CN108950364B

CN108950364B - 一种高耐磨球墨铸铁制件的制备方法

Info

Publication number: CN108950364B
Application number: CN201810763747.0A
Authority: CN
Inventors: 叶展亮
Original assignee: Foshan City High Ball Mil Iron Co Ltd
Current assignee: Foshan City High Ball Mil Iron Co Ltd
Priority date: 2018-07-12
Filing date: 2018-07-12
Publication date: 2020-01-24
Anticipated expiration: 2038-07-12
Also published as: CN108950364A

Abstract

本发明公开了一种高耐磨球墨铸铁制件的制备方法，包括如下步骤：步骤一，设计球墨铸铁的化学成分；步骤二，将原材料利用中频感应炉熔炼；步骤三，一次孕育，然后出炉进行浇注制成球墨铸铁制件；步骤四，将得到的球墨铸铁制件冷却后再重复加热至980‑1000℃，保温，然后降温至880‑890℃，保温，然后降温至750‑760℃，保温，然后将球墨铸铁制件置于冷却介质中以10‑15K/s的冷却速度冷却至500℃后在大气环境中自然冷却至室温。本发明中的球墨铸铁制件的铸态组织为珠光体和铁素体为主，制件表面还包含少量针状马氏体，球墨铸铁制件表面耐磨性比普通球墨铸铁制件提升10%以上，球墨铸铁制件表面粗糙度低，其制备方法具有近终铸造的特点，产出的制件无需进行多项加工即可出货。

Description

一种高耐磨球墨铸铁制件的制备方法

技术领域

本发明属于合金材料领域，具体属于球墨铸铁材料领域，具体涉及一种高耐磨球墨铸铁制件的制备方法。

背景技术

铸铁是一种铁碳合金，其特征为含碳量高，碳元素的质量百分含量大于2%，还含有较多的硅、锰、磷、硫等杂质元素。摊在铸铁中大部分以碳化物或者游离态的石墨存在，还有极少量固溶于铁素体。铸铁中的石墨晶格类型为简单六方晶格，其基面中的原子间距为0.142nm，结合力较强，但是两基面之间的面间距是0.340nm，结合力弱，因此石墨的基面很容易滑动，其强度、硬度、塑性和任性极地，常以片状形态存在。球墨铸铁中的石墨是球状的，强度和韧性高于灰铸铁等其他铸铁，同时具有优异的铸造性、高的阻尼性、好的切削加工性，并且与性能相近的钢铁相比，具有相对低廉的价格，因此在工业中获得了广泛的应用，如曲轴、凸轮轴、热轧辊等耐磨件往往采用球墨铸铁制造，在制造业中的用量位居所有金属材料的第二位。

球墨铸铁也叫延性铸铁，其中的石墨扮演止裂器的的角色，使其具有优异的人性和延性。球墨铸铁的多样性使其适合更多的应用，被认为是钢的替代品，但是由于球状石墨镶嵌在铁基体中，使得铁基体的强度不连续，而且在冲击载荷下球状石墨为裂纹源，容易造成基体的开裂。由于石墨是一种软基相，用于铸铁制造的零部件往往耐磨性较差，石墨相的存在使应力容易集中产生集屑瘤，铸铁表面的石墨相裸露在空气、润滑油等介质中，会产生碳化腐蚀，因此为了提升球墨铸铁表面的强韧性和耐磨性，表面的石墨相必须去除，但是在现有技术中，一旦对球墨铸铁进行相变硬化处理，进行改变其组织形态，使其变成细针状的马氏体，而不能改变石墨的形态，对石墨铸铁宏观的硬度以及耐磨性的提升尚显不足。

发明内容

为了解决所述现有技术的不足，本发明提供了一种高耐磨性的球墨铸铁制件的制备方法。本发明所要达到的技术效果通过以下方案实现：

本发明中提供的一种高耐磨球墨铸铁制件的制备方法，包括如下步骤：

步骤一，设计球墨铸铁的化学成分及质量百分比为：C3.7-3.85%、Si1.6-1.9%、Mn0.55-0.60%、P≤0.07%、S≤0.02%、Cr≤0.06%、B0.005-0.008%、Mo0.3-0.5%、Cu0.3-0.6%、Zr0.02-0.03%、Hf0.02-0.03%、W1-2%、Ni1.0-1.15%、V0.03-0.045%，余量为铁以及不能避免的杂质；所述球墨铸铁的原材料主要采用生铁和废钢，其余的采用钼铁、紫铜、锰铁、钒铁；球化剂采用FeSiMg8Re7，加入量为原材料总质量的1.0-1.3%；

步骤二，将原材料利用中频感应炉熔炼，在1475-1500℃条件下将原材料熔炼成熔液；采用冲入法处理，将浇包烘干后，把球化剂放入浇包内，表面覆盖硅铁合金，当原材料熔液温度超过1475℃后立即冲入70-80%的熔液至浇包内，至球化反应完成后再冲入剩余的原材料熔液；

步骤三，待步骤二完成后，加入占原材料质量0.55-0.60%的孕育剂进行一次孕育，在1450-1480℃条件下出炉进行浇注，浇注温度为1380-1400℃，制成球墨铸铁制件；

步骤四，将得到的球墨铸铁制件冷却后再重复加热至980-1000℃，保温2-3h，然后降温至880-890℃，保温1-1.5h，然后降温至750-760℃，保温0.5-0.6h，然后将球墨铸铁制件置于冷却介质中以10-15K/s的冷却速度冷却至500℃后在大气环境中自然冷却至室温。

本发明从球墨铸铁的化学成分出发，首先对球墨铸铁的成分进行适应性调配。为了得到合适的球磨铸铁组织，必须选择则合适的元素进行添加。本发明中选择Si、Mn、Mo、Cu、W、Ni作为主要的合金添加元素，同时掺杂少量的B、Zr、Hf和V，进一步地，控制P、S、Cr的含量。本发明中的主合金添加元素中，适量的Si和Ni能够共同影响球墨铸铁熔炼过程中石墨化的进程，能够降低奥氏体转变的临界温度，扩大奥氏体区，还可以降低共析点的含碳量，具有强烈稳定和细化珠光体的作用。Cu在共晶转变时能够促进石墨化，降低奥氏体转变的临界温度，促进珠光体的形成，对减少或者消除游离渗碳体的形成有利，提升球墨铸铁的韧性，Mo则能够明显细化珠光体，提升球墨铸铁的强度和淬透性，Cu和Mo的配合添加能够同时强化和细化珠光体以及珠光体中的铁素体，因此使得球墨铸铁的强度和硬度均有明显提升。W的添加能够有效提升球墨铸铁的表面硬度。掺杂少量的B和V从实际生产中可明显看出，少量的B和V固溶至球墨铸铁的微观结构中，能够提升球墨铸铁的耐磨性和淬透性，但是添加量不宜过量，否则对球墨铸铁的综合力学性能产生不良影响，会使宏观韧性呈现断崖式下降。Zr原子融合性好，能够与Fe在微观形态上形成紧密的结构，Hf为Zr的同族元素，与Zr具有相类似的原子形态和电性，进一步促进了上述紧密微观形态的构成，从而进一步提升了球墨铸铁微观形态进一步细化，从而影响宏观的力学性能，提升球墨铸铁表面光滑程度和耐磨性能。本发明中球墨铸铁的化学成分须严格进行控制，由于最终微观结构的形成是多种添加元素互相作用同时加上控制P、S、Cr等杂质元素所产生的协同结果，单一添加元素或者多种添加元素含量的改变势必会非常严重影响球墨铸铁的微观结构，从而影响制成的球墨铸铁制件的力学性能。

在球墨铸铁制件的制备过程中须严格控制熔炼温度，包括出炉温度和浇注温度，步骤四中，通过在特定温度下（特定温度对应的是特定的微观结构）进行保温、降温的过程，促进能够提升表面硬度的微观组织的生长，最后在以10-15K/s的冷却速度冷却至500℃后在大气环境中自然冷却至室温，获得最佳表面状态，从而提升表面耐磨性。

本发明中的球墨铸铁还具有表面光滑程度非常好的特点，本发明中提供的铸造方法可以看作球墨铸铁制件的近终铸造，制成的铸件仅通过少量的修整或者不需要进行修整即可验收使用。

进一步地，步骤一中，生铁和废钢的质量比为（7-8）：1。控制原料生铁和废钢的比例一方面有效控制球墨铸铁的组成，另一方面控制铸铁的生产成本。

进一步地，步骤一中，球化剂的添加量为原材料总质量的1.2%。

进一步地，步骤二中，所述硅铁合金为FeSi90Al1.5、FeSi75Al0.5-A、FeSi75Al0.5-B、FeSi75Al1.5-A、FeSi75Al1.5-B、FeSi65、FeSi45中的一种或者多种。本发明中球墨铸铁熔炼过程中的覆盖层优选硅铁合金，硅铁合金和氧气之间的化学亲和力很大，是非常好的扩散脱氧剂，能够显著提升球墨铸铁的强度和硬度。

进一步地，步骤二中，一次熔液冲入量为74-76%。一次熔液冲入量与二次熔液冲入量需严格进行设定，使球化反应量在工艺控制的范围内进行。

进一步地，步骤三中，所述孕育剂为CBSALLOY孕育剂、INOFSBA-A锑硅孕育剂、Si73Sr1.0硅锶孕育剂、Si73Sr1.5硅锶孕育剂中的一种。

进一步地，步骤三中，所述孕育剂颗粒粒度为0.1-0.5mm。

进一步地，步骤四中，所述冷却介质为水溶性冷却介质。

进一步地，步骤四中，所述水溶性冷却介质为饱和氯化钠溶液、饱和碳酸钠溶液、饱和碳酸氢钠溶液中的一种。水溶性冷却介质能够快速给球墨铸铁降温，同时即使是直接接触也不会给球墨铸铁表面带来有机残留，从而避免对表面产生不利影响。

本发明具有以下优点：

本发明中提供了一种具有高耐磨性的球墨铸铁制件的加工方法，本发明中的球墨铸铁制件的铸态组织为珠光体和铁素体为主，制件表面还包含少量针状马氏体，球墨铸铁制件表面耐磨性比普通球墨铸铁制件提升10%以上，球墨铸铁制件表面粗糙度低，其制备方法具有近终铸造的特点，产出的制件无需进行多项加工即可出货。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明进行详细的说明。

首先，利用生铁和废钢作为原材料，其余添加材料采用钼铁、紫铜、锰铁、钒铁来进行球墨铸铁的铸造，上述原材料均采用市售材料，其中生铁和废钢的质量比为8：1。具体球墨铸铁制件的铸造方法如下：

①根据成分设计选用相对应的原材料，利用中频感应炉熔炼（本实施例中采用的是低于50kg的小批量试验，故采用中频感应炉熔炼即可，在实际生产过程中可根据批量生产的需要选择感应炉频率），在1475-1500℃条件下将原材料熔炼成熔液（实时温控，熔炼温度控制于该范围内即可）；采用冲入法处理，将浇包烘干后，把球化剂放入浇包内，表面覆盖颗粒平均粒度为1mm的硅铁合金FeSi75Al1.5-A粉末，熔炼完成后，当原材料熔液温度测试结果超过1475℃，则立即冲入75%的熔液至浇包内，至球化反应完成后再冲入剩余的原材料熔液。

该步骤中，球化剂采用FeSiMg8Re7，加入量为原材料总质量的1.2%。在该步骤中，球化剂也可采用其他市售相匹配的球化剂，加入量也可根据实际情况的变化进行适应性的调整。硅铁合金的种类和用量也同样可根据实际情况进行适应性的调节，优选FeSi90Al1.5、FeSi75Al0.5-A、FeSi75Al0.5-B、FeSi75Al1.5-A、FeSi75Al1.5-B、FeSi65、FeSi45中的一种或者多种皆可。

②上一步骤完成后，加入占原材料质量0.60%的Si73Sr1.0硅锶孕育剂进行一次孕育，在1470℃条件下出炉进行浇注，浇注温度为1400℃，制成球墨铸铁制件。该步骤中所使用的孕育剂颗粒粒度为0.1mm。

上述球墨铸铁之间的制造方法中，以专业词汇提供的工艺步骤为现有技术，如“冲入法”，为现有技术中对铸铁加工工艺的描述，由于现有技术并不作为本发明中的发明点，故在此不加赘述，但不应以此作为本发明缺少必要技术特征描述的依据。

利用上述铸造方法制备出10个批次的圆柱状球墨铸铁制件，制件长度为10cm，直径为2cm。利用氧氮分析仪和ICP发射光谱仪进行元素含量测定结果如下（测试结果为对应元素的质量百分比）：

上述球墨铸铁制件制备完成后进行下一步处理，处理具体工艺为：

将得到的球墨铸铁制件冷却后再重复加热至1000保温2h，然后降温至880保温1.5h，然后降温至750℃，保温0.6h，然后将球墨铸铁制件置于饱和氯化钠水溶液中以15K/s的冷却速度冷却至500℃后在大气环境中自然冷却至室温。

上述球墨铸铁制件中，每批次产品各制备100PCS，然后每批次中随机抽取5PCS进行力学性能的测试然后取平均值，其中对比例为普通球墨铸铁制成的同样尺寸的柱状制件采用相同的测试方法得到的测试结果，结果如下：

由上述测试结果可知，本发明实施例中的球墨铸铁抗拉强度略高于现有技术中类似成分组成的球墨铸铁，表面硬度和耐磨性提升了超过10%，球墨铸铁制件表面粗糙度低，其制备方法具有近终铸造的特点，产出的制件无需进行多项加工即可出货。

最后需要说明的是，以上实施例仅用以说明本发明实施例的技术方案而非对其进行限制，尽管参照较佳实施例对本发明实施例进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解依然可以对本发明实施例的技术方案进行修改或者等同替换，而这些修改或者等同替换亦不能使修改后的技术方案脱离本发明实施例技术方案的范围。

Claims

1.一种高耐磨球墨铸铁制件的制备方法，其特征在于包括如下步骤：

步骤一，设计球墨铸铁的化学成分及质量百分比为：C3.7-3.85%、Si1.6-1.9%、Mn0.55-0.60%、P≤0.07%、S≤0.02%、Cr≤0.06%、B0.005-0.008%、Mo0.3-0.5%、Cu0.3-0.6%、Zr0.02-0.03%、Hf0.02-0.03%、W1-2%、Ni1.0-1.15%、V0.03-0.045%，余量为铁以及不能避免的杂质；所述球墨铸铁的原材料主要采用生铁和废钢，其余的采用钼铁、紫铜、锰铁、钒铁；球化剂采用FeSiMg8Re7，加入量为原材料总质量的1.0-1.3%，生铁和废钢的质量比为（7-8）：1；

2.如权利要求1所述高耐磨球墨铸铁制件的制备方法，其特征在于：步骤一中，球化剂的添加量为原材料总质量的1.2%。

3.如权利要求1所述高耐磨球墨铸铁制件的制备方法，其特征在于：步骤二中，所述硅铁合金为FeSi90Al1.5、FeSi75Al0.5-A、FeSi75Al0.5-B、FeSi75Al1.5-A、FeSi75Al1.5-B、FeSi65、FeSi45中的一种或者多种。

4.如权利要求1所述高耐磨球墨铸铁制件的制备方法，其特征在于：步骤二中，一次熔液冲入量为74-76%。

5.如权利要求1所述高耐磨球墨铸铁制件的制备方法，其特征在于：步骤三中，所述孕育剂为CBSALLOY孕育剂、INOFSBA-A锑硅孕育剂、Si73Sr1.0硅锶孕育剂、Si73Sr1.5硅锶孕育剂中的一种。

6.如权利要求1所述高耐磨球墨铸铁制件的制备方法，其特征在于：步骤三中，所述孕育剂颗粒粒度为0.1-0.5mm。

7.如权利要求1所述高耐磨球墨铸铁制件的制备方法，其特征在于：步骤四中，所述冷却介质为水溶性冷却介质。

8.如权利要求1所述高耐磨球墨铸铁制件的制备方法，其特征在于：步骤四中，所述水溶性冷却介质为饱和氯化钠溶液、饱和碳酸钠溶液、饱和碳酸氢钠溶液中的一种。