CN109182638A - 一种大断面圆棒料球墨铸铁型材及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种大断面圆棒料球墨铸铁型材，大断面圆棒料球墨铸铁型材中碳、硅、锰、磷、硫元素的质量百分比分别为碳：3.35％‑3.5％、硅3.1％‑3.3％、锰：0.15％‑0.25％、磷：0％‑0.04％，硫：0％‑0.018％，其余为铁，得到的大断面圆棒料球墨铸铁型材断面有着很低的硬度差(10HB之内)，加工出的螺杆有着优越的动平衡性能，使用寿命长，大断面圆棒料球墨铸铁的制备方法中添加纯金属锡粒，利用微量合金锡的逆偏析特性抵消硅在凝固过程中的逆偏析，使得凝固冷却后型材的组织断面上的硬度均匀，晶粒更细，致密度更高。这些组织均匀的球墨铸铁大断面型材，经过加工后具有优越的动平衡特性。

Description

一种大断面圆棒料球墨铸铁型材及其制备方法

技术领域

本发明属于铸铁材料及铸造冶金技术领域，特别涉及一种大断面圆棒料球墨铸铁型材及其制备方法。

背景技术

我国球墨铸铁生产起步很早，1950年就研制成功并投入生产，球墨铸铁作为一种高强度铸铁材料，其综合性能接近于钢，日常用于制造受力较大而又承受震动和冲击的零件，广泛应用于汽车、农机、船舶、冶金、化工等行业，经过近几年迅速发展仅次于灰铸铁,成为重要的铸铁材料。

铸铁水平连铸铸造出的球墨铸铁型材大多是致密度好、强度高的优异铸铁型材，铸铁水平连铸铸造出的球墨铸铁型材因为不需要使用太多的造型材料，而对环境几乎没有污染。

优越的品质使得越来越多的水平连铸铸造出的球墨铸铁型材被应用在更多领域上，诸如工程机械、机床、压缩机、液压阀块、输送传动螺杆等领域。

尤其在各种空压机上的传动螺杆上，球墨铸铁型材越来越广泛得到应用，但是水平连铸在生产大断面螺杆类棒料的时候，因为连铸的特性，需要大量的孕育才能使得保温炉内储存的铁液具有足够的形核能力，才能稳定与提高生效率，确保结晶器内的铁液快速凝固成型，同时金属的凝固质量得到保障。

现有技术在生产大断面球墨铸铁圆棒料型材时，因为球化处理及孕育处理会带入大量的硅，而硅是负偏析元素，即凝固结晶时，型材心部的含硅量比型材边缘要低，这使得前期凝固的区域因为富硅而形成较多的铁素体，因此型材通常边缘的硬度明显偏低于心部的硬度。

型材心部因为球化残留稀土镁等正偏元素的富集，形成心部的硬度与边缘硬度的反差，这种反差就是组织不均匀，这种组织不均匀的现象对螺杆转子的动平衡有着很大的影响，这种组织不均匀的现象就是通过后期的热处理也很难消除。本发明就特别针对这种难点而探索出了一种切实可行的制备方法。

发明内容

本发明的目的是提供一种大断面圆棒料球墨铸铁型材及其制备方法，其解决了大断面球墨铸铁圆棒料型材在生产时出现组织偏析的问题，它利用锡反偏析的特性抵消硅的反偏析，使得大断面球墨铸铁圆棒料(截面大于250mm)的型材，获得硬度不超过十个点的硬度差，后期进一步热处理之后，获得稳定的动平衡性能，使得型材加工后获得的螺杆寿命得到很大的提高。

本发明的另一目的是提供大断面球墨铸铁制备的一种新工艺。

本发明的上述技术目的是通过以下技术方案得以实现的：

一种大断面圆棒料球墨铸铁型材，大断面圆棒料球墨铸铁型材中碳、硅、锰、磷、硫、锡元素的质量百分比分别为：

碳：3.35％-3.5％；

硅3.1％-3.3％；

锰：0.15％-0.25％；

锡：0.01％-0.02％；

磷：0％-0.04％；

硫：0％-0.018％；

其余为铁。

采用上述技术方案，得到的大断面圆棒料球墨铸铁型材断面有着很低的硬度差(10HB之内)，加工出的螺杆有着优越的动平衡性能，使用寿命长。

优选的一种大断面圆棒料球墨铸铁型材中碳、硅、锰、磷、硫、锡的质量百分比为：

碳：3.35％；

硅：3.15％；

锰：0.2％；

锡：0.01％-0.02％；

磷：0％-0.04％；

硫：0％-0.018％；

其余为铁。

一种大断面圆棒料球墨铸铁的制备方法，具体包括以下步骤：

(1)铁水的熔炼，将生铁与废钢、回炉料依次加入到中频感应电炉中熔炼铁水，生铁与废钢全部溶化后检测铁水中各元素的含量，并调整各元素含量至符合配方要求，出铁温度为1430-1450℃，随后进行球化处理；

(2)铁水的球化处理，在球化包内添加含硅量42％的球化剂和0.01％-0.02％的纯金属锡粒，在球化剂上覆盖一层硅铁块，硅铁块上覆盖碎钢片，冲入铁水进行球化处理，待球化反应完成后，彻底扒渣，并加入铁水总重量0.5％的孕育剂，搅拌溶解后，倾入保温炉拉拔；

(3)球化后铁水包内的温度控制在1375-1390℃之间，保温炉内铁液温度控制在1335-1350℃，在拉拔启动阶段，铁水注入保温炉内之后先停留3分钟，使得注入后的铁水包裹住牵引头，并结晶凝固出一定的强度，使得引锭杆子在牵引机组的牵引拉拔下，以稳定的经验步长约35-50mm/步，并以拉-停-拉的方式稳步启动，在拉拔过程中注意每小时观测循环水的出水温度，高于50℃时，补水降温；

(4)待启动稳定，红热的型材上辊之后，根据拉出的步长显示的颜色，判定是否需要提速，确定主操作盘上拉拔与停留的正常生产参数，为了确保组织的均匀性，拉拔参数设置正常范围内的最低值，以缩短型材拉拔出口之后型材内铁液液心停留时间，获得稳定组织及型材尺寸轮廓。

综上所述，本发明具有以下有益效果：

通过在铁水球化处理后获得低碳高硅的最终成分，并在球化处理包内加入0.015％的纯金属锡粒，利用锡的逆偏析特性，提高凝固后型材表面的硬度与心部硬度的均匀性。

具体实施方式

实施例1：一种大断面圆棒料球墨铸铁型材，选用QT450材质的的型材，QT450材质的的型材中碳、硅、锰、磷、硫元素的质量百分比分别为

碳：3.35％；

硅：3.15％；

锰：0.2％；

磷：0.04％；

硫：0.015％；

其余为铁。

QT450材质的的型材的制备方法，具体包括以下步骤：

此型材截面断面较大，液心在拉拔出口之外很远的距离仍会存在。生产时切忌拉拔速度偏快，液面过低等，会影响断面组织的质量。

因此选择在河北恒工机械装备科技有限公司的二号生产线上生产。

将结晶器与保温炉组合安装完毕后，使用天燃气燃烘烤保温炉，约3-5个小时，生产前保温炉内的温度约是500-600度，呈红色，以减少温度的波动与先期注入铁水的氧化。

(1)铁水的熔炼，将生铁与废钢、回炉料依次加入到10吨中频顿感应电炉中熔炼铁水，生铁、废钢与回炉料全部溶化后检测铁水中各元素的含量，并调整各元素含量至符合配方要求，出铁温度为1450℃，随后进行球化处理；

(2)铁水的球化处理，在球化包内添加含硅量42％的球化剂和0.01％的纯金属锡粒，在球化剂上覆盖一层硅铁块，硅铁块上用碎钢片覆盖严实，然后冲入铁水球化，球化反应完成后，彻底扒渣、测温，然后再加入铁水总重量0.5％的孕育剂，孕育剂含硅量为70％硅钡钙孕育剂，选用6-1球化剂，处理铁水一包在1.4T，球化剂粒度10-30mm，覆盖用的硅铁粒度10-35mm，孕育用3-8mm的硅钡孕育剂，彻底扒静渣后，测量确认温度合适之后将孕育剂加入到铁水包表面，并迅速进行搅拌，之后转移至浇注台浇注入保温炉；

(3)球化后铁水包内的温度控制在1390℃，保温炉内铁液温度控制在1350℃，在拉拔启动阶段，铁水注入保温炉内之后先停留3分钟，使得注入后的铁水包裹住牵引头，并结晶凝固出一定的强度，使得引锭杆子在牵引机组的牵引拉拔下，以稳定的经验步长约35-50mm/步，并以拉-停-拉的方式稳步启动，在拉拔过程中注意每小时观测循环水的出水温度，高于50℃时，补水降温；

(4)待启动稳定，红热的型材上辊之后，根据拉出的步长显示的颜色，判定是否需要提速，确定主操作盘上拉拔与停留的正常生产参数，为了确保组织的均匀性，拉拔参数设置正常范围内的最低值，以缩短型材拉拔出口之后型材内铁液液心停留时间，稳定组织。

(5)为了达到稳产，高品质的目标，补给炉内铁水间隔时间必须严格控制在9-11分钟之内，本着勤补少补的原则，这样才能保持保温炉铁液的“新鲜度”，才能最大程度的降低保温炉内压力的波动，才能确保炉内的铁液具有很强的自发形核能力，这样在循环水的冷却促使下，在拉拔机组的牵引下，结晶器内的铁液迅速凝固，并且，外部轮廓尺寸稳定，外表光洁，内在组织致密。

实施例2-4：一种大断面圆棒料球墨铸铁型材，其中碳的质量分数与实施例1中不一致，其它各组分质量分数与实施例1相同，一种大断面棒料球墨铸铁型材各组分相应的质量分数如表1所示。

实施例5-7：一种大断面圆棒料球墨铸铁型材，其中硅的质量分数与实施例1中不一致，其它各组分质量分数与实施例1相同，一种大断面棒料球墨铸铁型材各组分相应的质量分数如表2所示。

实施例8-10：一种大断面圆棒料球墨铸铁型材，其中锰的质量分数与实施例1中不一致，其它各组分质量分数与实施例1相同，一种大断面棒料球墨铸铁型材各组分相应的质量分数如表3所示。

实施例11-13：一种大断面圆棒料球墨铸铁型材，其中锡的质量分数与实施例1中不一致，其它各组分质量分数与实施例1相同，一种大断面棒料球墨铸铁型材各组分相应的质量分数如表4所示。

实施例14-16：一种大断面圆棒料球墨铸铁型材，其中磷的质量分数与实施例1中不一致，其它各组分质量分数与实施例1相同，一种大断面棒料球墨铸铁型材各组分相应的质量分数如表5所示。

实施例17-19：一种大断面圆棒料球墨铸铁型材，其中硫的质量分数与实施例1中不一致，其它各组分质量分数与实施例1相同，一种大断面棒料球墨铸铁型材各组分相应的质量分数如表6所示。

实施例20：一种大断面圆棒料球墨铸铁型材的制备方法，其中步骤1中出铁温度为1430℃，其它具体步骤与实施例1相同。

实施例21：一种大断面圆棒料球墨铸铁型材的制备方法，其中步骤1中出铁温度为1440℃，其它具体步骤与实施例1相同。

实施例22：一种大断面圆棒料球墨铸铁型材的制备方法，其中步骤3中球化后铁水包内的温度为1375℃，其它具体步骤与实施例1相同。

实施例23：一种大断面圆棒料球墨铸铁型材的制备方法，其中步骤3中球化后铁水包内的温度为1380℃，其它具体步骤与实施例1相同。

实施例24：一种大断面圆棒料球墨铸铁型材的制备方法，其中步骤3中保温炉内铁液温度为1335℃，其它具体步骤与实施例1相同。

实施例25：一种大断面圆棒料球墨铸铁型材的制备方法，其中步骤3中保温炉内铁液温度为1340℃，其它具体步骤与实施例1相同。

表1.实施例1-4中组分及其相应的重量

表2.实施例5-7中组分及其相应的重量

表3.实施例8-10中组分及其相应的重量

表4.实施例11-13中组分及其相应的重量

表5.实施例14-16中组分及其相应的重量

表6.实施例17-19中组分及其相应的重量

为了能够与实施例1-25形成对比，从而将各组分以及含量的变化所带来的效果凸显，设置了如下各组对比例。

对比例1：一种大断面圆棒料球墨铸铁型材，与实施例1-19的不同之处在于各组分的质量分数不变，不添加Sn。

进行如下性能测试试验：

实验器材选用QT450材质的的试样、HBE-3000M型布氏硬度计。

实验原理：

布氏硬度测量方法原理是将一定直径的硬质合金球施加试验力压入试样表面经规定的保持时间后，卸除试验力，测量试样表面压痕的直径。

由压头球直径D和测量所得的试样压痕直径d可算出压痕面积，即：

于是布氏硬度值可由以下式算出：布氏硬度＝常数×试验力/压痕表面积，即：

上式中：d＝(d₁+d₂)/2；D，d单位为mm；F单位为N。

HBE-3000M布氏硬度计采用布氏硬度测量原理，可进行布氏硬度测量，适用于未经淬火钢、铸铁、有色金属及质地较软的轴承合金等材料。具有测试精度高，测量范围宽，试验力自动加载、自动保持计时、自动卸载等特点。

本硬度计所带读数显微镜为20倍，鼓轮最小刻度值为0.005mm，使用时应合理利用光源。测量较小压痕直径时，也可以应用其它更大放大倍数的读数装置以提高读数准确度。

使用本机时试验力的选择应保证压痕直径在0.24D-0.6D之间；试验力-压头直径平方的比率(0.102F/D²)应根据材料和硬度选择，当试样尺寸允许时，优先选用10mm的球压头。

实验步骤：

1、测试设备

检查接好的电源线，打开电源开关，电源指示灯亮。试验机进行自检、复位，显示当前的试验力保持时间，该参数自动记忆关机前的状态。

2、安装压头

选取要用的压头，用酒精清洗其粘附的防锈油，然后用棉花或其它软布擦拭干净，装入主轴孔内，旋转紧定螺钉使其轻压于压头尾柄之扁平处；同时将试样平稳、密合的安放在样品台。顺时针转动手轮，使样品台上升，试样与压头接触，直至手轮与螺母产生相对滑动(打滑)，最后将压头紧定螺钉旋紧。

3、选择试验力

硬度计能提供5种试验力供选用，共有砝码7个，其中1个1.25kg砝码，1个5kg砝码，5个10kg砝码，通过砝码的组合来实现5种试验力。

4、试验力保持时间设置

将标准硬度块放置在样品台中央，顺时针平稳转动手轮，使样品台上升，试样与压头接触；直至手轮与螺母产生相对滑动(打滑)，即停止转动手轮。此时按“开始”键，试验开始自动运行，依次自动完成以下过程：试验力加载(加载指示灯亮)；试验力完全加上后开始按设定的保持时间倒计时，保持该试验力(保持指示灯亮)；时间到后立即开始卸载(卸载指示灯亮)，完成卸载后恢复初始状态(电源指示灯亮)。

6、试验

将被测试样放置在样品台中央，按照上述方法测试出试样的硬度值，选取试样的上边缘的硬度值，试样中心的上1/4处的硬度值，试样的中心硬度值，试样中心的下1/4处的硬度值，试样的下边缘处的硬度值，试样的左边缘处的硬度值，试样中心的左1/4处的硬度值，试样中心的右1/4处的硬度值，型材的右边缘处的硬度值，记录在表7中。

试验结果如表7。

表7断面硬度变化对比

由表7数据可以看出，在低碳高硅，不添加锡时硬度差距26个HB以内,加锡并调整碳硅成分之后，且添加锡的质量百分比为0.015％，断面硬度差由26个HB降低到了10个HB以内。动平衡也由原来的16.93g.mm/kg降低到了9.3g.mm/kg左右，降低幅度约45％，动平衡性能大大提升。

对比例2：一种大断面圆棒料球墨铸铁型材，与实施例1-19的不同之处在于各组分的质量分数不变，Sn的添加量为0.003％。

进行如下性能测试试验：

采用上述实验步骤记录在表8上。

试验结果如表8。

表8断面硬度变化对比

由表8数据可以看出，在低碳高硅，添加0.003％的锡时硬度差距26个HB以内,加0.015％锡并调整碳硅成份之后，断面硬度差由26个降低到了10个HB以内。动平衡也由原来的16.93g.mm/kg降低到了9.3g.mm/kg左右，降低幅度约45％，动平衡性能大大提升。

对比例3：一种大断面圆棒料球墨铸铁型材，与实施例1-19的不同之处在于各组分的质量分数不变，Sn的添加量为0.05％。

进行如下性能测试试验：

采用上述实验步骤记录表8。

试验结果如表9。

表9断面硬度变化对比

由表9数据可以看出，在低碳高硅，添加0.05％的锡时硬度差距26个HB以内,加0.015％锡并调整碳硅成份之后，断面硬度差由26个降低到了10个HB以内。动平衡也由原来的16.93g.mm/kg降低到了9.3g.mm/kg左右，降低幅度约45％，动平衡性能大大提升。

综上所述对比例1-3，进行分析，得出结果QT450材质的的型材中碳、硅、锰、磷、硫元素的质量百分比分别为碳：3.35％、硅：3.15％、锰：0.2％、磷：0.04％、硫：0.015％，锡：0.015％，其余为铁，出铁温度为1450℃，球化后铁水包内的温度控制在1390℃之间，保温炉内铁液温度控制在1350℃，断面硬度差10个HB以内，动平衡性能大大提升且最稳定。

上述实施例利用微量合金锡的逆偏析特性抵消硅在凝固过程中的逆偏析，使得凝固冷却后型材的组织断面上的硬度均匀，晶粒更细，致密度更高，这些组织均匀的球墨铸铁大断面型材，经过加工后具有优越的动平衡特性。

本具体实施例仅仅是对本发明的解释，其并不是对本发明的限制，本领域技术人员在阅读完本说明书后可以根据需要对本实施例做出没有创造性贡献的修改，但只要在本发明的保护范围内都受到专利法的保护。

Claims (3)

1.一种大断面圆棒料球墨铸铁型材，其特征在于：所述大断面圆棒料球墨铸铁型材中碳、硅、锰、磷、硫、锡元素的质量百分比分别为：

碳：3.2％-3.5％；

硅：1.25％-1.35％；

锰：0.15％-0.25％；

锡：0.01％-0.02％；

磷：0％-0.04％；

硫：0％-0.018％；

其余为铁。

2.根据权利要求1所述的一种大断面圆棒料球墨铸铁型材，其特征在于：所述大断面圆棒料球墨铸铁中碳、硅、锰、磷、硫、锡的质量百分比为：

碳：3.35％；

硅：1.35％；

锰：0.2％；

锡：0.15％；

磷：0.04％；

硫：0.011％；

其余为铁。

3.基于权利要求1所述的一种大断面圆棒料球墨铸铁的制备方法，其特征在于：具体包括以下步骤：

(1)铁水的熔炼，将生铁与废钢采用中频感应电炉熔炼铁水，生铁与废钢全部溶化后检测铁水中各元素的含量，并调整各元素含量至符合配方要求，出铁温度为1430-1450℃，随后进行球化处理；

(2)铁水的球化处理，在球化包内添加含硅量42％的球化剂和0.01％-0.02％的纯金属锡粒，在球化剂上覆盖一层硅铁块，硅铁块上覆盖碎钢片，冲入铁水进行球化处理，待球化反应完成后，彻底扒渣，并加入铁水总重量0.5％的孕育剂，搅拌溶解后，倾入保温炉拉拔；

(3)球化后铁水包内的温度控制在1375-1390℃之间，保温炉内铁液温度控制在1335-1350℃，在拉拔启动阶段，铁水注入保温炉内之后先停留3分钟，使得注入后的铁水包裹住牵引头，并结晶凝固出一定的强度，使得引锭杆子在牵引机组的牵引拉拔下，以稳定的经验步长约35-50mm/步，并以拉-停-拉的方式稳步启动，在拉拔过程中注意每小时观测循环水的出水温度，高于50℃时，补水降温；

(4)待启动稳定，红热的型材上辊之后，根据拉出的步长显示的颜色，判定是否需要提速，确定主操作盘上拉拔与停留的正常生产参数，为了确保组织的均匀性，拉拔参数设置正常范围内的最低值。