砂进行埋箱造型，铁水出炉温度控制在1590℃，浇注温度控制在1430℃，每箱浇注时间在40秒以内；
（8）负压及保压：砂箱内的负压值为-0.03Mpa，并保压8分钟；
（9）冷却：随箱冷却，冷却后翻箱出件，制得QT500-7球墨铸铁；
（10）采用不平衡等温正火热处理QT500-7球墨铸铁:先将正火炉升温至650℃，后将QT500-7球墨铸铁放进正火炉中升温至860℃，保温1小时，保温完毕迅速用起吊工具将球墨铸铁件吊出转入喷雾室内，冷却时间在10分钟以内，使球墨铸铁件迅速降温至500℃以下，冷却完毕后将球墨铸铁件吊入正火炉内进行回火热处理，升温至580℃后保温1.5小时，回火完毕后，将球墨铸铁件吊出放置在空气中自然冷却，直至常温，制得具有QT800-5材质性能的球墨铸铁。
实施例2：
一种高强度球墨铸铁生产方法，高强度球墨铸铁的最终化学成分为：按质量百分比计，C:3.75%、Si: 2.7%、Mn:0.5%、Cu:0.5%、Mg：0.045%、P:0.3%、S: 0.02%、Re：0.03%、Sn：0.02%、Fe:92.135%；
为得到上述高强度球墨铸铁，其生产方法如下：
（1）熔炼原料：按质量百分比计配制原料：生铁15%、回炉料46%、废钢42%，并添加增碳剂和预处理剂，增碳剂加入量是原料重量的0.36%，预处理剂加入量是原料重量的0.11%，铁水的化学成分：C:3.9%、Si:1.6%、Mn:0.5%、P: 0.05%、S:0.03%；
（2）铁水净化处理：用铁神一号净化剂对铁水进行精炼，在出铁水之前1分钟加入，铁神一号净化剂加入量是铁水重量的0.55%，加入后熔炉停电静置7分钟，然后熔炉通电将铁水升温到1610℃时打渣后出铁水；
（3）一次孕育：出铁水前在铁水包内加入硅钡钙孕育剂和锡合金，硅钡钙孕育剂加入量是铁水重量的0.6%，锡合金加入量是铁水重量的0.02%；
（4）球化与二次孕育同时进行：采用双线喂丝法处理，一根球化包芯线和一根孕育包芯线；球化包芯线的直径为φ15毫米、粉芯重量为235克/米、Si含量为45%、球化包芯线加入量是铁水重量的1.0%；孕育包芯线的直径为φ15毫米、粉芯重量为275克/米、Si含量为70%、孕育包芯线加入量是铁水重量的0.9%；球化和二次孕育处理时，铁水温度为1510℃，球化和二次孕育处理时间为2分钟以内；
（5）三次孕育：采用随流孕育法，浇注时在流动的铁水中加入孕育剂，孕育剂加入量是铁水重量的0.06%、粒度为1毫米；
（6）扒渣处理：铁水经球化和三次孕育处理后，加入除渣剂进行扒渣处理，扒渣时间为2分钟，扒渣必须干净彻底；
（7）造型及浇注：采用宝珠砂进行埋箱造型，铁水出炉温度控制在1610℃，浇注温度控制在1520℃，每箱浇注时间在40秒以内；
（8）负压及保压：砂箱内的负压值为-0.04Mpa，并保压10分钟；
（9）冷却：随箱冷却，冷却后翻箱出件，制得QT500-7球墨铸铁；
（10）采用不平衡等温正火热处理QT500-7球墨铸铁:先将正火炉升温至700℃，后将QT500-7球墨铸铁放进正火炉中升温至900℃，保温1.5小时，保温完毕迅速用起吊工具将球墨铸铁件吊出转入喷雾室内，冷却时间在10分钟以内，使球墨铸铁件迅速降温至500℃以下，冷却完毕后将球墨铸铁件吊入正火炉内进行回火热处理，升温至600℃后保温2小时，回火完毕后，将球墨铸铁件吊出放置在空气中自然冷却，直至常温，制得具有QT800-5材质性能的球墨铸铁。
最佳实施例3：
一种高强度球墨铸铁生产方法，高强度球墨铸铁的最终化学成分为：按质量百分比计，C:3.6%、Si:2.6%、Mn:0.4%、Cu: 0.5%、Mg：0.04%、P:0.4%、S:0.03%、Re：0.02%、Sn：0.015%、Fe:92.395%；
为得到上述高强度球墨铸铁，其生产方法如下：
（1）熔炼原料：按质量百分比计配制原料：生铁15%、回炉料45%、废钢40%，并添加增碳剂和预处理剂，增碳剂加入量是原料重量的0.33%，预处理剂加入量是原料重量的0.09%，铁水的化学成分：C: 3.9%、Si:1.5%、Mn: 0.5%、P: 0.05%、S: 0.03%；
（2）铁水净化处理：用铁神一号净化剂对铁水进行精炼，在出铁水之前1分钟加入，铁神一号净化剂加入量是铁水重量的0.5%，加入后熔炉停电静置5分钟，然后熔炉通电将铁水升温到1600℃时打渣后出铁水；
（3）一次孕育：出铁水前在铁水包内加入硅钡钙孕育剂和锡合金，硅钡钙孕育剂加入量是铁水重量的0.5%，锡合金加入量是铁水重量的0.015%；
（4）球化与二次孕育同时进行：采用双线喂丝法处理，一根球化包芯线和一根孕育包芯线；球化包芯线的直径为φ13毫米、粉芯重量为229克/米、Si含量为44.3%、球化包芯线加入量是铁水重量的1.0%，硅元素增加了0.232%；孕育包芯线的直径为φ13毫米、粉芯重量为265克/米、Si含量为包68%、孕育包芯线加入量是铁水重量的0.8%，硅元素增加了 0.396%；球化和二次孕育处理时，铁水温度为1500℃，球化和二次孕育处理时间为1分钟以内；
（5）三次孕育：采用随流孕育法，浇注时在流动的铁水中加入孕育剂，孕育剂加入量是铁水重量的0.06%、粒度为0.5毫米；
（6）扒渣处理：铁水经球化和三次孕育处理后，加入除渣剂进行扒渣处理，扒渣时间为2分钟，扒渣必须干净彻底；
（7）造型及浇注：采用宝珠砂进行埋箱造型，铁水出炉温度控制在1600℃，浇注温度控制在1500℃，每箱浇注时间在40秒以内；
（8）负压及保压：砂箱内的负压值为-0.03Mpa，并保压8分钟；
（9）冷却：随箱冷却，冷却后翻箱出件，制得QT500-7球墨铸铁；
（10）采用不平衡等温正火热处理QT500-7球墨铸铁:先将正火炉升温至650℃，后将QT500-7球墨铸铁放进正火炉中升温至860℃，保温1小时，保温完毕迅速用起吊工具将球墨铸铁件吊出转入喷雾室内，冷却时间在10分钟以内，使球墨铸铁件迅速降温至500℃以下，冷却完毕后将球墨铸铁件吊入正火炉内进行回火热处理，升温至580℃后保温1.5 小时，回火完毕后，将球墨铸铁件吊出放置在空气中自然冷却，直至常温，制得具有QT800-5材质性能的球墨铸铁。
所述的废钢是采用优质中低碳废钢，使用前需经除锈处理。
所述的回炉铁是同牌号QT500-7的报废产品及浇注系统。
所述的球化剂为低Re、低Mg合金，由南京浦江合金厂生产。
所述的孕育剂为硅钡合金，为长效一次孕育剂，瞬时孕育采用专用Si-Bi高效随流孕育剂，由曲阜铸造材料厂生产。
本发明中所述预处理剂是一种在铁液熔化过程中加入的一种铸造用添加材，通过对铁液出炉前或出铁水时进行的预处理，同时将O/S等控制在较低和稳定在一定水平的一种添加材。例如：卡森铸造材料有限公司生产的预处理剂。
本发明中所述铁神一号净化剂的生产厂家为四川省都江堰市金星钢铁助剂研究所，该研究的地址为四川省都江堰市都江堰大道2号岷江国际901室；铁神一号净化剂的配方已经申报国家发明专利；铁神一号净化剂产品质量标准已于2004年8月发布并实施；铁神一号净化剂已于2004年8月通过都江堰市科技局组织的科技成果鉴定，鉴定结果认为：铁神一号净化剂是具有复合功能新型孕育剂。
本发明中所述双线喂线法：将球化剂和孕育剂分别做成线材，用喂线机将两根线材同时投入铁水深处。
所述不平衡等温正火热处理是指：将工件在热处理炉中加热到第一温度，经过第一保温时间后迅速投入到冷却室内进行冷却，持续一定的时间后二次将工件在热处理炉中加热到第二温度，经过第二保温时间后关闭热处理炉，使工件随炉冷却至常温即可。通过不平衡等温热处理，使工件的基体组织发生转变，从而使工件具有更好的机械性能。
对实施例3中制得的QT500-7球墨铸铁进行检测：
（1）实验方法：在实施例3的造型及浇注步骤中，预留铁水制作两个激冷试块和两个Y形单铸试块；两个激冷试块采用光谱分析仪进行化学成分分析；两个 Y形单铸试块采用微机控制电子万能试验机进行机械性能的检测，测试抗拉强度Rm及伸长率；两个 Y形单铸试块经打磨、抛光、腐蚀后用金相显微镜进行金相分析；
（2）实验结果：按试验方法检测，试验得到的QT500-7的化学成分、金相组织和铸态力学性能；表1是对铁水浇注试块的温度要求；
表2所示两个激冷试块的化学成分参数；表3所示两个Y形单铸试块的金相及力学性能；
对实施例3中制得的QT500-5球墨铸铁进行检测：
（1）实验方法：将QT500-7的两个Y形单铸试块进行不平衡等温正火热处理后得到QT800-5的两个Y形单铸试块，然后检测两个Y形单铸试块的金相及力学性能；
（2）实验结果如下表：
本发明对下述元素的含量以及工艺参数进行了合理的限定，使得采用本发明生产的球铁铸件具有了良好的综合机械性能。
碳C 元素, 对于铸态球墨铸铁应选择高碳量。在含Si 量一定的条件下，随着C 含量增加，碳当量CE 提高，其自身按石墨析出的倾向增大，石墨球数相应增加，可以减小收缩缺陷，而获得健全铸件。而过高的C 容易产生石墨飘浮，降低铸件综合机械性能。珠光体球墨铸铁推荐的C 含量为ω（C）3.6% ～ 3.8％，ω（Si）2.1% ～ 2.5％。降低ω（C）量会减少石墨球数，而铸件的抗拉强度、伸长率和硬度会提高，因此确定ω（C）含量为3.65～ 3.75对应碳当量CE=4.4% ～ 4.8%。球墨铸铁力学性能必须考虑碳当量的影响,当CE=4.4% 时，石墨球数是 CE=4.1% 时的1.5 倍；当CE=4.6% ～ 4.8% 时，铁液的流动性最好, 因此, 选择CE=4.4% ～4.8%。
硅Si 元素，Si 使C 在铁液中的溶解度降低，促进石墨化，Si 的孕育使球墨铸铁的珠光体和铁素体的比例发生改变。随Si 量的增加珠光体量逐渐减少，提高球铁的塑性。试验表明，当ω（Si）含量在2.60％以上时，常温下的伸长率稳定达到20％以上，最高可达到2.75%，所以本发明确定Si 含量的范围为ω（Si）2.6 ～2.755
锰Mn 元素，Mn 使球墨铸铁凝固时的白口倾向增加. 对于壁厚6mm 以下的铸件，要求Mn 的质量分数小于0.3%，以防止出现游离渗碳体；对于厚的大断面球墨铸铁来说，Mn 的偏析倾向特别显著，易形成晶间碳化物，恶化力学性能。为此，即时珠光体基体的球墨铸铁Mn的质量分数也不应超过0.6%。Mn 能稳定珠光体，固溶强化铁素体，对于铁素体基体的球墨铸铁来说，Mn 的质量分数从0.6% ～ 0.8％开始，对强度明显提高，但是断后伸长率将随Mn量增加而显著下降。综上所述6mm ～ 50mm 壁厚球墨铸铁件取Mn 的质量分数为ω（Mn）0.4％～ 0.5％。
镁Mg元素，Mg 含量相应可以控制得低一些，但由于本发明中选择的是高C 含量，为保证球化所需的残余Mg 量相应要高一些，因此确定Mg含量的范围为0.035% ～ 0.045%。
磷P元素，由于P 对铸态球铁有危害影响，特别是对塑性的影响是显著的，所以P含量应是愈低愈好；因此确定P含量的范围为ω（P）≤ 0.05%。
硫S元素，S 是反石墨化元素，属于有害杂质。降低原铁液含S 量是确保球化处理成功的前提，也是获得优质铸件的基础，因此，对于要求高的球铁铸件，原铁液必须经过脱硫。但含S 量过低时也有不利的一面，例如铁液白口倾向加大，石墨球数量减少，石墨球粗大。因此确定S 含量的范围为ω（S）≤ 0.03%。
铼Re元素残量，Re元素在包芯线中，Re有抵消干扰元素对球化不良影响的作用，二是稀土元素（主要是铈Ce元素）易形成团状和团片状石墨、影响石墨球的圆整度的负面作用成为主要，所以Re残量尽量低些，确定Re含量范围为0.01% ～ 0.03%。
锡Sn与铜Cu相比较，Sn 的价格是Cu 的两倍多，但Cu 的加入量是千分之几，而Sn却是微量。在球墨铸铁中附加质量分数为0.06％～ 0.1％的Sn 可使基体组织中的珠光体明显增加。低熔点的Sn（232℃）在球铁凝固过程中偏析于球状石墨与金属界面上，形成Sn的富集层，这个比较稳定的Sn 的富集层能够有效的阻止或减缓共析渗碳体中的C 向球状石墨表层扩散，因此有利于稳定珠光体。在ω（Sn）0.02% ～ 0.03% 时，冲击韧度得到改善，这种作用归结为，在晶界形成了低熔点的区域，因而改善了变形能力。这种作用同样使得断后伸长率获益。取Sn 的质量分数为ω（Sn）0.01 ～ 0.02%。

Claims (1)

1.一种高强度球墨铸铁生产方法，高强度球墨铸铁的最终化学成分为：按质量百分比计，C:3.65-3.75%、Si:2.6-2.75%、Mn:0.4-0.5%、Cu:0.4-0.5%、Mg：0.035-0.045%、P:≤0.05%、S:≤0.03%、Re：0.01-0.03%、Sn：0.01-0.02%、余量为Fe；
为得到上述高强度球墨铸铁，其生产方法如下：
（1）熔炼原料：按质量百分比计配制原料：生铁13-15%、回炉料44-46%、废钢39-42%，并添加增碳剂和预处理剂，增碳剂加入量是原料重量的0.33-36%，预处理剂加入量是原料重量的0.09-0.11%，铁水的化学成分：按质量百分比计，C:3.8-3.9%、Si:1.4-1.6%、Mn:0.4-0.5%、P:≤0.05%、S:≤0.03%；
（2）铁水净化处理：用铁神一号净化剂对铁水进行精炼，在出铁水之前1分钟加入，铁神一号净化剂加入量是铁水重量的0.45-0.55%，加入后熔炉停电静置5-7分钟，然后熔炉通电将铁水升温到1590-1610℃时打渣后出铁水；
（3）一次孕育：出铁水前在铁水包内加入硅钡钙孕育剂和锡合金，硅钡钙孕育剂加入量是铁水重量的0.4%-0.6%，锡合金加入量是铁水重量的0.015-0.02%；
（4）球化与二次孕育同时进行：采用双线喂丝法处理，一根球化包芯线和一根孕育包芯线；球化包芯线的直径为φ13-15毫米、粉芯重量为229-235克/米、Si含量为43-45%、球化包芯线加入量是铁水重量的0.9%-1.0%；孕育包芯线的直径为φ13-15毫米、粉芯重量为265-275克/米、Si含量为68-70%、孕育包芯线加入量是铁水重量的0.8%-0.9%；球化和二次孕育处理时，铁水温度为1500±10℃，球化和二次孕育处理时间为1-2分钟以内；
（5）三次孕育：采用随流孕育法，浇注时在流动的铁水中加入孕育剂，孕育剂加入量是铁水重量的0.005-0.006%、粒度为0.3-1毫米；
（6）扒渣处理：铁水三次孕育处理后，加入除渣剂进行扒渣处理，扒渣时间为2-3分钟，扒渣必须干净彻底；
（7）造型及浇注：采用宝珠砂进行埋箱造型，铁水出炉温度控制在1590-1610℃，浇注温度控制在1430-1520℃，每箱浇注时间在40秒以内；
（8）负压及保压：砂箱内的负压值为-0.03～-0.04Mpa，并保压8-10分钟；
（9）冷却：随箱冷却，冷却后翻箱出件，制得QT500-7球墨铸铁；
（10）采用不平衡等温正火热处理QT500-7球墨铸铁:先将正火炉升温至650-700℃，后将QT500-7球墨铸铁放进正火炉中升温至860-900℃，保温1-1.5小时，保温完毕迅速用起吊工具将球墨铸铁件吊出转入喷雾室内，冷却时间在10分钟以内，使球墨铸铁件迅速降温至500℃以下，冷却完毕后将球墨铸铁件吊入正火炉内进行回火热处理，升温至580-600℃后保温1.5-2小时，回火完毕后，将球墨铸铁件吊出放置在空气中自然冷却，直至常温，制得QT800-5高强度球墨铸铁。
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