CN108642367B - 原位复合生产抗腐蚀灰铸铁的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及原位复合生产抗腐蚀灰铸铁的方法，属于金属材料铸造领域。本发明解决的技术问题是生产抗腐蚀灰铸铁需要进行表面处理，工艺复杂、成本高。本发明解决技术问题的技术方案是将炼铁原料加入中频感应电炉中进行熔炼，熔清后加入锰铁、硅铁，降低铁水温度后加入钛合金，加入保温覆盖剂，待钛合金完全熔化后，除渣，调整铁水温度，出炉浇铸得到抗腐蚀灰铸铁。本发明生产工艺简单易行，生产得到的铸件抗腐蚀性明显优于普通灰铸铁。

Description

原位复合生产抗腐蚀灰铸铁的方法

技术领域

本发明属于金属材料铸造领域，具体涉及原位复合生产抗腐蚀灰铸铁的方法。

背景技术

灰铸铁是具有片状石墨的铸铁，因断裂时断口呈暗灰色，故称为灰铸铁，是各类铸铁中使用量最大的一种铸铁。灰铸铁制成的炒菜锅、汤锅等烹饪器具是家庭使用范围最广、生产和使用量最大的一类金属材料，作为食品接触材料，灰铸铁在使用过程中会与水、酸、盐、空气等接触，时间从几分钟至几小时不等，为了避免在铸件表面很快出现锈蚀，与食品接触的铸铁件都需要进行表面处理。

铸铁常用防锈处理技术有电镀、喷涂、激光强化、电子束强化、发黑钝化、渗氮渗硼、等离子氮化等，这些技术都属于表面处理技术，通过在铸件表面建立隔离层达到防锈的目的。其中电镀、发黑钝化、渗氮渗硼等电化学处理存在重金属及有毒化合物污染风险；激光强化、电子束强化、等离子氮化等受铸件形状影响大，且设备投资高、隔离层薄；常见的喷涂、涂刷，涂层结合力差，容易破损、脱落，使基体失去保护，带来健康危害。另外，无论哪种表面处理技术，前期都需要对铸件进行预加工，例如：滚光、喷沙、抛光、打磨等。电化学处理的铸件表面还需除油除锈活化处理，如：化学除油、机械除油、烘烤除油、超声波除油、电解和有机溶剂除油等，因而需要配置相应的工艺装备，由专业人员操作处理，从而增加铸件成本。

为了克服前述铸铁表面处理技术的不足，急需开发一种抗腐蚀灰铸铁的生产方法，使铸铁件获得更好的抗腐蚀能力，同时又能简化生产工艺、降低生产成本。

发明内容

本发明解决的技术问题是生产抗腐蚀灰铸铁需要进行表面处理，工艺复杂、成本高。

本发明解决上述技术问题的技术方案是提供原位复合生产抗腐蚀灰铸铁的方法，具体包括如下步骤：

a.将炼铁原料加入中频感应电炉中通电熔化；

b.熔清后将铁水温度升至1380～1420℃，加入锰铁、硅铁调整合金成分和脱氧；

c.降低铁水温度至1280～1320℃后加入钛合金；

d.待钛合金完全熔化后，除渣，调整温度至1380～1400℃，出炉浇铸得到抗腐蚀灰铸铁；

其中，步骤b中，在熔清后取样分析，按照铁水中碳当量在4.2～4.5％的范围，加入锰铁、硅铁。碳当量是根据各元素对铸铁共晶点实际碳量的影响，将这些元素的量折算成碳量的增减，以CE％表示碳当量。灰铸铁中，为简化计算一般只考虑硅的影响，碳当量计算式是CE％＝C％+1/3Si％。

其中，步骤c中加入的钛合金为钛铁、钛硅铁中的至少一种。

进一步的，步骤c中加入钛合金使铁水的Ti含量在0.8～1.5％。

进一步的，步骤c中所述钛合金呈颗粒状，直径在10～20mm。

进一步的，步骤c中加入钛合金之后随即加入保温覆盖剂，并升高铁水温度至1400～1450℃。

进一步的，保温覆盖剂选择碳质保温覆盖剂。

进一步的，保温覆盖剂选择碳化稻壳、草木灰中的一种，覆盖剂厚度在5～8mm。

进一步的，选择碳质复合材料制成的保温覆盖剂，作为一种可根据炼钢需求调整成分比例的保温覆盖剂，具有比碳化稻壳、草木灰更优良的性能。。

其中，步骤d中，所述浇铸选择覆膜砂型、金属型、干砂型中的一种。

本发明的有益效果是：

与现有的表面防锈技术相比，本发明生产工艺简单易行，生产周期缩短，Ti收得率在70％以上，成本显著降低；本发明制得的灰铸铁抗拉强度、布氏硬度与普通灰铸铁相当，抗腐蚀性能明显提升；本发明原位生成TiC、Ti(C，N)颗粒，与片状石墨弥散分布于基体组织中，形成复合材料结构，因而灰铸铁耐腐蚀性能不仅体现在表层，而是整个基体，耐腐蚀能力持久。

附图说明

图1为实施例2所得铸件抛光试样金相组织形态图。

图2为普通铸铁和实施例2所得铸件空气中腐蚀情况对比图。

图3为普通铸铁和实施例2所得铸件自来水浸泡腐蚀情况对比图。

图4为普通铸铁和实施例2所得铸件5％NaCl水溶液浸泡腐蚀情况对比图。

图5为普通铸铁和实施例2所得铸件5％醋酸水溶液浸泡腐蚀情况对比图。

图6为实施例2所得铸件腐蚀沉积物XRD分析图。

具体实施方式

灰铸铁中一般含Ti≤0.2％，主要用于高强耐磨铸铁件，这是因为普通灰铸铁中石墨主要为A型直片状，由于Ti是强碳化物形成元素，随着合金中Ti含量的增加，大量C、N与Ti形成碳、氮化物，A型石墨数量显著减少，D型枝晶点状石墨数量及比例迅速增加，会导致铸件的塑性、韧性恶化。有实验报道，当Ti增加到0.06％时，D型石墨的数量比例增加至70％左右，当Ti增加到0.2％时，D型石墨的比例超过了95％。所以，传统灰铸铁对Ti有严格要求。为了提高灰铸铁的抗腐蚀性，通常需要进行表面处理，而本发明创造性地在低温条件下引入大于0.2％的Ti源，通过在凝固过程中的热力学条件变化下原位生成碳、氮化物的颗粒，在保证了灰铸铁力学性能的同时，提高了灰铸铁的抗腐蚀性能。

原位复合生产抗腐蚀灰铸铁的方法，具体包括如下步骤：

a.将炼铁原料加入中频感应电炉中通电熔化；

b.熔清后取样分析，将铁水温度升至1380～1420℃，加入锰铁、硅铁，控制铁水碳当量在4.2～4.5％；

c.使铁水温度下降至1280～1320℃后加入钛铁、钛硅铁中的至少一种；

d.加入保温覆盖剂，升高铁水温度至1400～1450℃；

e.待钛铁或钛硅铁完全熔化后，除渣，调整铁水温度至1380～1400℃，出炉浇铸得到抗腐蚀灰铸铁。

其中，步骤a为熔炼初期，主要是金属料的熔化，一般按具体设备操作规程进行，温度、时间没有明确要求，炼铁原料为生铁、废钢以及回收的灰铸铁件。

其中，步骤b中加入锰铁、硅铁目的是调整合金成分以及脱氧，升温的目的是为了调整合金成分以及脱氧的顺利进行。锰铁、硅铁根据炉料和设计成分选择相应铁合金牌号，锰铁可以是高碳锰铁、中碳锰铁或低碳锰铁，硅铁可以是FeSi75或其它牌号硅铁。

其中，步骤c中加入钛铁或钛硅铁使铁水的Ti含量在0.8～1.5％。

随着Ti含量的增加，Ti的碳化物、碳氮化物数量增多，灰铸铁耐腐蚀性能逐渐提高，而脆性倾向也逐步增大，铁水充型能力下降。通过试验表明，当Ti≥0.8％时，灰铸铁耐腐蚀能力成倍增强，继续增加Ti含量使Ti≥1.5％时，灰铸铁发脆，铁水充型能力显著下降。

其中，步骤c中在1280～1320℃条件下引入Ti源的原因是，Ti是活泼金属，温度越高越容易氧化，从而降低Ti的收得率。

进一步的，选择Ti含量高的钛合金，烘烤后使用，并且为了便于快速熔化并获得高的收得率，使用的钛铁或钛硅铁呈颗粒状，直径在10～20mm，投料时外包铝箔或铁皮，铁皮厚度在0.75mm适宜，而商品钛铁或钛硅铁一般是块状，需要自己破碎成颗粒状，也可以购买破碎好的颗粒状产品。

其中，保温覆盖剂的作用是减少热量散失，提高铁水升温速率，缩短熔炼时间，隔离空气，减少金属氧化，从而提高Ti收得率。加入保温覆盖剂，使其覆盖在熔融体表面，适宜厚度在5～8mm。

保温覆盖剂选择碳质保温覆盖剂，优选碳化稻壳、草木灰或碳质复合材料中的一种。

其中，步骤e中，可通过搅拌确认加入合金是否完全熔化，搅拌方式一般为人工用木棍或钢筋搅拌，出炉浇铸温度由铸造工艺确定，一般中小型中频炉铁水出炉后立即浇铸，出炉浇铸温度过高，容易引起铸件缩孔、缩松、热裂等铸造缺陷。

对于浇铸的铸型，可以选择覆膜砂型、金属型或干砂型，但不能使用潮模砂型，快速浇铸有利于充型。

本发明利用Ti的强烈影响力，在灰铸铁成分设计时，引入大量Ti，在铸造凝固过程中原位生成TiC、Ti(C，N)颗粒。原位生成的TiC、Ti(C，N)不与腐蚀介质发生电化学反应，颗粒表面没有氧化污染，与基体结合力强，弥散分布在基体中，形成复合材料结构，强化基体，能显著提高灰铸铁抗腐蚀能力。同时，因为Ti比Fe活泼，更容易与氧结合，减少Fe被电化学腐蚀数量，增强灰铸铁抗腐蚀能力。

以下通过实施例和性能测试对本发明做进一步的说明。

实施例1

按碳当量CE4.2％、Ti0.8％成分配料，将炉料加入50Kg中频炉内，通电熔化；熔清后取样化验C、Si、Mn、P和S；测温，铁水温度1400～1420℃时，加入称量好的锰铁、硅铁；搅拌熔化，降温至1300～1320℃，将准备好的钛铁(牌号FeTi30)颗粒包压入铁水内，随即加草木灰覆盖铁水表面，立即大功率升温；搅拌，合金完全熔化后除渣，调低输入功率，铁水温度降至1380℃，停电出炉浇铸。成品检验，Ti收得率为72％。

实施例2

按碳当量CE4.4％、Ti1.2％成分配料，将炉料加入150Kg中频炉内，通电熔化；熔清后取样化验C、Si、Mn、P和S；测温，铁水温度1400～1420℃时，加入称量好的锰铁、硅铁；搅拌熔化，降温至1300～1320℃，将准备好的钛铁(牌号FeTi70)颗粒包压入铁水内，随即加碳化稻壳覆盖铁水表面，立即大功率升温；搅拌，合金完全熔化后除渣，调低输入功率，铁水温度降至1400℃，停电出炉浇铸。成品检验，Ti收得率为73％。

实施例3

按碳当量CE4.5％、Ti1.5％成分配料，将炉料加入200Kg中频炉内，通电熔化；熔清后取样化验C、Si、Mn、P和S；测温，铁水温度1400～1420℃时，加入称量好的锰铁、硅铁；搅拌熔化，降温至1300～1320℃，将准备好的钛硅铁(Ti45％、Si40％)颗粒包压入铁水内，随即加碳化稻壳覆盖铁水表面，立即大功率升温；搅拌，合金完全熔化后除渣，调低输入功率，铁水温度降至1420℃，停电出炉浇铸。成品检验，Ti收得率为75％。

性能测试

1、铸件力学性能如表1所示，抗拉强度、布氏硬度与普通灰铸铁相当。

试样	抗拉强度/MPa	布氏硬度/HB
			实施例1	270	215
实施例2	265	195
			实施例3	270	200

表1

2、实施例2所得铸件抛光试样金相组织形态如图1所示，可以明显看到片状石墨和TiC、Ti(C、N)颗粒弥散分布于基体组织中。

3、空气中腐蚀情况如图2所示

取铸态试样，局部用砂轮机打磨，放置大气中10小时观察：普通灰铸铁(a)打磨处已锈蚀，实施例2所得铸件(b)打磨处仍光亮。

4、自来水浸泡腐蚀情况如图3所示

试样用树脂镶嵌，经打磨、抛光，放置100ml烧杯内，加自来水浸泡腐蚀，2.5小时后普通灰铸铁(a)严重锈蚀，实施例2所得铸件(b)近似无锈蚀。

5、5％NaCl水溶液浸泡腐蚀情况如图4所示

试样用树脂镶嵌，经打磨、抛光，放置100ml烧杯内，加5％NaCl水溶液浸泡腐蚀，普通灰铸铁(a)浸泡10分钟出现大量孔洞，浸泡2小时出现明显的黄色锈斑，严重锈蚀，而实施例2所得铸件(b)浸泡10分钟出现少量孔隙，浸泡2小时少量锈蚀。

6、5％醋酸水溶液浸泡腐蚀情况如图5所示

试样用树脂镶嵌，经打磨、抛光，放置100ml烧杯内，加5％醋酸水溶液浸泡腐蚀，普通灰铸铁(a)浸泡1小时大量气泡溢出，2.5小时后气泡呈线状溢出，并有白色沉淀产生，实施例2所得铸件(b)浸泡1小时出现少量气泡，2.5小时后气泡聚集，无白色沉淀产生。

7、腐蚀沉积物XRD分析如图6所示

将实施例2所得铸件在自来水中浸泡腐蚀20天后经溶液过滤得沉积物，将沉积物经105℃烘干后做XRD检测，谱图中没有出现明显的峰形，说明沉积物中没有钛的碳、氮化物，说明原位生成的钛的碳、氮化物与基体结合紧密，不易脱落。

对实施例1和实施例3制得的铸件做相同的性能测试，得到与实施例2近似的结果，所以由以上实施例和性能测试可以表明，本发明生产的灰铸铁抗拉强度、布氏硬度与普通灰铸铁相当，抗腐蚀性能得到明显提高，抗腐蚀性能持久，并且基体组织中均匀分布有片状石墨和TiC、Ti(C、N)颗粒。

Claims (3)

1.原位复合生产抗腐蚀灰铸铁的方法，其特征在于包括如下步骤：

a.将炼铁原料加入中频感应电炉中进行熔炼；

b.熔清后将铁水温度升至1380～1420℃，加入锰铁、硅铁脱氧和调整合金成分使铁水碳当量在4.2～4.5％；碳当量计算式是CE％＝C％+1/3Si％；

c.降低铁水温度至1280～1320℃后加入钛合金使铁水的Ti含量在0.8～1.5％，钛合金呈颗粒状，直径在10～20mm，随即加入保温覆盖剂，并升高铁水温度至1400～1450℃，覆盖剂为碳化稻壳、草木灰中的一种；

d.待钛合金完全熔化后，除渣，调整铁水温度至1380～1400℃，出炉浇铸得到抗腐蚀灰铸铁，铸造凝固过程中原位生成TiC、Ti(C，N)颗粒。

2.根据权利要求1所述的原位复合生产抗腐蚀灰铸铁的方法，其特征在于：步骤c中，所述钛合金为钛铁、钛硅铁中的至少一种。

3.根据权利要求1所述的原位复合生产抗腐蚀灰铸铁的方法，其特征在于：步骤d中，所述浇铸工艺选择覆膜砂型、金属型、干砂型中的一种，不使用潮模砂型铸造。

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