CN108642368B

CN108642368B - 一种铸态高强韧合成球墨铸铁qt800-5及其制备方法

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Publication number: CN108642368B
Application number: CN201810391729.4A
Authority: CN
Inventors: 范晓明; 张运权; 刘熠杰; 文红艳; 熊映
Original assignee: Wuhan University of Technology WUT
Current assignee: Wuhan University of Technology WUT
Priority date: 2018-04-27
Filing date: 2018-04-27
Publication date: 2020-06-19
Anticipated expiration: 2038-04-27
Also published as: CN108642368A

Abstract

本发明提供一种铸态高强韧合成球墨铸铁QT800‑5，包括如下组分及其质量百分数：C：3.70％～3.95％、Si：3.3％～3.5％、Mn≤0.2％、P≤0.035％、S≤0.02％、Cu：0.5％～0.7％、Ni：0.55％～0.75％、Mg_残：0.035％～0.065％，余量为Fe及微量元素，其制备方法包括如下步骤：配料及熔炼；合金化；预处理和球化处理；孕育处理及浇注。本发明采用废钢增碳在中频感应炉中熔炼原铁液，加入硅铁、阴极铜进行合金化，合金化元素镍由球化剂带入，然后进行预处理、球化处理和孕育处理，最后浇注，产品具有强度高、塑韧性好、综合性能优良等性能。

Description

一种铸态高强韧合成球墨铸铁QT800-5及其制备方法

技术领域

本发明涉及高性能金属材料制造技术领域，具体涉及一种铸态高强韧合成球墨铸铁QT800-5及其制备方法。

背景技术

球墨铸铁因其低廉的成本，优良的综合性能，在工程领域应用广泛，并保持着持续稳定的发展和増长。以球墨铸铁件替代冲焊件、铸钢件，可带来成本降低、结构稳定、刚度提升等诸多优势，但亦对球墨铸铁的综合性能提出了更高要求，而其中又以疲劳强度为最重要的指标。较高的强度配合较高的伸长率常常可以得到最佳的疲劳性能。因而，高疲劳强度球墨铸铁材质的开发，特别是在铸态下实现，是现今工业界，尤其是重型车零部件等领域的一个重要研究方向。

铸态合成球铁是指不用新生铁，只用废钢和回炉料等材料，采用增碳的方法来调节碳量且不需热处理而生产球墨铸铁件。由于我国工业体系庞大，钢铁用量巨大，因而工业废钢资源十分充足，用废钢增碳的方法合成球铁，变废为宝，可实现资源的循环利用，大量节约资源；废钢所含杂质元素较少，用废钢合成球铁，熔炼出的铁液质量好，材质均匀性好，且力学性能及加工性能更加优良，对提高球铁性能较为有利。同时，当球墨铸铁铸态性能能够达到技术要求，就不再需要进行热处理了，这样将会大大缩短生产周期、减少人力物力、节约能源，同时也对球铁的生产技术提出了更高的要求。现行国家标准(GB/T 1348—2009)规定的球墨铸铁牌号中，抗拉强度为800MPa时伸长率为2％，而且还常常需要热处理。随着社会的发展，这种标准已经很难满足人们的使用需求了。因此，以废钢等原材料为主要原料，通过增碳合成球墨铸铁，并在铸态的基础上提高球铁的性能将是球铁发展的必然趋势，而开发铸态高性能球铁必将是未来球铁发展领域的热点。

也正因为球墨铸铁强度高，塑韧性好，抗冲击性能优良，很多传统行业中使用的铸钢件、锻件现在都改成球墨铸铁来生产。

中国专利CN102230122A公开了一种球墨铸铁的生产方法，属于高强韧球铁的领域，所述QT600-10的各元素质量百分比为：C：3.4％～3.9％，Si：2.2％～2.8％，Mn≤0.45％，P≤0.03％，S≤0.02％，Cr≤0.02％，Ni≤0.02％，Cu≤0.35％，Mo≤0.01％，Sn≤0.02％，Sb≤0.005％。该发明的球墨铸铁生产方法，在保持原有抗拉强度600MPa以上的基础上，材料的塑韧性大幅提高，且铸造成本较低；但是该发明所制备的QT600-10不能满足对材料更高强度的要求。中国专利CN104388810A公开了一种铸态球墨铸铁QT700-4的制备方法，包括熔炼、化学成分的调整及合金化、球化和孕育处理、浇注等。其抗拉强度和伸长率也不适用于更高强度及综合性能的材质要求。中国专利CN106435337A公开了一种球墨铸铁及其制备方法，球墨铸铁的抗拉强度>750MPa，屈服强度约560MPa，断后延伸率达到7.5％以上。但是，强度仍然难以适于更高疲劳强度及综合性能的材质要求。

发明内容

本发明的目的是提供一种铸态高强韧合成球墨铸铁QT800-5及其制备方法，采用废钢增碳在中频感应炉中熔炼原铁液，加入硅铁、阴极铜进行合金化，合金化元素镍由球化剂带入，然后进行预处理、球化处理和孕育处理，最后浇注，产品具有强度高、塑韧性好、综合性能优良等性能。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：

一种铸态高强韧合成球墨铸铁QT800-5，包括如下组分及其质量百分数：C：3.70％～3.95％、Si：3.3％～3.5％、Mn≤0.2％、P≤0.035％、S≤0.02％、Cu：0.5％～0.7％、Ni：0.55％～0.75％、Mg_残：0.035％～0.065％，余量为Fe及微量元素。

一种铸态高强韧合成球墨铸铁QT800-5的制备方法，包括如下步骤：

(1)配料及熔炼：在中频感应炉中加入增碳剂、废钢、原料纯铁、球铁回炉料，升温至1540-1560℃进行熔炼，得到原铁液；

(2)合金化：向原铁液中加入硅铁、阴极铜，继续熔炼，将原铁液含硅量调整为1.7％～1.9％、铜含量调整为0.5％～0.7％；

(3)预处理和球化处理：先后对步骤(2)得到的铁液通过加入预处理剂进行预处理、加入球化剂进行球化处理；

(4)孕育处理及浇注：在浇包内放入孕育剂，将调整Si含量的多余的硅铁加入浇包，再将步骤(3)所得的铁液倒入浇包进行包内冲入法孕育；搅拌均匀后静置1～2min；撇渣浇注后自然冷却，即得成品。

根据以上方案，所述增碳剂为低硫煅烧石油焦石墨化增碳剂，加入方式为压底加入法、粒度为3～5mm、碳含量为99.9％以上；所述低硫煅烧石油焦石墨化增碳剂中碳含量大于或等于99.7wt％、硫含量小于或等于0.03wt％、灰分含量小于或等于0.20wt％、水分含量小于或等于0.02wt％。

根据以上方案，所述废钢、原料纯铁、球铁回炉料的质量比为20～30:50～60:10～20。

根据以上方案，所述废钢为45#钢，所用原料纯铁为低硫低锰原料纯铁，所述低硫低锰原料纯铁中硫元素与锰元素的质量含量分别小于或等于0.02％、0.07％。

根据以上方案，所述预处理剂、球化剂、孕育剂的加入量分别为原铁液质量的0.3％～0.4％、0.8％～1.0％、0.2％～0.4％。

根据以上方案，所述预处理和球化处理均采用钟罩法，所述预处理剂包括如下组分及其质量分数：64.69％Si、1.39％Ca、1.18％Al、9.11％Ba、余量为Fe，粒度为2～6mm，预处理温度为1480℃；所述球化剂为镍镁球化剂，粒度为5～20mm，球化温度为1460℃，球化处理后铁液含合金化元素Ni为0.65％～0.75％。

根据以上方案，所述孕育剂为硅钙孕育剂，粒度为1～3mm。

增碳剂的原料有很多种，生产工艺也各异，有木质碳类，煤质碳类，焦炭类，石墨类等。在铸造生产中，目前应用最多的增碳剂主要有两大类：石墨化增碳剂和非石墨化增碳剂。石墨化增碳剂主要有废石墨电极、石墨压块、沥青焦、低硫煅烧石油焦、中硫煅烧石油焦和煅烧无烟煤等。非石墨化增碳剂主要有沥青焦、煅烧石油焦、煅烧无烟煤等。其中，石油焦增碳剂生产过程：石油焦是精炼原油得到的副产品，原油经常压蒸馏或减压蒸馏得到的渣油及石油沥青，都可以作为制造石油焦的原料，再经焦化后就得到生石油焦。石油焦的煅烧，是为了除去硫、水分、和挥发分。将生石油焦于1200～1350℃煅烧，可以使其成为基本上纯净的碳。由于制备球铁时需要S含量低，所以使用的增碳剂必须是低S、低N的优质增碳剂，且利于铁液吸收。所以，本发明选用的增碳剂为低硫煅烧石油焦优质石墨化增碳剂。

为使材料抗拉强度达到800MPa以上，必须适当提高孕育效果，增加并细化石墨球，适当提高硅的含量，起到固溶强化作用，因此本发明将硅的含量控制在3.3％～3.5％。

锰是稳定珠光体的元素，可以提高球墨铸铁的强度和硬度，但是它有严重的正偏析倾向，严重时会促使形成晶间碳化物，显著降低球墨铸铁的韧性，因此本发明将锰的含量控制在0.2％以下。原铁液将Si含量调整至1.7％～1.8％，其他用于调整Si含量的硅铁均放于浇包中冲入熔化。

磷在球墨铸铁中有严重的偏析倾向，易在晶间形成磷共晶，严重降低球墨铸铁的塑性、韧性和强度，增加缩松倾向，因此本发明将磷的含量严格控制P≤0.035％。

硫在球墨铸铁中结合球化元素镁、稀土生成硫化物或硫的氧化物，造成球化不稳定，而且还使夹杂物数量增多，导致铸件产生缺陷，造成球化衰退速度加快，在球化处理前应对原铁液的含硫量加以控制。但过低的硫降低了结晶核心，不利于石墨球数的提高，因此本发明将硫的含量严格控制0.02％以下。

为了有效控制珠光体含量，促进石墨化，减少或消除游离渗碳体的形成，细化珠光体，强化基体组织，提高基体强度和硬度，改善铸件断面组织均匀性，改善石墨球的形状和增加石墨球数，本发明在材料中加入0.5％～0.7％的铜、0.55％～0.75％的镍。

为了保证球化效果，Mg_残应为0.035％～0.065％，否则，出现球化不良或过球化现象。

本发明的有益效果是：

1)本发明采用废钢和原料纯铁增碳工艺在铸态条件下实现高强韧球铁QT800-5的制备，充分利用废钢资源，降低生产成本，简化生产工艺及后续热处理过程，提高了经济效益；

2)本发明通过一定量硅、铜、镍等合金元素的共同作用，使铁素体得到固溶强化、细化珠光体的片层间距，从而保证得到高强度的同时维持较高的伸长率，产品的主要组织为65％～85％珠光体和35％～15％铁素体，抗拉强度为810～830MPa，伸长为5％～8％；

3)球化效果良好，球化率为85％以上，石墨球圆整度好，石墨球数多，铸态下珠光体和铁素体含量分布均匀，适合作为汽车零部件、高铁零部件等材料；

4)本发明在熔炼炉内球化处理前加入适量的预处理剂对铁液进行预处理，在球化反应前，通过加入预处理剂，将铁液中的O/S控制在较低和稳定的水平，并形成稳定的形核质点，为球化反应提供良好的条件；而且因为形成了大量的稳定的形核质点，大大降低了铁液的过冷度，从而为降低球化剂用量，增加单位面积石墨球数、提高球化率，含Ba长效孕育避免孕育衰退带来的不良影响；

5)本发明的孕育处理使石墨球圆整、细小、均匀，改善球化状况，保证孕育效果，实验结果证明，该方法既能够稳定地将球墨铸铁的抗拉强度维持在800MPa以上，又能使断后伸长率超过5％。

附图说明

图1是本发明实施例1的石墨金相图；

图2是本发明实施例2的基体金相图。

具体实施方式

下面结合附图与实施例对本发明的技术方案进行说明。

实施例1，见图1：

本发明提供一种铸态高强韧合成球墨铸铁QT800-5，包括如下组分及其质量百分数：C：3.76％、Si：3.35％、Mn：0.197％、P:0.022％、S：0.016％、Ni：0.714％、Cu：0.633％、Mg_残：0.059％，Fe：91.164％，其他微量元素：余量。

一种铸态高强韧合成球墨铸铁QT800-5的制备方法(采用100Kg中频感应炉熔炼)，包括如下步骤(百分数均为质量分数)：

(1)配料及熔炼：在中频感应炉中加入3.6％增碳剂、27.1％废钢(45#钢)、59.3％的低硫低锰原料纯铁、10％的球铁回炉料，升温至1550℃进行熔炼，得到原铁液；

(2)合金化：向原铁液中加入其质量3％的75硅铁、0.6％的阴极铜，继续熔炼；

(3)预处理和球化处理：采用钟罩法先后对步骤(2)得到的铁液进行预处理和球化处理，其中预处理剂的用量为0.35％，球化剂的用量为0.97％。此时，铁液含镍量为0.714％；

(4)孕育处理及浇注：在浇包内放入原铁液质量0.38％的孕育剂，将调整Si含量的多余的75硅铁加入浇包，再将步骤(3)所得的铁液倒入浇包进行包内冲入法孕育；搅拌均匀后静置1.5min；撇渣浇注后自然冷却，即得成品。

进一步地，所述增碳剂的加入方式为压底加入法、粒度为3～5mm、碳含量为99.9％以上；所述预处理剂包括如下组分及其质量分数：64.69％Si、1.39％Ca、1.18％Al、9.11％Ba、余量为Fe，粒度为2～6mm，预处理温度为1480℃；所述球化剂为镍镁球化剂，粒度为5～20mm，球化温度为1460℃。

所述增碳剂为低硫煅烧石油焦优质石墨化增碳剂，生产厂家是卓瑞石墨进出口(上海)有限公司型号为9012S，具体成分见表1(商业化产品)：

表1增碳剂的具体成分(质量分数，wt.％)

元素

碳

硫

灰分

水分

氮

氢

氧

含量

≥99.7

≤0.03

≤0.30

≤0.20

≤0.018

≤0.012

≤0.072

对本实施产品进行检测，结果为：基体组织为70％珠光体+30％铁素体，球化等级1级，石墨球大小为6级(见图1)，抗拉强度818.1MPa，屈服强度486.1MPa，断后伸长率为8.25％。

实施例2，见图2：

本发明提供一种铸态高强韧合成球墨铸铁QT800-5，包括如下组分及其质量百分数：C：3.942％、Si：3.423％、Mn：0.173％、P:0.030％、S：0.016％、Ni：0.738％、Cu：0.623％、Mg_残：0.065％，Fe：90.834％，其他微量元素：余量。

(1)配料及熔炼：在中频感应炉中加入3.2％增碳剂、27.9％废钢(45#钢)、56.9％的低硫低锰原料纯铁、10％的球铁回炉料，升温至1550℃进行熔炼，得到原铁液；

(2)合金化：向原铁液中加入其质量3.4％的75硅铁、0.62％的阴极铜，继续熔炼；

(3)预处理和球化处理：采用钟罩法先后对步骤(2)得到的铁液进行预处理和球化处理，其中预处理剂的用量为0.36％，球化剂的用量为0.93％。此时，铁液含镍量为0.738％；

(4)孕育处理及浇注：在浇包内放入原铁液质量0.36％的孕育剂，将调整Si含量的多余的75硅铁加入浇包，再将步骤(3)所得的铁液倒入浇包进行包内冲入法孕育；进行适当搅拌，静置2min；撇渣浇注后自然冷却，即得成品。

对本实施产品进行检测，结果为：基体组织为70％珠光体+30％铁素体(见图2)，球化等级2级，石墨球大小为7级，抗拉强度810.9MPa，屈服强度488.1MPa，断后伸长率为5.85％。

以上实施例仅用以说明而非限制本发明的技术方案，尽管上述实施例对本发明进行了详细说明，本领域的相关技术人员应当理解：可以对本发明进行修改或者同等替换，但不脱离本发明精神和范围的任何修改和局部替换均应涵盖在本发明的权利要求范围内。

Claims

1.一种铸态高强韧合成球墨铸铁QT800-5的制备方法，其特征在于，球墨铸铁QT800-5包括如下组分及其质量百分数：C：3.70%~3.95%、Si：3.3%~3.5%、Mn≤0.2%、P≤0.035%、S≤0.02%、Cu：0.5%~0.7%、Ni：0.55%~0.75%、Mg_残：0.035%~0.065%，余量为Fe及微量元素；

其制备方法包括如下步骤：

（1）配料及熔炼：在中频感应炉中加入增碳剂、废钢、原料纯铁、球铁回炉料，升温至1540-1560℃进行熔炼，得到原铁液；

（2）合金化：向原铁液中加入硅铁、阴极铜，继续熔炼；

（3）预处理和球化处理：先后对步骤（2）得到的铁液通过加入预处理剂进行预处理、加入球化剂进行球化处理；

（4）孕育处理及浇注：在浇包内放入孕育剂，将调整Si含量的多余的硅铁加入浇包，再将步骤（3）所得的铁液倒入浇包进行包内冲入法孕育；搅拌均匀后静置1~2 min；撇渣浇注后自然冷却，即得成品；

所述的一种铸态高强韧合成球墨铸铁QT800-5，其主要组织为65%～85%珠光体和35%～15%铁素体，抗拉强度为810～830MPa，伸长为5%～8%；

所述废钢、原料纯铁、球铁回炉料的质量比为20~30:50~60:10~20；

所述预处理剂、球化剂、孕育剂的加入量分别为原铁液质量的0.3%~0.4%、0.8%~1.0%、0.2%~0.4%；

所述预处理和球化处理均采用钟罩法，所述预处理剂包括如下组分及其质量分数：64.69%Si、1.39%Ca、1.18%Al、9.11%Ba、余量为Fe，粒度为2~6mm，预处理温度为1480℃；所述球化剂为镍镁球化剂，粒度为5~20mm，球化温度为1460℃；

所述孕育剂为硅钙孕育剂，粒度为1~3mm。

2.根据权利要求1所述的铸态高强韧合成球墨铸铁QT800-5的制备方法，其特征在于，所述增碳剂为低硫煅烧石油焦石墨化增碳剂，加入方式为压底加入法、粒度为3~5mm、碳含量为99.9%以上；所述低硫煅烧石油焦石墨化增碳剂中碳含量大于或等于99.7wt%、硫含量小于或等于0.03wt%、灰分含量小于或等于0.20wt%、水分含量小于或等于0.02wt%。

3.根据权利要求1所述的铸态高强韧合成球墨铸铁QT800-5的制备方法，其特征在于，所述废钢为45#钢，所用原料纯铁为低硫低锰原料纯铁，所述低硫低锰原料纯铁中硫元素与锰元素的质量含量分别小于或等于0.02%、0.07%。