CN108425064A - 新型高性能含难熔金属Nb的蠕墨铸铁配方及熔炼技术 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种新型含难熔金属Nb添加的高性能蠕墨铸铁的配方及其工艺技术，属于铸铁熔炼处理领域；研发新型含难熔金属Nb的高性能蠕墨铸铁，对于提高蠕墨铸铁使用性能，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‑Nb系蠕墨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1.9‑2.5wt.%，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.%，Nb的含量为0.01‑0.25wt.%，其余为铁；通过本发明研制的高性能蠕墨铸铁内部石墨形态呈蠕虫状分布，基体组织主要为珠光体，同时要求蠕化率大于85%，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，通过本发明获得性能优良的高性能蠕墨铸铁。

Description

新型高性能含难熔金属Nb的蠕墨铸铁配方及熔炼技术

技术领域

本发明涉及一种新型高性能蠕墨铸铁的配方及其工艺技术，属于蠕墨铸铁熔炼处理领域。

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、耐磨性和减震性良好、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，而随着科学技术的迅猛发展，对铸铁性能的要求越来越高;上世纪70年代蠕墨铸铁作为一种新型铸铁材料投入工业应用，其生产过程为通过加入适量的变质元素，改变铸铁的石墨形态，使其变成介于片状和球状之间的蠕虫状，石墨形态改变以后，蠕墨铸铁兼有灰铸铁和球墨铸铁的特点，综合性能大幅提高，具有优异的耐磨性能、抗热疲劳性能、热导率高、抗拉强度高、减震性能优良、表面光洁度高以及良好的切削加工性能等;但是蠕墨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蠕墨铸铁的性能产生不同的影响，而单单通过调控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，因此大量研究工作都针对于微量元素的添加对性能影响来展开，从而使得开发新型合金蠕墨铸铁成为铸铁性能改善的重要研究方向，因此新型合金蠕墨铸铁的研制具有更重要的社会和经济效益。

石墨的形态、数量和分布对铸铁的性能有很大的影响，因此通过改变铸铁基体中的石墨形态来提高其性能，在此背景下蠕墨铸铁引起人们的重视;在20世纪40年代发现了蠕墨铸铁的存在，而后通过在熔炼过程中向铁液中添加蠕化剂来形成蠕墨铸铁,蠕墨铸铁是由金属铁基体和游离的蠕虫状石墨组成的机械混合物，其组织包括铁素体、珠光体、马氏体、贝氏体、奥氏体、少量渗碳体及磷共晶，蠕墨铸铁因其铸铁中的石墨呈蠕虫状，其形态介于片层状的石墨和球状石墨的中间态，其性能即有片层状石墨的特点，又有球状石墨的特点，在蠕墨铸铁中，在共晶生长期间由于奥氏体的不完全包围而使石墨生长前端长期以一狭窄液态通道与母液相连, 从而导致蠕虫状石墨的形成，蠕虫状石墨分枝都处在共晶团内, 通过根部或分枝彼此相连在一起，它显示出粗、厚短, 似蠕虫的特点，因此蠕墨铸铁具有优异的耐磨性能、抗热疲劳性能、热导率高、抗拉强度、减震性、表面光洁度和切削加工性能;各种研究结果证明，添加合金元素、改善基体组织，调控石墨形态是对铸铁性能提高的理想途径，而其中合金元素的添加是其中最为行之有效的提高蠕墨铸铁性能的关键; 目前已有在蠕墨铸铁中添加Cu、Cr、Mn、Mo等合金元素来对其进行性能改进的实例，虽然实验证明这些合金成分蠕墨铸铁的力学性能得到了明显的改善，但是与合金、复合材料优异的性能相比仍存在不足，开发性能更加优异、更具有竞争力的蠕墨铸铁就变得十分重要与必要;目前已有合金铸铁应用的诸多实例，但其性能的改善仍未能达到令人十分满意的程度，从而也就缺乏确凿的市场占有说服力，因此，开发新型高性能蠕墨铸铁对于提高蠕墨铸铁的使用性能和降低生产成本具有重要的社会和经济效益;本发明采用难熔金属Nb作为微量合金元素添加到灰铸铁中，研制成Fe-C-Si-Nb系铸铁，对于提高传统蠕墨铸铁的综合力学性能具有重要意义。

发明内容

铌是钢和铁的重要合金化元素之一，化学性质非常稳定，常温下，铌对许多酸和盐的溶液都是稳定的，有较高的熔点，热导率较高，耐高温，强度大，在1000℃以上仍具有足够的强度、塑性和导热性，Nb的加入可以提高铸铁的高温组织稳定性，被认为是最有效的细化晶粒的微合金化元素，因此本发明研制出Fe-C-Si-Nb系铸铁。新型含难熔金属Nb的高性能蠕墨铸铁的配方为：C的含量为3.4-3.6wt.%，Si的含量为1.9-2.5wt.%，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.%，Nb的含量为0.01-0.25wt.%，其余为铁。通过本发明研制的高性能蠕墨铸铁内部石墨形态呈蠕虫状分布，基体组织主要为珠光体，要求其蠕化率大于85%，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，通过本发明获得性能优良的高性能蠕墨铸铁。

其工艺过程为：

要提高蠕墨铸铁的力学性能，即使微量合金元素的添加也能起到画龙点睛的作用根据熔融铁液中的元素含量要求，Nb的加入量控制在0.01-0.25wt.%，熔炼过程中加入不同合金元素能够得到不同使用性能的蠕墨铸铁，但是铸铁基本性能保持稳定不变；蠕墨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，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；传统的蠕化处理一般为包底冲入法，这种方法一般适用于没有自沸能力的蠕化剂，操作简单，缺点是会产生较大的烟尘，包底冲入法一般采用堤坝式包底冲入法；蠕化剂加入方式还可以采用喂丝法和除铁槽随流孕育法，孕育过后的铁液采用砂型铸造，底注式浇入法蠕化孕育处理，蠕化剂选用Mg-稀土合金，粒度为5-6mm，加入量为0.45%-0.5%，孕育剂采用75Si-Fe，粒度为8-10mm，加入量为0.8%，从而获得蠕化率达到要求的蠕墨铸铁。

本发明的优点为：

此类高性能铸铁不仅可以获得高的强度和耐蚀性，且由于合金元素的添加，调控机体组织为珠光体，控制蠕化率大于85%，能够获得粗、厚、短，且长宽比符合要求的蠕虫状石墨，Nb的加入对提升抗拉强度与耐磨性有十分显著的作用，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蠕墨铸铁的强度，合金元素的合理加入使得该蠕墨铸铁的力学性能的得到更加显著与突出的改善。

具体实施措施：

本发明提供了采用添加难熔金属Nb制成Fe-C-Si-Nb系蠕墨铸铁的方法；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1450-1540℃，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，Nb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，砂型铸造，底注式浇入法蠕化孕育处理采用堤坝式冲入法；蠕化剂为Mg-RE合金，粒度为5～6mm，加入量为0.45%～0.5%；孕育剂采用75Si-Fe，粒度为8～10mm，加入量为0.8%；获得蠕化率达到要求的蠕墨铸铁。

实施例2：

为了精确控制蠕化剂的加入量，提高蠕化剂的吸收率，同时获得稳定的蠕墨铸铁，对于此种新型蠕墨铸铁的熔炼铸造还可以采用喂丝蠕化处理技术，将Mg-RE合金蠕化剂使用喂丝机制成芯线；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，500kg-800kg浇包处理并浇注，铁水出炉温度初定为1450-1540℃，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，Nb块的加入量控制在0.05-0.15wt.%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块。

实施例3：

此种新型高性能蠕墨铸铁也可以采用冲天炉进行熔炼，同时采用出铁槽随流孕育法，将配置好的颗粒状蠕化剂均匀的洒在铁水中，Nb块加入量控制在0.05wt.%-0.25wt.%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，500kg-800kg浇包处理并浇注，铁水出炉温度初定为1450-1540℃，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，最后将熔炼好的铁水进行浇注。

Claims (5)

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

2.根据权利要求1所述的Fe-C-Si-Nb系蠕墨铸铁，其特征在于：C的含量为3.4-3.6wt.%，Si的含量为1.9-2.5wt.%，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.%，Nb的含量为0.01-0.25wt.%，其余为铁。

3.根据权利要求1所述的Fe-C-Si-Nb系蠕墨铸铁，其特征在于：采用堤坝式包底冲入法，孕育过后的铁液采用砂型铸造，底注式浇入法蠕化孕育处理，蠕化剂选用Mg-稀土合金，粒度为5-6mm，加入量为0.45%-0.5%，孕育剂采用75Si-Fe，粒度为8-10mm，加入量为0.8%，采用中频感应电炉，铁水出炉温度初定为1450-1540℃，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，Nb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。

4.熔炼好的铁液尽快浇注到模具中，从而得到最终的铸铁块，砂型铸造，获得蠕化率达到要求的蠕墨铸铁。

5.一种新型含难熔金属Nb的高性能蠕墨铸铁铸造技术，具体步骤如下：采用冲天炉熔炼，同时采用出铁槽随流孕育法，将配置好的颗粒状蠕化剂均匀的洒在铁水中，Nb块加入量控制在0.05wt.%-0.25wt.%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进行浇注，从而得到蠕化率符合要求的蠕墨铸铁块。