CN108385015A - 一种新型高性能含难熔金属铸铁配方及熔炼技术的研制 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种新型含难熔金属Ta的高性能铸铁的配方及其熔炼技术，属于新型高性能铸铁配方及其熔炼处理领域；研发新型含难熔金属Ta的高性能铸铁对于提高铸铁使用性能，提高工业生产安全性和生产效率具有重要意义。本发明采用Fe‑C‑Si‑Ta系铸铁作为高性能铸铁的基体组成部分；其配方为：C的含量为3.4‑3.6wt.%，Si的含量为1.9‑2.2wt.%，Ni的含量为0.3‑0.5wt.%，Cu的含量为0.15‑0.5wt.%，Mn的含量为0.6‑0.9wt.%，Sn的含量为0.07‑0.1wt.%，Cr的含量为0.1‑0.3wt.%，Ta的含量为0.02‑0.06wt.%，其余为铁；通过本发明研制的高性能铸铁内部石墨形态呈A型层片状分布，基体组织主要为为珠光体，铸铁强度和耐磨性较高，并具有优异的导热性能，综合力学性能优良；因此，通过本发明能够获得性能优良的高性能铸铁。

Description

一种新型高性能含难熔金属铸铁配方及熔炼技术的研制

技术领域

本文涉及一种新型高性能灰铸铁的配方及其熔炼技术，属于新型高性能铸铁配方及其熔炼领域。

背景技术

铸铁材料因其具有摩擦因数稳定、较好的切削加工性能、耐磨性和消震性良好、成本低廉及维护简单容易等特点，至今仍是现代机械制造业重要和常用的结构材料，在汽车、铁路、、机械、石油、化工和电力等行业具有广泛的应用；而随着科学技术的迅猛发展，现代工业对铸铁性能的要求确实不断攀升。

在铸铁中灰铸铁是典型代表，灰铸铁结构因其耐磨、耐热、耐氧化、耐腐蚀、耐酸碱性及较优良的减震性能而被广泛应用；相比于其他合金而言，灰铸铁熔点低、充型性好、机加工性能优越、生产设施和成型过程简单且成本相对低廉，这些优越的性能也使得灰铸铁在铸件中所占的比重非常大；但随着科技日新月异，并伴随着冲压件、焊接件、球（蠕）墨铸铁、有色金属和塑料等材料研究的不断深入，灰铸铁由于强度、硬度相对较低等缺点正面临着材料质量、性能和价格之间的巨大挑战，而与此同时，当前蠕墨铸铁的生产研发面临生产工艺复杂、成本、加工性能、使用性能、产品设计等诸多先进难以忽略的现实性问题，阻碍了蠕铁的进一步研究和应用，而这些有都促使了灰铸铁凭借其固有的优良性能仍然是生产中的首选材料，研究重点也就随之重新回到灰铁上；成功研制高性能铸铁也因此具有更重要的社会和经济效益。

灰铸铁是由铁基体以及其内部呈片状分布的石墨构成，石墨的添加对提高铸铁性能有很大的影响，石墨的加入对提高铸铁的热导率、减震性和耐磨性等性能具有重要的作用；但是灰铸铁中所存在的石墨相的尺寸大小、数量、形态分布以及基体组织类型的差异都会对灰铸铁的性能产生不同的影响，而单单通过调整石墨形态和数量对性能的改善也有一定的局限性和不利影响；合金元素的添加能够明显提高铸铁的性能，因此合金元素的添加成为获得高性能灰铸铁的重要方法；大量研究工作也都针对于铸铁中微量合金元素添加对性能的影响来展开，从而使得开发新型合金灰铸铁成为铸铁性能改善的重要研究方向，合金元素的添加也成为最行之有效提高灰铸铁性能的理想途径；目前已有合金铸铁应用的诸多实例，但在性能改进、成本控制或是工艺技术等方面仍未能达到令人十分满意的程度，从而也就缺少确凿有力的市场占有说服力。因此，开发新型高性能铸铁对于提高灰铸铁的使用性能和降低生产成本等方面具有重要的社会和经济效益；本发明采用难熔金属Ta作为微量合金元素添加到灰铸铁中，研制成新型Fe-C-Si-Ta系铸铁，对于提高传统灰铸铁的综合力学性能具有重要意义.

发明内容

钽是强碳、氮化物形成元素，（16.65g/cm³）熔点高（2996℃）、耐蚀，且具有优良的高温强度和机加工性能以及优异的动态力学性能，韧脆转变温度低，氧化处理后表面形成致密、稳定、高介电常数的无定型氧化膜等优异的特点；因此本发明研制出Fe-C-Si-Ta系铸铁。新型含难熔金属Ta的高性能铸铁的配方为：C的含量为3.4-3.6wt.%，Si的含量为1.9-2.2wt.%，Ni的含量为0.3-0.5wt.%，Cu的含量为0.15-0.5wt.%，Mn的含量为0.6-0.9wt.%，Sn的含量为0.07-0.1wt.%，Cr的含量为0.1-0.3wt.%，Ta的含量为0.02-0.06wt.%，其余为铁。通过本发明Ta的添加，并采用合适的碳当量与Si/C比，能够获得高强度、高耐磨性、高导热性的综合力学性能优异的灰铸铁。

其工艺过程为：

根据熔融铁液中的元素含量要求，Ta的加入量控制在0.01-0.2wt.%，熔炼过程中加入不同的合金元素能够得到不同使用性能的灰铸铁，但是铸铁基本性能保持稳定不变；灰铸铁的熔炼可以采用感应电炉熔炼和冲天炉熔炼技术。

采用中频感应电炉，500kg-800kg浇包处理并浇注，铁水出炉温度初定为1530-1540℃，浇注温度保证在1410℃以上；将称量好的硅铁、废钢、合金块等原材料分先后顺序依次置于感应炉坩埚内，Ta块加入量控制在0.01wt.%-0.1wt.%左右。熔炼好的铁液尽快浇注到模具中，从而得到最终的铸铁块。

采用冲天炉熔炼时，500kg-800kg浇包处理并浇注，铁水出炉温度控制在1500-1550℃，热风温度控制在400-500℃，浇注温度保证在1410℃以上；在熔炼过程中炉身底部装满焦炭，焦炭上交替摆放铁料、焦炭及溶剂，将称量好的硅铁、废钢、合金块等原材料分先后顺序依次置于炉内，Ta块加入量控制在0.01wt.%-0.1wt.%左右；在鼓风作用下，底部焦炭剧烈燃烧产生高温并向上攀升从而达到熔化铁料的目的。熔炼中根据需要，采用生铁作为石墨含量的调节材料，同时为了减少有害元素（S、P）的含量，也加入部分废钢等材料。

本发明的优点为：

此类高性能铸铁不仅可以获得高的强度及优良的耐蚀、耐磨性能，且由于合金元素的加入，调控基体组织为珠光体，能够获得端部圆钝、细长而又不至于造成应力集中割裂基体的呈层片状交替排列的A型石墨；Cu、Cr的加入还能显著提高铸铁的耐磨性并细化珠光体从而进一步提高铸铁的强度。钽是强碳、氮化物形成元素，熔点高、耐蚀，且具有优良的高温强度和机加工性能以及优异的动态力学性能，韧脆转变温度低，氧化处理后表面形成致密、稳定、高介电常数的无定型氧化膜等优异的特点；Ta的加入对抗拉强度的提升有十分显著的提高作用，且能形成强碳化物，降低热脆转变温度，提高耐腐蚀性能。合金元素的合理加入，尤其是Ta的添加使得该铸铁的力学性能得到更加显著与突出的改善。因此，Ta的添加将会获得新型高性能铸铁材料，对铸铁的应用和发展具有重要的经济和社会意义。

具体实施方式：

本发明提供了采用添加难熔金属Ta制成Fe-C-Si-Ta系铸铁的方法。下面结合实例对本发明的技术方案做进一步说明。

实施例1：

采用中频感应电炉，500kg-800kg浇包处理并浇注，铁水出炉温度初定为1530-1540℃，浇注温度保证在1410℃以上。为了准确控制合金元素的加入量，采用电子天平精准控制出铁量，并且计划出铁量和实际出铁量的误差控制在大约1%以内；采用此种配方的铸铁的铸造可以采用无芯型中频感应电炉进行熔炼；将称量好的硅铁、废钢、合金块等原材料分先后顺序依次置于感应炉坩埚内，Ta块加入量控制在0.01wt.%-0.1wt.%左右，使其在交变电流产生的热量作用下熔化至液化。熔炼好的铁液尽快浇注到模具中，从而得到最终的铸铁块。

实施例2：

采用中频感应电炉，500kg-800kg浇包处理并浇注，铁水出炉温度初定为1530-1540℃，浇注温度保证在1410℃以上；为了准确控制合金元素的加入量，采用电子天平精准控制出铁量，并且计划出铁量和实际出铁量的误差控制在大约1%以内；为了精确控制所铸造铸铁中的S、P含量，从而降低其有害作用，选用已严格控制S、P含量的低S、P生铁代替部分废钢进行铸造作业；同样采用无芯型中频感应炉进行熔炼；将称量好的生铁、合金块等原材料分先后顺序依次摆放于炉内，Ta块的加入量控制在0.09wt.%左右；熔炼好的铁液尽快浇注到预先准备好的模具中，冷却凝固后得到最终的铸铁快。

实施例3：

采用冲天炉熔炼时，500kg-800kg浇包处理并浇注，铁水出炉温度控制在1500-1550℃，热风温度控制在400-500℃，浇注温度保证在1410℃以上；为了准确控制合金元素的加入量，采用电子天平精准控制出铁量，并且计划出铁量和实际出铁量的误差控制在大约1%以内；同样为了精确控制有害元素S、P的含量，选用低S、P生铁代替部分废钢，Ta块加入量控制在0.1wt.%-0.2wt.%左右；熔炼前，在熔炉底部交替摆放铁料、焦炭、合金块等原材料，再通过鼓风作用使得焦炭强烈燃烧，利用产生的高温熔炼材料。最后将熔炼好的铁水倒入模具进行浇注。

Claims (6)

1.一种新型针对铸铁力学性能提高研制的含Ta高性能铸铁，其特征在于：所述的新型含Ta高性能铸铁采用Fe-C-Si-Ta系铸铁。

2.根据权利要求1所述的Fe-C-Si-Ta系铸铁，其特征在于：C的含量为3.4-3.6wt.%，Si的含量为1.9-2.2wt.%，Ni的含量为0.3-0.5wt.%，Cu的含量为0.15-0.5wt.%，Mn的含量为0.6-0.9wt.%，Sn的含量为0.07-0.1wt.%，Cr的含量为0.1-0.3wt.%，Ta的含量为0.02-0.06wt.%，其余为铁。

3.根据权利要求1所述的Fe-C-Si-Ta系铸铁，其特征在于：根据熔融铁液中的元素含量要求，Ta的加入量控制在0.01-0.2wt.%，熔炼过程中加入不同的合金元素能够得到不同的使用性能的灰铸铁，但是铸铁基本性能保持稳定不变;灰铸铁的熔炼可以采用感应电炉熔炼和冲天炉熔炼技术。

4.采用冲天炉熔炼时，在熔炼过程中炉身底部装满焦炭，焦炭上交替摆放铁料、焦炭及溶剂，将称量好的硅铁、废钢、合金块等原材料分先后顺序依次置于炉内，Ta块加入量控制在0.01wt.%-0.1wt.%左右;在鼓风作用下，底部焦炭剧烈燃烧产生高温并向上攀升从而达到熔化铁料的目的;感应电炉是利用电流感应产生热量来加热和熔化铁料的熔炉，又分为有芯式和无芯式两种，采用无芯式感应电炉熔炼时，铁料置于坩埚内并在交变磁场的作用下产生感应电流而产生热量，从而使铁料熔化至液化；而有芯式感应电炉只能过热已经熔化过的铁液；

感应电炉适于熔炼高质量灰铸铁、合金铸铁、球墨铸铁及蠕墨铸铁等，与冲天炉熔炼相比其在熔炼过程中不会出现增碳和增硫现象得到的铁液较纯净；熔炼中根据需要，采用生铁作为石墨含量的调节材料，同时为了减少有害元素（S、P）的含量，也加入部分废钢等材料。

5.一种新型含难熔金属Ta的高性能铸铁铸造技术，具体步骤如下：采用中频感应电炉，500kg-800kg浇包处理并浇注，铁水出炉温度初定为1530-1540℃，浇注温度保证在1410℃以上;为了准确控制合金元素的加入量，采用电子天平精准控制出铁量，并且计划出铁量和实际出铁量的误差控制在大约1%以内。

6.采用此种配方的铸铁的铸造可以采用无芯型中频感应电炉进行熔炼;将称量好的硅铁、废钢、合金块等原材料分先后顺序依次置于感应炉坩埚内，Ta块加入量控制在0.01wt.%-0.1wt.%左右，使其在交变电流产生的热量作用下熔化至液化;熔炼好的铁液尽快浇注到模具中，从而得到最终的铸铁块。