CN109136728A - 一种高强度高韧性铸态球墨铸铁及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种高强度高韧性铸态球墨铸铁及其制备方法。一种高强度高韧性铸态球墨铸铁由以下原料组成：Q12生铁、增碳剂、含铬废钢、回炉料、稀土镁合金、电解铜、锡、钼、铸元素变质剂、硅铁孕育剂和随流孕育剂，其中，铸元素变质剂主要成分为：强烈促进球化的铈元素Ce及份数占比6％的金属化合物助熔剂和份数占比93.97％的除渣剂，其中金属化合物助熔剂为Sn类化合物；包括以下步骤：原料熔炼、搅拌调制、变质处理、孕育处理和浇注，其中孕育处理采用一次孕育、球化二次孕育和随流三次孕育的多次强化孕育的方法，浇注采用铁模覆砂造型工艺。本发明可实现铸态下抗拉强度≥860、延伸率≥6％的材质性能，获得高强度、高韧性、内部组织均匀且无需热处理的铸件产品。

Description

一种高强度高韧性铸态球墨铸铁及其制备方法

技术领域

本发明属于铸造技术领域，特别涉及一种高强度高韧性铸态球墨铸铁及其制备方法。

背景技术

随着汽车行业的高速发展，用户对重卡的安全性、轻量化、节能环保、物美价廉等方面要求日益严格，特别是在提高整车装载能力，多拉快跑的需求上更加迫切。这样， 各整车厂为赢得市场，对配套零部件的材质性能提出了更高的要求，如何生产出高强度、 高韧性的铸件来满足市场，成为各铸件生产商的新课题。

传统的平衡悬挂铸件产品其材质多数采用铸态QT550-7，它只兼顾了高韧性的需求， 然而如今人们对汽车装载能力、经济性、轻量化等要求不断提高，对高强度、高韧性的铸件需求日益旺盛，传统球墨铸铁的材质性能根本不能达到如此之高的实用性能要求。 因为在当时的生产工艺条件下，不但对化学成分中微量合金元素对球铁的复合强化作用 认识比较肤浅，而且光谱仪、能谱仪等检测验证条件设施不健全，因此造成技术理论得 不到科学数据的有力支撑，所以产业化转变比较慢，铸件机械性能的提高得不到突破。 另外加之普通的砂型铸造工艺条件下，铸型刚度较差，石墨化膨胀所带来的型壁退让性 无法克服，铸件内部组织均匀性很难保证，材质性能提高困难。在此基础上，为达到铸 件的使用目的，只能在外形加大、增重上想办法，致使铸件特别笨重，且费工、费料能 耗增加，使用效果不理想。

近几年，随着铸造水平的飞速发展，在提高球墨铸铁性能方面做了大量的实质性研 究和探索并取得了很多有益的效果，特别是在铸件的强度、塑性改善上进步较大。张军，汪志飞，郑言彪等铸态QT800-5悬挂支架铸件的研究【B】.中图分类号：TG255文 章编号：1003-8345(2016)05-0028-03的技术论文，对铸态QT800-5做了一些试制研 究，然而其主要存在以下问题：一是所用微量元素中锑的毒害性比较强，其存放、使用 的措施要求、安全条件较高，使用过程中可能对环境、操作人员造成污染与侵害。二是， 所选用的普通湿型砂造型工艺对重量为大于90公斤/件的铸件来说显得铸型刚度不够， 适宜性较差，组织均匀性难以保证。因此，开发一种高强度、高韧性、无毒害，珠光体 含量和基体硬度达标，减少砂孔、缩松等缺陷，获得组织均匀的的铸态QT800-5的球墨 铸铁变得尤为重要。

发明内容

本发明要解决的技术问题是克服现有技术的上述缺陷，提供一种高强度高韧性铸态 球墨铸铁及一种高强度高韧性铸态球墨铸铁的制备方法。本发明通过铸铁成分中微量合 金元素的调整达到复合强化的作用，运用一次孕育、球化二次孕育、随流三次孕育的多次强化孕育的方法达到强化孕育的效果，采用铁模覆砂造型工艺以提高铸型刚度等措施来细化晶粒、提高材料强度，结合同时凝固原理去除热节部位缩松，实现铸态下抗拉强 度≥860、延伸率≥6％的材质性能，获得高强度、高韧性、内部组织均匀的且无需热处理 的铸件产品。另外，先进精确的检测设施为质量需求提供了可靠保证，耐克NCS-750 只读光谱仪等炉前快速分析仪、能谱仪；HCS-140高频红外碳硫分析仪、碳硅分析仪， 插入式电子测温枪，金相检测计、里氏硬度计用于现场抽检，还有金相显微镜、电子硬 度计、拉力试验机、覆膜砂检测仪等实现对材质性能的适时监控。

本发明是通过以下技术方案实现的：

一种高强度高韧性铸态球墨铸铁，由以下原料组成：Q12生铁、增碳剂、含铬废钢、回炉料、稀土镁合金、电解铜、锡、钼、铸元素变质剂、硅铁孕育剂和随流孕育剂，其 含有的化学元素含量为：

C3.7％-3.8％，Si2.4％-2.6％，Mn0.3％-0.4％，P≤0.03％，S≤0.01％-0.02％，Cu0.55％-0.60％，Cr0.09％-0.14％，Sn0.02％-0.025％，Mo0.04％-0.06％、铸元素变质剂0.03％-0.035％、Mg0.035％-0.055％，Re0.025％-0.035％，其余为Fe；

所述铸元素变质剂主要成分为：强烈促进球化的铈元素Ce及份数占比6％的金属化 合物助熔剂和份数占比93.97％的除渣剂，其中金属化合物助熔剂为Sn类化合物，除渣剂粒度80目上下。

如此设计，首先通过加入铸元素变质剂，起到强烈促进球化、细化晶粒、净化铁水的作用；其中微量Ce元素助推球化反应，促进球化级别的提高；Sn类化合物助熔剂能 帮助铁液温升提高，催生C原子形核活力，细化晶核；除渣剂在高温铁水中迅速聚合浮 在铁液液面上的熔融状态的金属氧化物，既能净化铁水又可减少过多金属氧化物对Mg 元素的烧损，直接促进了球化反应中Mg的吸收效果；以上三大作用为促进奥氏体转变 及珠光体的形成奠定了良好的基础，为实现强度性能的提高提供了可靠保障；其次，微 量铬元素由废钢配料带入，其含量稳定，无须单独储存和防护，对环境和操作者造不成 直接伤害，还能因价格差异而取得部分收益；最后，取消锑等有毒合金元素的加入，在 熔炼过程中加入适量的锡、铬和钼，充分保证微量合金元素的复合强化作用，促进珠光 体的生成和铁素体的固溶强化，实现铸态下抗拉强度≥860、延伸率≥6％的材质性能，获 得高强度、高韧性的铸件产品。

作为优化，Q12生铁加入量占10％、增碳剂加入量占3.5％、回炉料加入量占10％、稀土镁合金加入量占1％、电解铜加入量占0.6％、锡加入量占0.02％、钼加入量占0.04％、铸元素变质剂加入量占0.03％、硅铁孕育剂加入量占0.6％、随流孕育剂加入量占0.2％，其余为含铬废钢。

作为优化，Q12生铁为高碳、低磷、低硫的优质风电铸件用生铁。

作为优化，增碳剂为碳化硅增碳剂，其吸收率不小于98％、含硫量小于等于0.04％。

作为优化，含铬废钢为含铬量不低于2.0％的优质轴承钢冲压件下脚料。

一种高强度高韧性铸态球墨铸铁的制备方法，包括以下步骤：

1、原料熔炼

首先将Q12生铁、回炉料、稀土镁合金和含铬废钢一同加入1T中频电炉熔炼，然 后采用冲入法加入锡、钼、电解铜，得到原料均呈熔融态的铁液，搅拌均匀后，采用高 频红外碳硫分析仪、碳硅分析仪、插入式电子测温枪，耐克只读光谱仪分析铁液成份， 并根据成份分析结果对熔炉内铁液成份含量进行调整，直至铁液化学成份达到要求后进 行静置保温；

2、搅拌调制

将步骤1所得熔融态铁液进行单向搅拌，并在转速稳定后将增碳剂吹送到1T中频电炉内，并使增碳剂与1T中频电炉内的熔融态铁液充分搅拌均匀，然后保温静置，使 碳中的石墨成分在铁液中被充分吸收得到成分要求中的碳含量；

3、变质处理

将步骤2所得熔融态铁液进行单向搅拌，并在转速稳定后将铸元素变质剂吹送到1T 中频电炉内，并使铸元素变质剂与1T中频电炉内的熔融态铁液充分搅拌均匀，然后保温静置；

4、孕育处理

1)一次孕育，首先将硅铁孕育剂先投入铁水包，然后冲入铁液，待完全溶化后， 将铁液快速倾倒入炉内进行充分的搅拌融合；

2)球化二次孕育，待炉内铁液温度达到1530℃-1570℃出炉温度要求时，沿炉嘴铁液流二次加入硅铁孕育剂进行球化二次孕育；

3)随流三次孕育，将可调节式随流孕育装置架设于铁水包嘴处，使孕育斗漏口正对铁水包嘴液流，随浇铸铁水流将随流孕育剂带入铸件中，过程中适时调整孕育斗出口 量的大小，保证随流孕育剂足量流出；其中，可调节式随流孕育装置采用本公司自主研 发的专利号为：ZL.201720777253.9的一种新型可调节式随流孕育装置；

5、浇注

采用铁模覆砂造型工艺将铁水包内的熔融态铁液浇铸到成型模具中，模型设计为一 模一个铸件，铸件模样下部厚大处的四个立柱上安装气眼针，浇注系统设置陶瓷过滤片， 浇注时包嘴处覆设一定规格的三角石棉纤维毡，铁液流注入速度保持前急后缓，迅速充 满型后再缓速压住紊流赶出型腔内的气体，浇完后一箱回补前一箱冒口，充分保持凝固前压力头的高度。

另外，原铁液化学成份要求如下：C3.7％-3.8％，Si1.4％-1.6％，Mn0.2％-0.3％，P≤0.03％，S≤0.02％，Cu0.10％-0.2％，Cr0.15％-0.18％，Sn0.02％-0.025％，Mo0.04-0.06， 铸元素变质剂0.03％-0.035％；

球化处理后铁液化学成份要求如下：C3.7％-3.8％，Si2.4％-2.6％，Mn0.3％-0.4％， P≤0.03％，S0.01％-0.02％，Cu0.55％-0.60％，Cr0.15％-0.18％，Sn0.02％-0.025％， Mo0.04-0.06，铸元素变质剂0.03％-0.035％、Mg0.035％-0.055％，Re0.025％-0.035％。

如此设计，首先，孕育处理采用一次孕育、球化二次孕育和随流三次孕育的多次强化孕育的方法，其中，2)球化二次孕育，待炉内铁液温度达到1530℃出炉温度要求时， 沿炉嘴铁液流二次加入硅铁孕育剂进行球化二次孕育，随球化时铁液翻腾而使硅铁孕育 剂得以充分吸收，且球化处理使得球化形核能力增强，石墨球更加细化圆整，促进了铸 件塑性和韧性的增强；3)随流三次孕育，将可调节式随流孕育装置架设于铁水包嘴处， 使孕育斗漏口正对铁水包嘴液流，随浇铸铁水流将随流孕育剂带入铸件中，过程中适时 调整孕育斗出口量的大小，保证随流孕育剂足量流出，达到强化孕育的效果；其中，可 调节式随流孕育装置采用本公司自主研发的专利号为：ZL.201720777253.9的一种新型 可调节式随流孕育装置，可以准确高效的向包嘴内添加随流孕育剂，进而提高强化孕育 的效果，防止孕育不足而出现降低强度性能的渗碳体组织，因此这也是如何实现铸态强 度性能提高的重要一步。另外，浇注采用铁模覆砂造型工艺将铁水包内的熔融态铁液浇 铸到成型模具中，模型设计为一模一个铸件，铸件模样下部厚大处的四个立柱上安装气 眼针，浇注系统设置陶瓷过滤片，浇注时包嘴处覆设一定规格的三角石棉纤维毡起到二 次撇渣的作用，铁液流注入速度保持前急后缓，迅速充满型后再缓速压住紊流并赶出型 腔内的气体，消除夹杂、气孔缺陷，浇完后一箱回补前一箱冒口，充分保持凝固前压力 头的高度，防止缩松产生。通过上述制备方法的改进可实现铸态下抗拉强度≥860、延伸 率≥6％的材质性能，获得高强度、高韧性且无需热处理的铸件产品。

作为优化，步骤3孕育处理的1)一次孕育中，硅铁孕育剂加入量占0.4％，铁液冲入量为500公斤。

作为优化，步骤3孕育处理的2)球化二次孕育中，硅铁孕育剂加入量占0.2％。

作为优化，步骤3孕育处理的3)随流三次孕育中，随流孕育剂加入量占0.2％。

本发明的有益效果是：

本发明，通过铸铁成分中微量合金元素的调整达到复合强化的作用，运用一次孕育、 球化二次孕育、随流三次孕育的多次强化孕育的方法达到强化孕育的效果，采用铁模覆 砂造型工艺以提高铸型刚度等措施来细化晶粒、提高材料强度，结合同时凝固原理去除热节部位缩松，实现铸态下抗拉强度≥860、延伸率≥6％的材质性能，获得高强度、高韧性、内部组织均匀的且无需热处理的铸件产品。另外，采用先进精确的检测设施为质量 需求提供了可靠保证，并实现对材质性能的适时监控。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下列举实施例，对本发明进一步详细说明。

实施例1：

一种高强度高韧性铸态球墨铸铁，由以下原料组成：Q12生铁、增碳剂、含铬废钢、回炉料、稀土镁合金、电解铜、锡、钼、铸元素变质剂、硅铁孕育剂和随流孕育剂，其 含有的化学元素含量为：C3.75％，Si2.6％，Mn0.3％，P0.02％，S0.02％，Cu0.55％，Cr0.115％，Sn0.02％，Mo0.06％、铸元素变质剂0.03％、Mg0.035％，Re0.03％，其余为Fe；铸元素 变质剂主要成分为：强烈促进球化的铈元素Ce及份数占比6％的金属化合物助熔剂和份 数占比93.97％的除渣剂，其中金属化合物助熔剂为Sn类化合物，除渣剂粒度80目上 下；Q12生铁加入量占10％、增碳剂加入量占3.5％、回炉料加入量占10％、稀土镁合 金加入量占1％、电解铜加入量占0.6％、锡加入量占0.02％、钼加入量占0.04％、铸元 素变质剂加入量占0.03％、硅铁孕育剂加入量占0.6％、随流孕育剂加入量占0.2％，其 余为含铬废钢；Q12生铁为高碳、低磷、低硫的优质风电铸件用生铁；增碳剂为碳化硅 增碳剂，其吸收率为98％、含硫量等于0.04％；含铬废钢为含铬量不低于2.0％的优质轴 承钢冲压件下脚料。

一种高强度高韧性铸态球墨铸铁的制备方法，包括以下步骤：

1、原料熔炼

首先将Q12生铁、回炉料、稀土镁合金和含铬废钢一同加入1T中频电炉熔炼，然 后采用冲入法加入锡、钼、电解铜，得到原料均呈熔融态的铁液，搅拌均匀后，采用高 频红外碳硫分析仪、碳硅分析仪、插入式电子测温枪，耐克只读光谱仪分析铁液成份， 并根据成份分析结果对熔炉内铁液成份含量进行调整，直至铁液化学成份达到要求后进 行静置保温；

2、搅拌调制

将步骤1所得熔融态铁液进行单向搅拌，并在转速稳定后将碳化硅增碳剂吹送到1T 中频电炉内，并使碳化硅增碳剂与1T中频电炉内的熔融态铁液充分搅拌均匀，然后保温静置，使碳中的石墨成分在铁液中被充分吸收得到成分要求中的碳含量；

3、变质处理

将步骤2所得熔融态铁液进行单向搅拌，并在转速稳定后将铸元素变质剂吹送到1T 中频电炉内，并使铸元素变质剂与1T中频电炉内的熔融态铁液充分搅拌均匀，然后保温静置；

4、孕育处理

1)一次孕育，首先将加入量占0.4％的硅铁孕育剂先投入铁水包，然后冲入500公斤的铁液，待完全溶化后，将铁液快速倾倒入炉内进行充分的搅拌融合；

2)球化二次孕育，待炉内铁液温度达到1530℃出炉温度要求时，沿炉嘴铁液流二次加入0.2％硅铁孕育剂进行球化二次孕育；

3)随流三次孕育，将可调节式随流孕育装置架设于铁水包嘴处，使孕育斗漏口正对铁水包嘴液流，随浇铸铁水流将加入量占0.2％的随流孕育剂带入铸件中，过程中适时调整孕育斗出口量的大小，保证随流孕育剂足量流出；

5、浇注

采用铁模覆砂造型工艺将铁水包内的熔融态铁液浇铸到成型模具中，模型设计为一 模一个铸件，铸件模样下部厚大处的四个立柱上安装气眼针，浇注系统设置陶瓷过滤片， 浇注时包嘴处覆设一定规格的三角石棉纤维毡，铁液流注入速度保持前急后缓，迅速充 满型后再缓速压住紊流赶出型腔内的气体，浇完后一箱回补前一箱冒口，充分保持凝固前压力头的高度。

开箱时间控制要求：根据铸件重量及壁厚大小，要求浇注完后40分钟开箱，切取本体拉棒、试块A-1做性能和金相检测，其性能指标列于表1。

实施例2：

一种高强度高韧性铸态球墨铸铁，由以下原料组成：Q12生铁、增碳剂、含铬废钢、回炉料、稀土镁合金、电解铜、锡、钼、铸元素变质剂、硅铁孕育剂和随流孕育剂，其 含有的化学元素含量为：C3.7％，Si2.5％，Mn0.4％，P0.01％，S0.015％，Cu0.6％，Cr0.09％，Sn0.025％，Mo0.04％、铸元素变质剂0.032％、Mg0.055％，Re0.25％，其余为Fe；铸元 素变质剂主要成分为：强烈促进球化的铈元素Ce及份数占比6％的金属化合物助熔剂和 份数占比93.97％的除渣剂，其中金属化合物助熔剂为Sn类化合物，除渣剂粒度80目 上下；Q12生铁加入量占10％、增碳剂加入量占3.5％、回炉料加入量占10％、稀土镁 合金加入量占1％、电解铜加入量占0.6％、锡加入量占0.02％、钼加入量占0.04％、铸 元素变质剂加入量占0.03％、硅铁孕育剂加入量占0.6％、随流孕育剂加入量占0.2％， 其余为含铬废钢；Q12生铁为高碳、低磷、低硫的优质风电铸件用生铁；增碳剂为碳化 硅增碳剂，其吸收率为98％、含硫量等于0.04％；含铬废钢为含铬量不低于2.0％的优质 轴承钢冲压件下脚料。

一种高强度高韧性铸态球墨铸铁的制备方法，包括以下步骤：

1、原料熔炼

首先将Q12生铁、回炉料、稀土镁合金和含铬废钢一同加入1T中频电炉熔炼，然 后采用冲入法加入锡、钼、电解铜，得到原料均呈熔融态的铁液，搅拌均匀后，采用高 频红外碳硫分析仪、碳硅分析仪、插入式电子测温枪，耐克只读光谱仪分析铁液成份， 并根据成份分析结果对熔炉内铁液成份含量进行调整，直至铁液化学成份达到要求后进 行静置保温；

2、搅拌调制

将步骤1所得熔融态铁液进行单向搅拌，并在转速稳定后将碳化硅增碳剂吹送到1T 中频电炉内，并使碳化硅增碳剂与1T中频电炉内的熔融态铁液充分搅拌均匀，然后保温静置，使碳中的石墨成分在铁液中被充分吸收得到成分要求中的碳含量；

3、变质处理

将步骤2所得熔融态铁液进行单向搅拌，并在转速稳定后将铸元素变质剂吹送到1T 中频电炉内，并使铸元素变质剂与1T中频电炉内的熔融态铁液充分搅拌均匀，然后保温静置；

4、孕育处理

1)一次孕育，首先将加入量占0.4％的硅铁孕育剂先投入铁水包，然后冲入500公斤的铁液，待完全溶化后，将铁液快速倾倒入炉内进行充分的搅拌融合；

2)球化二次孕育，待炉内铁液温度达到1570℃出炉温度要求时，沿炉嘴铁液流二次加入0.2％硅铁孕育剂进行球化二次孕育；

3)随流三次孕育，将可调节式随流孕育装置架设于铁水包嘴处，使孕育斗漏口正对铁水包嘴液流，随浇铸铁水流将加入量占0.2％的随流孕育剂带入铸件中，过程中适时调整孕育斗出口量的大小，保证随流孕育剂足量流出；

5、浇注

采用铁模覆砂造型工艺将铁水包内的熔融态铁液浇铸到成型模具中，模型设计为一 模一个铸件，铸件模样下部厚大处的四个立柱上安装气眼针，浇注系统设置陶瓷过滤片， 浇注时包嘴处覆设一定规格的三角石棉纤维毡，铁液流注入速度保持前急后缓，迅速充 满型后再缓速压住紊流赶出型腔内的气体，浇完后一箱回补前一箱冒口，充分保持凝固前压力头的高度。

开箱时间控制要求：根据铸件重量及壁厚大小，要求浇注完后40分钟开箱，切取本体拉棒、试块A-2做性能和金相检测，其性能指标列于表1。

实施例3：

一种高强度高韧性铸态球墨铸铁，由以下原料组成：Q12生铁、增碳剂、含铬废钢、回炉料、稀土镁合金、电解铜、锡、钼、铸元素变质剂、硅铁孕育剂和随流孕育剂，其 含有的化学元素含量为：C3.8％，Si2.4％，Mn0.35％，P0.03％，S0.01％，Cu0.575％， Cr0.14％，Sn0.02％，Mo0.04％、铸元素变质剂0.035％、Mg0.045％，Re0.035％，其余为 Fe；铸元素变质剂主要成分为：强烈促进球化的铈元素Ce及份数占比6％的金属化合物 助熔剂和份数占比93.97％的除渣剂，其中金属化合物助熔剂为Sn类化合物，除渣剂粒 度80目上下；Q12生铁加入量占10％、增碳剂加入量占3.5％、回炉料加入量占10％、 稀土镁合金加入量占1％、电解铜加入量占0.6％、锡加入量占0.02％、钼加入量占0.04％、 铸元素变质剂加入量占0.03％、硅铁孕育剂加入量占0.6％、随流孕育剂加入量占0.2％， 其余为含铬废钢；Q12生铁为高碳、低磷、低硫的优质风电铸件用生铁；增碳剂为碳化 硅增碳剂，其吸收率为98％、含硫量等于0.04％；含铬废钢为含铬量不低于2.0％的优质 轴承钢冲压件下脚料。

一种高强度高韧性铸态球墨铸铁的制备方法，包括以下步骤：

1、原料熔炼

首先将Q12生铁、回炉料、稀土镁合金和含铬废钢一同加入1T中频电炉熔炼，然 后采用冲入法加入锡、钼、电解铜，得到原料均呈熔融态的铁液，搅拌均匀后，采用高 频红外碳硫分析仪、碳硅分析仪、插入式电子测温枪，耐克只读光谱仪分析铁液成份， 并根据成份分析结果对熔炉内铁液成份含量进行调整，直至铁液化学成份达到要求后进 行静置保温；

2、搅拌调制

将步骤1所得熔融态铁液进行单向搅拌，并在转速稳定后将碳化硅增碳剂吹送到1T 中频电炉内，并使碳化硅增碳剂与1T中频电炉内的熔融态铁液充分搅拌均匀，然后保温静置，使碳中的石墨成分在铁液中被充分吸收得到成分要求中的碳含量；

3、变质处理

将步骤2所得熔融态铁液进行单向搅拌，并在转速稳定后将铸元素变质剂吹送到1T 中频电炉内，并使铸元素变质剂与1T中频电炉内的熔融态铁液充分搅拌均匀，然后保温静置；

4、孕育处理

1)一次孕育，首先将加入量占0.4％的硅铁孕育剂先投入铁水包，然后冲入500公斤的铁液，待完全溶化后，将铁液快速倾倒入炉内进行充分的搅拌融合；

2)球化二次孕育，待炉内铁液温度达到1550℃出炉温度要求时，沿炉嘴铁液流二次加入0.2％硅铁孕育剂进行球化二次孕育；

3)随流三次孕育，将可调节式随流孕育装置架设于铁水包嘴处，使孕育斗漏口正对铁水包嘴液流，随浇铸铁水流将加入量占0.2％的随流孕育剂带入铸件中，过程中适时调整孕育斗出口量的大小，保证随流孕育剂足量流出；

5、浇注

采用铁模覆砂造型工艺将铁水包内的熔融态铁液浇铸到成型模具中，模型设计为一 模一个铸件，铸件模样下部厚大处的四个立柱上安装气眼针，浇注系统设置陶瓷过滤片， 浇注时包嘴处覆设一定规格的三角石棉纤维毡，铁液流注入速度保持前急后缓，迅速充 满型后再缓速压住紊流赶出型腔内的气体，浇完后一箱回补前一箱冒口，充分保持凝固前压力头的高度。

开箱时间控制要求：根据铸件重量及壁厚大小，要求浇注完后40分钟开箱，切取本体拉棒、试块A-3做性能和金相检测，其性能指标列于表1。

对比实施例1：

一种高强度高韧性铸态球墨铸铁，由以下原料组成：Q12生铁、增碳剂、含铬废钢、回炉料、稀土镁合金、电解铜、锡、钼、硅铁孕育剂和随流孕育剂，其含有的化学元素 含量为：C3.75％，Si2.6％，Mn0.3％，P0.02％，S0.02％，Cu0.55％，Cr0.115％，Sn0.02％，Mo0.06％、Mg0.035％，Re0.03％，其余为Fe；Q12生铁加入量占10％、增碳剂加入量 占3.5％、回炉料加入量占10％、稀土镁合金加入量占1％、电解铜加入量占0.6％、锡 加入量占0.02％、钼加入量占0.04％、硅铁孕育剂加入量占0.6％、随流孕育剂加入量占 0.2％，其余为含铬废钢；Q12生铁为高碳、低磷、低硫的优质风电铸件用生铁；增碳剂 为碳化硅增碳剂，其吸收率为98％、含硫量等于0.04％；含铬废钢为含铬量不低于2.0％ 的优质轴承钢冲压件下脚料。

一种高强度高韧性铸态球墨铸铁的制备方法，包括以下步骤：

1、原料熔炼

首先将Q12生铁、回炉料、稀土镁合金和含铬废钢一同加入1T中频电炉熔炼，然 后采用冲入法加入锡、钼、电解铜，得到原料均呈熔融态的铁液，搅拌均匀后，采用高 频红外碳硫分析仪、碳硅分析仪、插入式电子测温枪，耐克只读光谱仪分析铁液成份， 并根据成份分析结果对熔炉内铁液成份含量进行调整，直至铁液化学成份达到要求后进 行静置保温；

2、搅拌调制

将步骤1所得熔融态铁液进行单向搅拌，并在转速稳定后将碳化硅增碳剂吹送到1T 中频电炉内，并使碳化硅增碳剂与1T中频电炉内的熔融态铁液充分搅拌均匀，然后保温静置，使碳中的石墨成分在铁液中被充分吸收得到成分要求中的碳含量；

3、孕育处理

1)一次孕育，首先将加入量占0.4％的硅铁孕育剂先投入铁水包，然后冲入500公斤的铁液，待完全溶化后，将铁液快速倾倒入炉内进行充分的搅拌融合；

2)球化二次孕育，待炉内铁液温度达到1530℃出炉温度要求时，沿炉嘴铁液流二次加入0.2％硅铁孕育剂进行球化二次孕育；

3)随流三次孕育，将可调节式随流孕育装置架设于铁水包嘴处，使孕育斗漏口正对铁水包嘴液流，随浇铸铁水流将加入量占0.2％的随流孕育剂带入铸件中，过程中适时调整孕育斗出口量的大小，保证随流孕育剂足量流出；

4、浇注

采用铁模覆砂造型工艺将铁水包内的熔融态铁液浇铸到成型模具中，模型设计为一 模一个铸件，铸件模样下部厚大处的四个立柱上安装气眼针，浇注系统设置陶瓷过滤片， 浇注时包嘴处覆设一定规格的三角石棉纤维毡，铁液流注入速度保持前急后缓，迅速充 满型后再缓速压住紊流赶出型腔内的气体，浇完后一箱回补前一箱冒口，充分保持凝固前压力头的高度。

开箱时间控制要求：根据铸件重量及壁厚大小，要求浇注完后40分钟开箱，切取本体拉棒、试块A-1做性能和金相检测，其性能指标列于表1。

开箱时间控制要求：根据铸件重量及壁厚大小，要求浇注完后40分钟开箱，切取本体拉棒、试块B-1做性能和金相检测，其性能指标列于表1。同实施例1相比，不同 之处在于没有铸元素变质剂和变质处理。

对比实施例2：

一种高强度高韧性铸态球墨铸铁，由以下原料组成：Q12生铁、增碳剂、废钢、回 炉料、稀土镁合金、电解铜、铸元素变质剂、硅铁孕育剂和随流孕育剂，其含有的化学 元素含量为：C3.75％，Si2.6％，Mn0.3％，P0.02％，S0.02％，Cu0.55％，铸元素变质剂 0.03％、Mg0.035％，Re0.03％，其余为Fe；铸元素变质剂主要成分为：强烈促进球化的 铈元素Ce及份数占比6％的金属化合物助熔剂和份数占比93.97％的除渣剂，其中金属 化合物助熔剂为Sn类化合物，除渣剂粒度80目上下；Q12生铁加入量占10％、增碳剂 加入量占3.5％、回炉料加入量占10％、稀土镁合金加入量占1％、电解铜加入量占0.6％、 铸元素变质剂加入量占0.03％、硅铁孕育剂加入量占0.6％、随流孕育剂加入量占0.2％， 其余为废钢；Q12生铁为高碳、低磷、低硫的优质风电铸件用生铁；增碳剂为碳化硅增 碳剂，其吸收率为98％、含硫量等于0.04％。

一种高强度高韧性铸态球墨铸铁的制备方法，包括以下步骤：

1、原料熔炼

首先将Q12生铁、回炉料、稀土镁合金和废钢一同加入1T中频电炉熔炼，然后采 用冲入法加入电解铜，得到原料均呈熔融态的铁液，搅拌均匀后，采用高频红外碳硫分 析仪、碳硅分析仪、插入式电子测温枪，耐克只读光谱仪分析铁液成份，并根据成份分 析结果对熔炉内铁液成份含量进行调整，直至铁液化学成份达到要求后进行静置保温；

2、搅拌调制

将步骤1所得熔融态铁液进行单向搅拌，并在转速稳定后将碳化硅增碳剂吹送到1T 中频电炉内，并使碳化硅增碳剂与1T中频电炉内的熔融态铁液充分搅拌均匀，然后保温静置，使碳中的石墨成分在铁液中被充分吸收得到成分要求中的碳含量；

3、变质处理

将步骤2所得熔融态铁液进行单向搅拌，并在转速稳定后将铸元素变质剂吹送到1T 中频电炉内，并使铸元素变质剂与1T中频电炉内的熔融态铁液充分搅拌均匀，然后保温静置；

4、孕育处理

1)一次孕育，首先将加入量占0.4％的硅铁孕育剂先投入铁水包，然后冲入500公斤的铁液，待完全溶化后，将铁液快速倾倒入炉内进行充分的搅拌融合；

2)球化二次孕育，待炉内铁液温度达到1530℃出炉温度要求时，沿炉嘴铁液流二次加入0.2％硅铁孕育剂进行球化二次孕育；

3)随流三次孕育，将可调节式随流孕育装置架设于铁水包嘴处，使孕育斗漏口正对铁水包嘴液流，随浇铸铁水流将加入量占0.2％的随流孕育剂带入铸件中，过程中适时调整孕育斗出口量的大小，保证随流孕育剂足量流出；

5、浇注

采用铁模覆砂造型工艺将铁水包内的熔融态铁液浇铸到成型模具中，模型设计为一 模一个铸件，铸件模样下部厚大处的四个立柱上安装气眼针，浇注系统设置陶瓷过滤片， 浇注时包嘴处覆设一定规格的三角石棉纤维毡，铁液流注入速度保持前急后缓，迅速充 满型后再缓速压住紊流赶出型腔内的气体，浇完后一箱回补前一箱冒口，充分保持凝固前压力头的高度。

开箱时间控制要求：根据铸件重量及壁厚大小，要求浇注完后40分钟开箱，切取本体拉棒、试块B-2做性能和金相检测，其性能指标列于表1。同实施例1相比，不同 之处在于没有微量元素。

对比实施例3：

一种高强度高韧性铸态球墨铸铁，由以下原料组成：Q12生铁、增碳剂、含铬废钢、回炉料、稀土镁合金、电解铜、锡、钼、铸元素变质剂、硅铁孕育剂和随流孕育剂，其 含有的化学元素含量为：C3.75％，Si2.6％，Mn0.3％，P0.02％，S0.02％，Cu0.55％，Cr0.115％，Sn0.02％，Mo0.06％、铸元素变质剂0.03％、Mg0.035％，Re0.03％，其余为Fe；铸元素 变质剂主要成分为：强烈促进球化的铈元素Ce及份数占比6％的金属化合物助熔剂和份 数占比93.97％的除渣剂，其中金属化合物助熔剂为Sn类化合物，除渣剂粒度80目上 下；Q12生铁加入量占10％、增碳剂加入量占3.5％、回炉料加入量占10％、稀土镁合 金加入量占1％、电解铜加入量占0.6％、锡加入量占0.02％、钼加入量占0.04％、铸元 素变质剂加入量占0.03％、硅铁孕育剂加入量占0.6％、随流孕育剂加入量占0.2％，其 余为含铬废钢；Q12生铁为高碳、低磷、低硫的优质风电铸件用生铁；增碳剂为碳化硅 增碳剂，其吸收率为98％、含硫量等于0.04％；含铬废钢为含铬量不低于2.0％的优质轴 承钢冲压件下脚料。

一种高强度高韧性铸态球墨铸铁的制备方法，包括以下步骤：

1、原料熔炼

首先将Q12生铁、回炉料、稀土镁合金和含铬废钢一同加入1T中频电炉熔炼，然 后采用冲入法加入锡、钼、电解铜，得到原料均呈熔融态的铁液，搅拌均匀后，采用高 频红外碳硫分析仪、碳硅分析仪、插入式电子测温枪，耐克只读光谱仪分析铁液成份， 并根据成份分析结果对熔炉内铁液成份含量进行调整，直至铁液化学成份达到要求后进 行静置保温；

2、搅拌调制

将步骤1所得熔融态铁液进行单向搅拌，并在转速稳定后将碳化硅增碳剂吹送到1T 中频电炉内，并使碳化硅增碳剂与1T中频电炉内的熔融态铁液充分搅拌均匀，然后保温静置，使碳中的石墨成分在铁液中被充分吸收得到成分要求中的碳含量；

3、变质处理

将步骤2所得熔融态铁液进行单向搅拌，并在转速稳定后将铸元素变质剂吹送到1T 中频电炉内，并使铸元素变质剂与1T中频电炉内的熔融态铁液充分搅拌均匀，然后保温静置；

4、孕育处理

将加入量占0.6％的硅铁孕育剂先投入铁水包，然后冲入500公斤的铁液，待完全溶 化后，将铁液快速倾倒入炉内进行充分的搅拌融合；

5、浇注

采用铁模覆砂造型工艺将铁水包内的熔融态铁液浇铸到成型模具中，模型设计为一 模一个铸件，铸件模样下部厚大处的四个立柱上安装气眼针，浇注系统设置陶瓷过滤片， 浇注时包嘴处覆设一定规格的三角石棉纤维毡，铁液流注入速度保持前急后缓，迅速充 满型后再缓速压住紊流赶出型腔内的气体，浇完后一箱回补前一箱冒口，充分保持凝固前压力头的高度。

开箱时间控制要求：根据铸件重量及壁厚大小，要求浇注完后40分钟开箱，切取本体拉棒、试块B-3做性能和金相检测，其性能指标列于表1。同实施例1相比，不同 之处在于仅采用一次孕育。

对比实施例4：

一种高强度高韧性铸态球墨铸铁，由以下原料组成：Q12生铁、增碳剂、含铬废钢、回炉料、稀土镁合金、电解铜、锡、钼、铸元素变质剂、硅铁孕育剂和随流孕育剂，其 含有的化学元素含量为：C3.75％，Si2.6％，Mn0.3％，P0.02％，S0.02％，Cu0.55％，Cr0.115％，Sn0.02％，Mo0.06％、铸元素变质剂0.03％、Mg0.035％，Re0.03％，其余为Fe；铸元素 变质剂主要成分为：强烈促进球化的铈元素Ce及份数占比6％的金属化合物助熔剂和份 数占比93.97％的除渣剂，其中金属化合物助熔剂为Sn类化合物，除渣剂粒度80目上 下；Q12生铁加入量占10％、增碳剂加入量占3.5％、回炉料加入量占10％、稀土镁合 金加入量占1％、电解铜加入量占0.6％、锡加入量占0.02％、钼加入量占0.04％、铸元 素变质剂加入量占0.03％、硅铁孕育剂加入量占0.6％、随流孕育剂加入量占0.2％，其 余为含铬废钢；Q12生铁为高碳、低磷、低硫的优质风电铸件用生铁；增碳剂为碳化硅 增碳剂，其吸收率为98％、含硫量等于0.04％；含铬废钢为含铬量不低于2.0％的优质轴 承钢冲压件下脚料。

一种高强度高韧性铸态球墨铸铁的制备方法，包括以下步骤：

1、原料熔炼

首先将Q12生铁、回炉料、稀土镁合金和含铬废钢一同加入1T中频电炉熔炼，然 后采用冲入法加入锡、钼、电解铜，得到原料均呈熔融态的铁液，搅拌均匀后，采用高 频红外碳硫分析仪、碳硅分析仪、插入式电子测温枪，耐克只读光谱仪分析铁液成份， 并根据成份分析结果对熔炉内铁液成份含量进行调整，直至铁液化学成份达到要求后进 行静置保温；

2、搅拌调制

将步骤1所得熔融态铁液进行单向搅拌，并在转速稳定后将碳化硅增碳剂吹送到1T 中频电炉内，并使碳化硅增碳剂与1T中频电炉内的熔融态铁液充分搅拌均匀，然后保温静置，使碳中的石墨成分在铁液中被充分吸收得到成分要求中的碳含量；

3、变质处理

将步骤2所得熔融态铁液进行单向搅拌，并在转速稳定后将铸元素变质剂吹送到1T 中频电炉内，并使铸元素变质剂与1T中频电炉内的熔融态铁液充分搅拌均匀，然后保温静置；

4、孕育处理

1)一次孕育，首先将加入量占0.4％的硅铁孕育剂先投入铁水包，然后冲入500公斤的铁液，待完全溶化后，将铁液快速倾倒入炉内进行充分的搅拌融合；

2)球化二次孕育，待炉内铁液温度达到1530℃出炉温度要求时，沿炉嘴铁液流二次加入0.2％硅铁孕育剂进行球化二次孕育；

3)随流三次孕育，将可调节式随流孕育装置架设于铁水包嘴处，使孕育斗漏口正对铁水包嘴液流，随浇铸铁水流将加入量占0.2％的随流孕育剂带入铸件中，过程中适时调整孕育斗出口量的大小，保证随流孕育剂足量流出；

5、浇注

采用普通湿型砂造型工艺将铁水包内的熔融态铁液浇铸到成型模具中。

开箱时间控制要求：根据铸件重量及壁厚大小，要求浇注完后40分钟开箱，切取本体拉棒、试块B-4做性能和金相检测，其性能指标列于表1。同实施例1相比，不同 之处在于采用普通湿型砂造型工艺。

表1

通过表1可以发现，A-1到A-3各项性能都比B-1到B-4数据好，且各项数据以 A-1最优，说明采用本发明制备方法所得的铸态球墨铸铁，对上述性能都有好的促进作 用。

实施例1的A-1和对比实施例1的B-1相比，本发明通过加入铸元素变质剂，起到 强烈促进球化、细化晶粒、净化铁水的作用；其中微量Ce元素助推球化反应，促进球 化级别的提高；Sn类化合物助熔剂能帮助铁液温升提高，催生C原子形核活力，细化 晶核；除渣剂在高温铁水中迅速聚合浮在铁液液面上的熔融状态的金属氧化物，既能净 化铁水又可减少过多金属氧化物对Mg元素的烧损，直接促进了球化反应中Mg的吸收 效果；以上三大作用为促进奥氏体转变及珠光体的形成奠定了良好的基础，为实现强度 性能的提高提供了可靠保障，为实现铸态下抗拉强度≥860、延伸率≥6％的材质性能，获 得高强度、高韧性的铸件产品提供了可靠保障。

实施例1的A-1和对比实施例2的B-2相比，本发明微量铬元素由废钢配料带入， 其含量稳定，无须单独储存和防护，对环境和操作者造不成直接伤害，还能因价格差异 而取得部分收益，取消锑等有毒合金元素的加入，在熔炼过程中加入适量的锡、铬和钼， 充分保证微量合金元素的复合强化作用，促进珠光体的生成和铁素体的固溶强化，为实 现铸态下抗拉强度≥860、延伸率≥6％的材质性能，获得高强度、高韧性的铸件产品提供 了可靠保障。

实施例1的A-1和对比实施例3的B-3相比，本发明孕育处理采用一次孕育、球 化二次孕育和随流三次孕育的多次强化孕育的方法，其中，2)球化二次孕育，待炉内 铁液温度达到1530℃出炉温度要求时，沿炉嘴铁液流二次加入硅铁孕育剂进行球化二次 孕育，随球化时铁液翻腾而使硅铁孕育剂得以充分吸收，且球化处理使得球化形核能力 增强，石墨球更加细化圆整，促进了铸件塑性和韧性的增强；3)随流三次孕育，将可 调节式随流孕育装置架设于铁水包嘴处，使孕育斗漏口正对铁水包嘴液流，随浇铸铁水 流将随流孕育剂带入铸件中，过程中适时调整孕育斗出口量的大小，保证随流孕育剂足 量流出，达到强化孕育的效果；其中，可调节式随流孕育装置采用本公司自主研发的专 利号为：ZL.201720777253.9的一种新型可调节式随流孕育装置，可以准确高效的向包 嘴内添加随流孕育剂，进而提高强化孕育的效果，防止孕育不足而出现降低强度性能的 渗碳体组织，因此这也是如何实现铸态强度性能提高的重要一步。可见，通过上述制备 方法的改进为实现铸态下抗拉强度≥860、延伸率≥6％的材质性能，获得高强度、高韧性 的铸件产品提供了可靠保障。

实施例1的A-1和对比实施例4的B-4相比，本发明浇注采用铁模覆砂造型工艺 将铁水包内的熔融态铁液浇铸到成型模具中，模型设计为一模一个铸件，铸件模样下部 厚大处的四个立柱上安装气眼针，浇注系统设置陶瓷过滤片，浇注时包嘴处覆设一定规 格的三角石棉纤维毡起到二次撇渣的作用，铁液流注入速度保持前急后缓，迅速充满型 后再缓速压住紊流并赶出型腔内的气体，消除夹杂、气孔缺陷，浇完后一箱回补前一箱 冒口，充分保持凝固前压力头的高度，防止缩松产生。通过采用上述制备方法为实现铸 态下抗拉强度≥860、延伸率≥6％的材质性能，获得高强度、高韧性的铸件产品提供了可 靠保障。

综上所述，通过添加特殊的铸元素变质剂和微量元素，以及通过采用一次孕育、球化二次孕育和随流三次孕育的多次强化孕育方法和采用铁模覆砂造型工艺，实现铸态下抗拉强度≥860、延伸率≥6％的材质性能，获得高强度、高韧性、内部组织均匀的铸件产品。此外，结合当地地区冲压产业基地的有利条件，优质含铬轴承钢冲压件下脚料供应 充足，变废为宝、成本较低。

上述具体实施方式仅是本发明的具体个案，并非是对本发明作其它形式的限制，任 何熟悉本专业的技术人员可能利用上述揭示的技术内容加以变更或改型为等同变化的等效实施方式。但是凡是未脱离本发明技术原理的前提下，依据本发明的技术实质对以 上实施方式所作的任何简单修改、等同变化与改型，皆应落入本发明的专利保护范围。

Claims (9)

1.一种高强度高韧性铸态球墨铸铁，其特征在于，由以下原料组成：Q12生铁、增碳剂、含铬废钢、回炉料、稀土镁合金、电解铜、锡、钼、铸元素变质剂、硅铁孕育剂和随流孕育剂，其含有的化学元素含量为：

C3.7％-3.8％，Si2.4％-2.6％，Mn0.3％-0.4％，P≤0.03％，S≤0.01％-0.02％，Cu0.55％-0.60％，Cr0.09％-0.14％，Sn0.02％-0.025％，Mo0.04％-0.06％、铸元素变质剂0.03％-0.035％、Mg0.035％-0.055％，Re0.025％-0.035％，其余为Fe；

所述铸元素变质剂主要成分为：强烈促进球化的铈元素Ce及份数占比6％的金属化合物助熔剂和份数占比93.97％的除渣剂，其中金属化合物助熔剂为Sn类化合物。

2.如权利要求1所述的一种高强度高韧性铸态球墨铸铁，其特征在于：所述Q12生铁加入量占10％、增碳剂加入量占3.5％、回炉料加入量占10％、稀土镁合金加入量占1％、电解铜加入量占0.6％、锡加入量占0.02％、钼加入量占0.04％、铸元素变质剂加入量占0.03％、硅铁孕育剂加入量占0.6％、随流孕育剂加入量占0.2％，其余为含铬废钢。

3.如权利要求1所述的一种高强度高韧性铸态球墨铸铁，其特征在于：所述Q12生铁为高碳、低磷、低硫的优质风电铸件用生铁。

4.如权利要求1所述的一种高强度高韧性铸态球墨铸铁，其特征在于：所述增碳剂为碳化硅增碳剂，其吸收率不小于98％、含硫量小于等于0.04％。

5.如权利要求1所述的一种高强度高韧性铸态球墨铸铁，其特征在于：所述含铬废钢为含铬量不低于2.0％的优质轴承钢冲压件下脚料。

6.一种高强度高韧性铸态球墨铸铁的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

1、原料熔炼

首先将Q12生铁、回炉料、稀土镁合金和含铬废钢一同加入1T中频电炉熔炼，然后采用冲入法加入锡、钼、电解铜，得到原料均呈熔融态的铁液，搅拌均匀后，采用高频红外碳硫分析仪、碳硅分析仪、插入式电子测温枪，耐克只读光谱仪分析铁液成份，并根据成份分析结果对熔炉内铁液成份含量进行调整，直至铁液化学成份达到要求后进行静置保温；

2、搅拌调制

将步骤1所得熔融态铁液进行单向搅拌，并在转速稳定后将增碳剂吹送到1T中频电炉内，并使增碳剂与1T中频电炉内的熔融态铁液充分搅拌均匀，然后保温静置，使碳中的石墨成分在铁液中被充分吸收得到成分要求中的碳含量；

3、变质处理

将步骤2所得熔融态铁液进行单向搅拌，并在转速稳定后将铸元素变质剂吹送到1T中频电炉内，并使铸元素变质剂与1T中频电炉内的熔融态铁液充分搅拌均匀，然后保温静置；

4、孕育处理

1)一次孕育，首先将硅铁孕育剂先投入铁水包，然后冲入铁液，待完全溶化后，将铁液快速倾倒入炉内进行充分的搅拌融合；

2)球化二次孕育，待炉内铁液温度达到1530℃-1570℃出炉温度要求时，沿炉嘴铁液流二次加入硅铁孕育剂进行球化二次孕育；

3)随流三次孕育，将可调节式随流孕育装置架设于铁水包嘴处，使孕育斗漏口正对铁水包嘴液流，随浇铸铁水流将随流孕育剂带入铸件中，过程中适时调整孕育斗出口量的大小，保证随流孕育剂足量流出，孕育量不低于0.2％；

5、浇注

采用铁模覆砂造型工艺将铁水包内的熔融态铁液浇铸到成型模具中，模型设计为一模一个铸件，铸件模样下部厚大处的四个立柱上安装气眼针，浇注系统设置陶瓷过滤片，浇注时包嘴处覆设一定规格的三角石棉纤维毡，铁液流注入速度保持前急后缓，迅速充满型后再缓速压住紊流赶出型腔内的气体，浇完后一箱回补前一箱冒口，充分保持凝固前压力头的高度。

7.如权利要求6所述的一种高强度高韧性铸态球墨铸铁的制备方法，其特征在于：所述步骤3孕育处理的1)一次孕育中，硅铁孕育剂加入量占0.4％，铁液冲入量为500公斤。

8.如权利要求7所述的一种高强度高韧性铸态球墨铸铁的制备方法，其特征在于：所述步骤3孕育处理的2)球化二次孕育中，硅铁孕育剂加入量占0.2％。

9.如权利要求8所述的一种高强度高韧性铸态球墨铸铁的制备方法，其特征在于：所述步骤3孕育处理的3)随流三次孕育中，随流孕育剂加入量占0.2％。