CN108950365B - 一种高韧性的球墨铸铁的制备方法 - Google Patents

一种高韧性的球墨铸铁的制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种高韧性的球墨铸铁的制备方法，包括：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，加入孕育剂孕育微观组织形态；步骤四，经历3次不同温度下的升温降温，最后然后将球墨铸铁制件置于气体冷却介质中以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。本发明中通过改进球墨铸铁的成分含量，在制备方法中通过在特定温度下进行保温、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，从而提升整体的耐冲击性能。

Description

一种高韧性的球墨铸铁的制备方法
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，具体涉及一种高韧性的球墨铸铁制件的加工方法。
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。
球墨铸铁本身在使用过程中，随着环境侵蚀的加剧，其脆性会不断增大，韧性不断降低，尤其是在使用环境容易发生变化的工况条件下，球墨铸铁制件韧性的下降尤其明显，特别是冲击韧性的大幅降低。
发明内容
为了解决所述现有技术的不足，本发明提供了一种具有高韧性的球墨铸铁的制备方法。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韧性的球墨铸铁的制备方法，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：C3.6-3.7%、Si1.6-1.9%、Mn0.55-0.60%、P≤0.02%、S≤0.02%、Cr≤0.02%、B0.015-0.023%、Mo0.3-0.5%、Cu0.7-0.9%、Mg0.02-0.03%、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1400-1450℃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1400℃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940-960℃，保温2-3h，然后将球墨铸铁制件置于气体冷却介质中以10-15K/s的冷却速度冷却至800-820℃，保温1-1.5h，然后升温至900-920摄氏度，然后将球墨铸铁制件置于气体冷却介质中以10-15K/s的冷却速度冷却至600-610℃，保温0.5-0.6h，然后升温至700-720℃，然后将球墨铸铁制件置于气体冷却介质中以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、Ni作为主要的合金添加元素，同时掺杂少量的B、Mg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。在本发明中，Cu含量需超过0.7%才会与Mo具有明显的配伍效果。
除了主合金添加元素以外，掺杂少量的B、Mg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。尤其是B的添加量须严格控制在0.015-0.023%范围内，低于0.015%对韧性提升影响不明显，而高于0.023%时，熔炼过程中B烧损明显，而且对表面硬度影响较大。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，从而提升整体的耐冲击性能。通过三次特定温度的升降使球墨铸铁内的铁素体组织形态占据绝大多数的优势，配合少量珠光体和极少的马氏体形态组织，呈现出具有优良塑性、韧性和冲击性能的特点。同时，特定温度下的升降还能够提升球墨铸铁组织中石墨球的圆整度和数量，石墨球圆整度越高、数量越多可提升球墨铸铁整体的冲击吸收功，从而有效改善冲击性能。
进一步地，步骤一中，生铁和废钢的质量比为（8.5-9）：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。
进一步地，步骤二中，所述硅铁合金颗粒粒度为1-2mm。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%。
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，所述气体冷却介质为循环低温惰性气体。
进一步地，步骤四中，所述惰性气体为氩气或者氮气。
本发明具有以下优点：
本发明中提供了一种具有高韧性特点的球墨铸铁的制备方法，本发明中通过改进球墨铸铁的成分含量，在制备方法中通过在特定温度下进行保温、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，从而提升整体的耐冲击性能。通过三次特定温度的升降使球墨铸铁内的铁素体组织形态占据绝大多数的优势，配合少量珠光体和极少的马氏体形态组织，呈现出具有优良塑性、韧性和冲击性能的特点。
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8.7：1。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，在1410-1420℃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FeSi45粉末，熔炼完成后，当原材料熔液温度测试结果超过1420℃，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的相匹配的球化剂，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0.58%的Si73Sr1.0硅锶孕育剂进行一次孕育，在1475℃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个批次的条状球墨铸铁制件，制件长度为20cm，厚度为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950保温2h，然后将球墨铸铁制件置于冷却氩气中以15K/s的冷却速度冷却至800℃，保温1.5h，然后升温至910℃，然后将球墨铸铁制件置于冷却氩气中以15K/s的冷却速度冷却至600℃，保温0.5h，然后升温至720℃，然后将球墨铸铁制件置于冷却氩气中以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。这里所使用的冷却氩气为流动的氩气气流，通过控制气流流动的速度来控制降温速率。在该步骤中，使用惰性气流进行降温可有效防止球墨铸铁表面氧化，使用氩气气流优于氮气气流。
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条状制件采用相同的测试方法得到的测试结果，结果如下：
Figure 316671DEST_PATH_IMAGE003
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和硬度均高于同类型现有球墨铸铁，而且冲击韧性是现有球墨铸铁的2-3倍。本发明通过改进球墨铸铁的成分含量，在制备方法中通过在特定温度下进行保温、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，从而提升整体的耐冲击性能。通过三次特定温度的升降使球墨铸铁内的铁素体组织形态占据绝大多数的优势，配合少量珠光体和极少的马氏体形态组织，呈现出具有优良塑性、韧性和冲击性能的特点。
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 (5)

1.一种高韧性的球墨铸铁的制备方法，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：C3.6-3.7%、Si1.6-1.9%、Mn0.55-0.60%、P≤0.02%、S≤0.02%、Cr≤0.02%、B0.015-0.023%、Mo0.3-0.5%、Cu0.7-0.9%、Mg0.02-0.03%、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，所述生铁和废钢的质量比为（8.5-9）：1；球化剂采用FeSiMg8Re7，所述球化剂的添加量为原材料总质量的1.2%；
步骤二，将原材料利用中频感应炉熔炼，在1400-1450℃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，所述硅铁合金颗粒粒度为1-2mm；当原材料熔液温度超过1400℃后立即冲入74-76%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，所述孕育剂颗粒粒度为0.1-0.5mm；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940-960℃，保温2-3h，然后将球墨铸铁制件置于气体冷却介质中以10-15K/s的冷却速度冷却至800-820℃，保温1-1.5h，然后升温至900-920摄氏度，然后将球墨铸铁制件置于气体冷却介质中以10-15K/s的冷却速度冷却至600-610℃，保温0.5-0.6h，然后升温至700-720℃，然后将球墨铸铁制件置于气体冷却介质中以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。
2.如权利要求1所述高韧性的球墨铸铁的制备方法，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。
3.如权利要求1所述高韧性的球墨铸铁的制备方法，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。
4.如权利要求1所述高韧性的球墨铸铁的制备方法，其特征在于：步骤四中，所述气体冷却介质为循环低温惰性气体。
5.如权利要求4所述高韧性的球墨铸铁的制备方法，其特征在于：步骤四中，所述惰性气体为氩气或者氮气。
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