CN109112390A - 一种低合金高强度灰铸铁及其制备工艺 - Google Patents

一种低合金高强度灰铸铁及其制备工艺 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种低合金高强度灰铸铁，含有以下质量分数的化学成分：C：2.95‑3.4％、Si：1.95‑2.15％、S：0.05‑0.1％、Mn：0.30‑0.6％、Cu：0.2‑0.4％、Cr：0.15‑0.4％、P＜0.07％、N：0.006‑0.020％，余量为Fe以及可忽略不计的杂质及元素。主要由废钢、回炉铁、碳化硅、增碳剂、锰铁、铜、硅铁和镍熔炼成铁水后，先后进行铁水包孕育及倒包孕育，而后浇铸成型即得。本发明还公开了该灰铸铁的铸造方法。该灰铸铁合金含量较低，具有高强度，制备的发动机壁较薄，满足目前对发动机性能要求，同时也大大降低了生产成本。

Description

一种低合金高强度灰铸铁及其制备工艺
技术领域
本发明涉及一种灰铸铁及制备工艺，尤其涉及一种低合金高强度灰铸铁及其制备工艺。
背景技术
发动机机身铸件，如发动机缸体、缸盖等铸件，均采用高强度灰铸铁进行铸造。其对材质的要求既有高强度和高硬度，也要有良好的铸造性、切削性能，从而也导致了成本过高。随着柴油发动机市场的激烈竞争，柴油发动机成本较高，降低了市场的竞争力，影响发动机厂的整体发展。目前，柴油发动机的不断升级，要求柴油发动机的功率越来越大，同时柴油发动机的整体重量也要求越来越轻。减轻发动机整体重量，就必须是每个零部件要按最优轻量化的要求来生产，必须降低产品的壁厚。但是，发动机壁厚减薄了，产品的强度、硬度、抗疲劳强度等性能就会下降，这是一个相互矛盾的关系。为了解决这一矛盾，行业内都是往灰铸铁中添加各种合金，以保证产品在降低厚度的情况下，仍具有较高的强度和硬度。但是，这又进一步地提高了生产成本。
目前，灰铸铁的广西玉柴生产方式为：炉料采用生铁、废钢、回炉铁及其它合金加入中频炉中熔炼成铁水，成分检验合格后，即铁水成分：C：2.95-3.4％、Si：1.45-1.8％、S：0.05-0.1％、Mn：0.50-0.9％、Cu：0.4-0.8％、Cr：0.15-0.4％、P＜0.07％，出铁加入一次孕育剂处理，在浇注过程中加入二次孕育，终铁水成分要求：C：2.95-3.4％、Si：1.95-2.15％、S：0.05-0.1％、Mn：0.50-0.9％、Cu：0.4-0.8％、Cr：0.15-0.4％、P＜0.07％，所得灰铸铁材质合金含量较高，但性能较低，本体抗拉强度210-230Mpa，硬度170-190HBW，难以满足发动机轻量化生产需求。
中国专利申请CN 103361540 A公开了一种低合金高强度灰铸铁，其成分如下：C：3.0-3.4％、Si：1.8-2.2％、S：0.08-0.13％、Mn：0.8-1.5％、Cu：0.4-0.6％、Cr：0.2-1.0％、P≤0.05％，N：0.02-0.05％，余量为Fe和不可避免的杂质，其中Mn、S和N的质量百分比含量符合Mn≥1.8×S+0.25％+20×N。该灰铸铁虽然相对目前同类产品合金量有所降低，而且具有较高的强度和硬度。但是，为减少铸件气孔，包装铸件的致密性，现有的灰铸铁中N含量通常要控制在0.025％。然而，上述灰铸铁中N含量为0.02-0.05％，会使铸件产生气孔等缺陷。
发明内容
本发明的目的之一是提供一种低合金高强度灰铸铁，该灰铸铁合金含量较低，具有高强度，制备的发动机壁较薄，满足目前对发动机性能要求，同时也大大降低了生产成本。
本发明的目的之二是提供上述低合金高强度灰铸铁的制备工艺。
为实现第一个目的，本发明通过以下技术方案来实现：一种低合金高强度灰铸铁，含有以下质量分数的化学成分：C：2.95-3.4％、Si：1.95-2.15％、S：0.05-0.1％、Mn：0.30-0.6％、Cu：0.2-0.4％、Cr：0.15-0.4％、P＜0.07％、N：0.006-0.020％，余量为Fe以及可忽略不计的杂质及元素。
进一步地，所述灰铸铁含有以下质量分数的化学成分：C：2.95-3.4％、Si：1.95-2.15％、S：0.05-0.1％、Mn：0.30-0.45％、Cu：0.2-0.35％、Cr：0.15-0.4％、P＜0.07％、N：0.006-0.015％，余量为Fe以及可忽略不计的杂质及元素。
本发明的第二个目的是通过以下技术方案来实现的：上述低合金高强度灰铸铁的制备工艺，步骤依次包括熔炼铁水、铁水精炼、铁水包孕育、倒包随流孕育、浇铸成型，其中，铁水精炼后添加含氮化合金，并升温搅拌至均匀后出铁。
所述含氮化合金添加量根据终铁水化学成分含量要求进行计算。所述含氮化合金包括但不限于氮化锰、氮化铬、氮化硅锰或氮化钒。在本发明中，优选氮化锰、氮化铬和氮化硅锰中的一种或两种以上的组合。所述升温搅拌至均匀中，将温度升至1510度左右出铁。
所述熔炼铁水是将废钢、回炉铁、碳化硅、增碳剂、锰铁、铜和硅铁熔炼成铁水。具体地，所述熔炼铁水中，将炉料废钢和回炉铁置于频炉中熔炼，当炉中熔有大约三分之一量的铁水后，加入碳化硅，同时加入增碳剂对铁水进行增碳处理，当炉料熔化五分之四后，加入锰铁、铜和硅铁。所述的废钢质量分数为55-75％，回炉铁的质量分数为25-45％。所述增碳剂、碳化硅、锰铁、铜和硅铁的添加量根据铁水中上述元素的目标值进行调整加入。作为本发明的一个实施例所述碳化硅添加量为铁水总质量的0.6-1.0％。
所述铁水精炼采用常规工艺，精炼温度控制在1520-1550℃之间，保温10分种以上。在本发明中，铁水精炼所得铁水中的化学成分为：C：2.95-3.4％、Si：1.35-1.75％、S：0.05-0.1％、Mn：0.20-0.5％、Cu：0.2-0.4％、Cr：0.15-0.4％、P＜0.07％。进一步优选为C：2.95-3.4％、Si：1.35-1.75％、S：0.05-0.1％、Mn：0.20-0.35％、Cu：0.2-0.35％、Cr：0.15-0.4％、P＜0.07％。
在本发明中，铁水包孕育为一次孕育，采用包内冲入法孕育处理铁水，孕育剂添加量为铁水总质量的0.4-0.7％，孕育剂粒度3-8mm。倒包随流孕育为二次孕育，即在完成一次孕育后的铁水倒包过程中加入随流孕育剂随着铁液的流动进入铁水并对铁水进行孕育处理，随流孕育剂添加量为铁水总质量的0.1-0.2％，粒度0.3-1mm。
所述孕育剂和随流孕育剂分别包括但不限于硅钙钡孕育剂、稀土孕育剂、75硅铁孕育剂、锆硅铁孕育剂或锶硅铁孕育剂等。
所述浇铸成型步骤中，浇注温度控制在1400-1460℃之间，并自然冷却成型。
本发明与现有技术相比具有以下有益效果：
1.炉料的选材及配比上进行了优化，降低了合金成分的加入，在出铁前加入含氮化合金，提高铁液中的氮成分含量至0.006-0.020％，利用N元素细化灰铸件中的石墨，改变片状石墨的形态，使得片状石墨钝化，减短了石墨的长度，来提高增强了灰铸铁材质的强度和硬度性能。
2.在铁水的熔炼过程中，加入了碳化硅材料进行熔炼，为铁水凝固增加了形核，进一步提高灰铸铁的强度和硬度。
3.现灰铁生产不管是一次孕育还是二次孕育上，均采用的是低孕育量孕育处理铁水，而本发明在孕育量方面进行较大的优化，加大了孕育量，保证了充足的孕育，增加形核能力，提高了材质的性能。
4.本发明提高了材质的性能，在现有灰铸铁材质的合金含量下，可以提高至少50MPa的抗拉强度。在与现有材质性能要求下，终铁水成分中Mn、Cu、Cr等合金均可降低含量。
附图说明
图1是对比例一的灰铸铁的石墨形态图。
图2是本发明实施例一的灰铸铁的石墨形态图。
具体实施方式
下面结合实施例，对本发明作进一步的描述，但不构成对本发明的任何限制，任何人在本发明权利要求范围所做的修改，仍在本发明的权利要求范围内。
实施例一
步骤依次包括熔炼铁水、铁水精炼、铁水包孕育、倒包随流孕育、浇铸成型，其中，
熔炼铁水：按质量百分比取炉料废钢55-60％，回炉铁40-45％。将配好的炉料放置在中频炉中熔炼，当炉中熔有大约三分之一量的铁水后，加入1％的碳化硅，同时加入适量增碳剂对铁水进行增碳处理，当炉料熔化五分之四后，按铁水各元素目标值加入锰铁、铜、硅铁等，得到铁水。
铁水精炼：精炼温度控制在1520-1550℃之间，保温10分种以上。铁水中的化学成分为：C：2.95％、Si：1.35％、S：0.1％、Mn：0.5％、Cu：0.4％、Cr：0.4％、P＜0.07％。精炼完成后，往铁水中添加氮化锰。氮化锰添加量根据终铁水化学成分含量要求进行计算。然后升温搅拌至均匀，出铁。
铁水包孕育：采用包内冲入法孕育处理铁水，即往经过精炼后的铁水中按铁水总质量为计算基准加入0.5％硅钙钡孕育剂进行一次孕育处理，孕育剂粒度为3-8mm。
倒包随流孕育：在完成一次孕育后的铁水倒包过程中按铁水总质量为计算基准加入0.15％75硅铁孕育剂进行二次孕育处理，75硅铁孕育剂粒度为0.3-1mm。
浇铸成型：把孕育处理好的铁水浇入砂型铸型，浇注温度控制在1400-1460℃之间。铸件自然冷却至400度以下开箱流转清理。灰铸铁中元素及含量如下：C：2.95％、Si：1.95％、S：0.1％、Mn：0.5％、Cu：0.4％、Cr：0.4％、P＜0.07％、N：0.006-0.020％，余量为Fe以及可忽略不计的杂质及元素。
实施例二
步骤依次包括熔炼铁水、铁水精炼、铁水包孕育、倒包随流孕育、浇铸成型，其中，
熔炼铁水：按质量百分比取炉料废钢60-65％，回炉铁35-40％。将配好的炉料放置在中频炉中熔炼，当炉中熔有大约三分之一量的铁水后，加入1％的碳化硅，同时加入适量增碳剂对铁水进行增碳处理，当炉料熔化五分之四后，按铁水各元素目标值加入锰铁、铜、硅铁等，得到铁水。
铁水精炼：精炼温度控制在1520-1550℃之间，保温10分种以上。铁水中的化学成分为：C：2.95％、Si：1.35％、S：0.10％、Mn：0.20％、Cu：0.20％、Cr：0.30％、P＜0.07％。精炼完成后，往铁水中添加氮化钒。氮化钒添加量根据终铁水化学成分含量要求进行计算。然后升温搅拌至均匀，出铁。
铁水包孕育：采用包内冲入法孕育处理铁水，即往经过精炼后的铁水中按铁水总质量为计算基准加入0.7％硅钙钡孕育剂进行一次孕育处理，孕育剂粒度为3-8mm。
倒包随流孕育：在完成一次孕育后的铁水倒包过程中按铁水总质量为计算基准加入0.2％75硅铁孕育剂进行二次孕育处理，75硅铁孕育剂粒度为0.3-1mm。
浇铸成型：把孕育处理好的铁水浇入砂型铸型，浇注温度控制在1400-1460℃之间。铸件自然冷却至400度以下开箱流转清理。灰铸铁中元素及含量如下：C：2.95％、Si：1.95％、S：0.10％、Mn：0.30％、Cu：0.20％、Cr：0.30％、P＜0.07％、N：0.020％，余量为Fe以及可忽略不计的杂质及元素。
实施例三
步骤依次包括熔炼铁水、铁水精炼、铁水包孕育、倒包随流孕育、浇铸成型，其中，
熔炼铁水：按质量百分比取炉料废钢65-70％，回炉铁30-35％。将配好的炉料放置在中频炉中熔炼，当炉中熔有大约三分之一量的铁水后，加入1％的碳化硅，同时加入适量增碳剂对铁水进行增碳处理，当炉料熔化五分之四后，按铁水各元素目标值加入锰铁、铜、硅铁等，得到铁水。
铁水精炼：精炼温度控制在1520-1550℃之间，保温10分种以上。铁水中的化学成分为：C：3.4％、Si：1.75％、S：0.1％、Mn：0.30％、Cu：0.35％、Cr：0.20％、P＜0.07％。精炼完成后，往铁水中添加氮化硅锰。氮化硅锰添加量根据终铁水化学成分含量要求进行计算。然后升温搅拌至均匀，出铁。
铁水包孕育：采用包内冲入法孕育处理铁水，即往经过精炼后的铁水中按铁水总质量为计算基准加入0.6％硅钙钡孕育剂进行一次孕育处理，孕育剂粒度为3-8mm。
倒包随流孕育：在完成一次孕育后的铁水倒包过程中按铁水总质量为计算基准加入0.2％75硅铁孕育剂进行二次孕育处理，75硅铁孕育剂粒度为0.3-1mm。
浇铸成型：把孕育处理好的铁水浇入砂型铸型，浇注温度控制在1400-1460℃之间。铸件自然冷却至400度以下开箱流转清理。灰铸铁中元素及含量如下：C：3.4％、Si：2.15％、S：0.1％、Mn：0.40％、Cu：0.35％、Cr：0.20％、P＜0.07％、N：0.006-0.020％，余量为Fe以及可忽略不计的杂质及元素。
实施例四
步骤依次包括熔炼铁水、铁水精炼、铁水包孕育、倒包随流孕育、浇铸成型，其中，
熔炼铁水：按质量百分比取炉料废钢70-75％，回炉铁25-30％。将配好的炉料放置在中频炉中熔炼，当炉中熔有大约三分之一量的铁水后，加入1％的碳化硅，同时加入适量增碳剂对铁水进行增碳处理，当炉料熔化五分之四后，按铁水各元素目标值加入锰铁、铜、硅铁等，得到铁水。
铁水精炼：精炼温度控制在1520-1550℃之间，保温10分种以上。铁水中的化学成分为：C：3.20％、Si：1.75％、S：0.09％、Mn：0.35％、Cu：0.35％、Cr：0.35％、P＜0.07％。精炼完成后，往铁水中添加氮化铬。氮化铬添加量根据终铁水化学成分含量要求进行计算。然后升温搅拌至均匀，出铁。
铁水包孕育：采用包内冲入法孕育处理铁水，即往经过精炼后的铁水中按铁水总质量为计算基准加入0.65％硅钙钡孕育剂进行一次孕育处理，孕育剂粒度为3-8mm。
倒包随流孕育：在完成一次孕育后的铁水倒包过程中按铁水总质量为计算基准加入0.2％75硅铁孕育剂进行二次孕育处理，75硅铁孕育剂粒度为0.3-1mm。
浇铸成型：把孕育处理好的铁水浇入砂型铸型，浇注温度控制在1400-1460℃之间。铸件自然冷却至400度以下开箱流转清理。灰铸铁中元素及含量如下：C：3.20％、Si：2.12％、S：0.09％、Mn：0.45％、Cu：0.25％、Cr：0.35％、P＜0.07％、N：0.009-0.015％，余量为Fe以及可忽略不计的杂质及元素。
对比例一
步骤依次包括熔炼铁水、铁水精炼、铁水包孕育、倒包随流孕育、浇铸成型，其中，
熔炼铁水：按质量百分比取炉料废钢50-70％，回炉铁30-50％。将配好的炉料放置在中频炉中熔炼，同时加入增碳剂对铁水进行增碳处理，当炉料熔化五分之四后，按铁水各元素目标值加入锰铁、铜、硅铁等，得到铁水。
铁水精炼：精炼温度控制在1520-1550℃之间，保温10分种以上出铁。
铁水包孕育：采用包内冲入法孕育处理铁水，即往经过精炼后的铁水中按铁水总质量为计算基准加入0.5％硅钙钡孕育剂进行一次孕育处理，孕育剂粒度为3-8mm。
倒包随流孕育：在完成一次孕育后的铁水倒包过程中按铁水总质量为计算基准加入0.15％75硅铁孕育剂进行二次孕育处理，75硅铁孕育剂粒度为0.3-1mm。
浇铸成型：把孕育处理好的铁水浇入砂型铸型，浇注温度控制在1400-1460℃之间。铸件自然冷却至400度以下开箱流转清理。灰铸铁中元素及含量如下：C：2.95％、Si：1.95％、S：0.1％、Mn：0.5％、Cu：0.4％、Cr：0.4％、P＜0.07％、N：0.004-0.005％，余量为Fe以及可忽略不计的杂质及元素。
对比例二
步骤依次包括熔炼铁水、铁水精炼、铁水包孕育、倒包随流孕育、浇铸成型，其中，
熔炼铁水：按质量百分比取炉料废钢60-65％，回炉铁35-40％。将配好的炉料放置在中频炉中熔炼，同时加入增碳剂对铁水进行增碳处理，当炉料熔化五分之四后，按铁水各元素目标值加入锰铁、铜、硅铁等，得到铁水。
铁水精炼：精炼温度控制在1520-1550℃之间，保温10分种以上出铁。
铁水包孕育：采用包内冲入法孕育处理铁水，即往经过精炼后的铁水中按铁水总质量为计算基准加入0.5％硅钙钡孕育剂进行一次孕育处理，孕育剂粒度为3-8mm。
倒包随流孕育：在完成一次孕育后的铁水倒包过程中按铁水总质量为计算基准加入0.15％75硅铁孕育剂进行二次孕育处理，75硅铁孕育剂粒度为0.3-1mm。
浇铸成型：把孕育处理好的铁水浇入砂型铸型，浇注温度控制在1400-1460℃之间。铸件自然冷却至400度以下开箱流转清理。灰铸铁中元素及含量如下：C：3.20％、Si：2.12％、S：0.1％、Mn：0.6％、Cu：0.8％、Cr：0.4％、P＜0.07％、N：0.004-0.005％，余量为Fe以及可忽略不计的杂质及元素。
对比例三
步骤依次包括熔炼铁水、铁水精炼、铁水包孕育、倒包随流孕育、浇铸成型，其中，
熔炼铁水：按质量百分比取炉料废钢65-70％，回炉铁30-35％。将配好的炉料放置在中频炉中熔炼，同时加入增碳剂对铁水进行增碳处理，当炉料熔化五分之四后，按铁水各元素目标值加入锰铁、铜、硅铁等，得到铁水。
铁水精炼：精炼温度控制在1520-1550℃之间，保温10分种以上出铁。
铁水包孕育：采用包内冲入法孕育处理铁水，即往经过精炼后的铁水中按铁水总质量为计算基准加入0.5％硅钙钡孕育剂进行一次孕育处理，孕育剂粒度为3-8mm。
倒包随流孕育：在完成一次孕育后的铁水倒包过程中按铁水总质量为计算基准加入0.15％75硅铁孕育剂进行二次孕育处理，75硅铁孕育剂粒度为0.3-1mm。
浇铸成型：把孕育处理好的铁水浇入砂型铸型，浇注温度控制在1400-1460℃之间。铸件自然冷却至400度以下开箱流转清理。灰铸铁中元素及含量如下：C：3.40％、Si：2.15％、S：0.1％、Mn：0.9％、Cu：0.8％、Cr：0.4％、P＜0.07％、N：0.004-0.005％，余量为Fe以及可忽略不计的杂质及元素。
项目 抗拉强度/MPa 硬度/HBW
实施例一 338 220
实施例二 342 215
实施例三 339 208
实施例四 343 225
对比例一 282 195
对比例二 285 197
对比例三 295 198
从上表结果来看，本发明实施例一的合金含量与对比例一的相近，抗拉强度和硬度都高于对比例一。从图1和图2显示的结果可见，本发明的灰铸铁的石墨长度较短，而对比例一的石墨长度较长，可见，通过加入氮，可有效地改变石墨的形态，并钝化片状石墨，从而提高了灰铸铁的抗拉强度和硬度。本发明实施例二至四的合金含量低于对比例二和三，抗拉强度和硬度均高于对比例二和三。

Claims (10)

1.一种低合金高强度灰铸铁，其特征是，含有以下质量分数的化学成分：C：2.95-3.4％、Si：1.95-2.15％、S：0.05-0.1％、Mn：0.30-0.6％、Cu：0.2-0.4％、Cr：0.15-0.4％、P＜0.07％、N：0.006-0.020％，余量为Fe以及可忽略不计的杂质及元素。
2.根据权利要求1所述的低合金高强度灰铸铁，其特征是，所述灰铸铁含有以下质量分数的化学成分：C：2.95-3.4％、Si：1.95-2.15％、S：0.05-0.1％、Mn：0.30-0.45％、Cu：0.2-0.35％、Cr：0.15-0.4％、P＜0.07％、N：0.006-0.015％，余量为Fe以及可忽略不计的杂质及元素。
3.权利要求1或2所述的低合金高强度灰铸铁的制备工艺，其特征是，步骤依次包括熔炼铁水、铁水精炼、铁水包孕育、倒包随流孕育、浇铸成型，其中，铁水精炼后添加含氮化合金，并升温搅拌至均匀。
4.根据权利要求3所述的低合金高强度灰铸铁的制备工艺，其特征是，所述含氮化合金添加量根据终铁水化学成分含量要求进行计算。
5.根据权利要求3所述的低合金高强度灰铸铁的制备工艺，其特征是，所述含氮化合金包括但不限于氮化锰、氮化铬、氮化硅锰或氮化钒。
6.根据权利要求3所述的低合金高强度灰铸铁的制备工艺，其特征是，所述熔炼铁水中，将炉料废钢和回炉铁置于频炉中熔炼，当炉中熔有大约三分之一量的铁水后，加入碳化硅，同时加入增碳剂对铁水进行增碳处理，当炉料熔化五分之四后，加入锰铁、铜和硅铁。
7.根据权利要求3所述的低合金高强度灰铸铁的制备工艺，其特征是，所述铁水精炼采用常规工艺，精炼温度控制在1520-1550℃之间，保温10分种以上。
8.根据权利要求3所述的低合金高强度灰铸铁的制备工艺，其特征是，所述铁水包孕育为一次孕育，采用包内冲入法孕育处理铁水，孕育剂添加量为铁水总质量的0.4-0.7％，孕育剂粒度3-8mm；所述倒包随流孕育为二次孕育，即在完成一次孕育后的铁水倒包过程中加入随流孕育剂随着铁液的流动进入铁水并对铁水进行孕育处理，随流孕育剂添加量为铁水总质量的0.1-0.2％，粒度0.3-1mm。
9.根据权利要求8所述的低合金高强度灰铸铁的制备工艺，其特征是，所述孕育剂和随流孕育剂分别包括但不限于硅钙钡孕育剂、稀土孕育剂、75硅铁孕育剂、锆硅铁孕育剂或锶硅铁孕育剂。
10.根据权利要求3所述的低合金高强度灰铸铁的制备工艺，其特征是，所述浇铸成型步骤中，浇注温度控制在1400-1460℃之间，并自然冷却成型。
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