CN109750131B - 超声波辅助改善球墨铸铁孕育效果的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及球墨铸铁生产技术领域，尤其涉及利用超声波改善球墨铸铁孕育效果的方法。本发明包括如下步骤：A、原料配制及熔炼：将配好的原材料置于感应炉中，熔化成球墨铸铁原铁水，并使之过热到1500‑1600℃；B、浇入铁水包：将球墨铸铁原铁水倾倒至预热温度为1100‑1450℃的铁水包中；C、超声波处理：将超声波探头浸入液面下约1‑50mm，对铁水包内的原铁水施加超声波处理；D、取出超声波探头：超声波处理结束后，移出超声波探头；E、球化处理：将处理后的原铁水采用型外球化处理法，或者采用型内球化处理法；F、孕育处理：将球化处理后的铁水进行孕育处理；G、定型：将球铁液浇入铸型或铸锭模中凝固成形。本发明的技术方案解决了现有技术中高耗能、高污染的问题。

Description

超声波辅助改善球墨铸铁孕育效果的方法

技术领域

本发明涉及球墨铸铁生产技术领域，尤其涉及利用超声波改善球墨铸铁孕育效果的方法。

背景技术

球墨铸铁是从20世纪50年代至今发展迅速的铸造合金。世界工业发达国家广泛采用球墨铸铁取代锻钢、铸钢、可锻铸铁和普通灰口铸铁制作各种结构件，由此获得了巨大的经济效益和社会效益。至今在全世界范围内，球墨铸铁的年产量与黑色铸造金属(铸钢、可锻铸铁和普通灰铸铁之和)的年产量之比值还在继续增加。有的工业发达国家球墨铸铁的年产量已经超过普通灰铸铁的年产量。

在球墨铸铁的生产过程中，要添加球化剂和孕育剂，球化剂是能使石墨成球状的添加剂。目前，在工业生产领域，主要的球化剂是Mg、稀土元素(以Ce、La为主的轻稀土和以钇为主的重稀土)和钙。但是至今为止，后两者(稀土和钙)已经不单独使用，而是与镁复合使用作球化剂。

在浇注阶段，将少量材料加入熔融原铁水，促使形成结晶核心，以改善金属组织和物理性能、力学性能的方法叫做孕育处理，所加入的材料称为孕育剂。

在球化处理时，常采用FeSi75(俗称七五硅铁)合金作为孕育剂，加入量(质量分数)在0.8-1.5％的范围内。还有复合孕育剂，以及适合于各种不同用处的孕育剂，如：钡硅铁、锶硅铁、硅钙、铋等等。

对球化处理后的铁水进行孕育处理，从目前的认识来看，至少有以下几个目的：

(1)消除球化元素所造成的白口倾向，获得铸态无自由渗碳体的铸件。

(2)细化球状石墨，因而增加石墨球的数量；提高石墨球的圆整度，改善球化率。

(3)由于细化了石墨球，共晶团的数目也相应地增加，因而可减少晶间的偏析程度，这对改善机械性能特别是对延伸率和冲击韧性的提高很有利。

一种好的孕育方法应该有简便易行，能避免孕育衰退和节省孕育剂等优点，目前常用的一些方法：

(一)一次孕育：在采用冲入法球化时，可把孕育剂全部覆盖在处理包内的球化剂上，待冲入铁液进行球化处理时，同时发生孕育作用。也可把孕育剂的一部分覆盖在处理包内的球化剂上，其余部分的孕育剂则放在出铁槽上，靠铁液冲入包内。

(二)二次孕育：为了改善孕育效果，除在炉前进行一次孕育外，在转包时再次进行一次甚至多次的孕育，这种方法较一次炉前孕育法有较好的效果，又称为瞬时孕育，迟后孕育。在生产中常采取如下的工艺：

1.倒包孕育：在炉前一次孕育的基础上，在浇注前从运转包倒入浇注包时，再次添加孕育剂，可随铁流添加，可包底添加，也可在铁液表面添加后搅拌。可以添加多次。添加时间越接近浇注时，效果越好。添加孕育剂一般为0.1％，粒度范围与铁液量有关，在0.2-32mm之间。

2.浇口杯孕育：将粒度为0.2-2mm的孕育剂放入带拔塞的定量浇口杯内，当铁液在浇口杯中有一定量后拔塞充型。添加0.1-0.2％的孕育剂，适用于大型铸件。

3.浇包漏斗随流孕育：采用茶壶式浇包或气压式浇包，在其侧面装有可控制孕育剂流量的漏斗，通过机械或光电管控制，使漏斗内的孕育剂在浇注期间均匀地随铁液流进铸型。添加0.1-0.15的孕育剂，粒度为20-40筛号，适用的铸件壁厚在100mm以下。此法适用于中小铸件在流水线和批量生产或用于离心铸造球墨铸铁管的大量生产。

4.型内孕育块：把孕育剂用水玻璃、石蜡或酚醛树脂粘结成团块，放在直浇道底部，加入量只要其质量分数的0.02-0.05％，就可达到瞬时孕育的效果，球化率有明显改善，渗碳体消除并且铁素体数量增加。它适用于批量和流水线生产，也可用于单件生产。

孕育剂的主要成分是硅铁，也可以附加少量其它元素，如稀土、锰等。最好是把孕育剂破碎成100筛号以下，用粘结剂结成固定的形状，也可以用铸造方法浇注成孕育块。

为了避免有未熔的孕育块部分进入铸件型腔，最好是在内浇道处安放过滤网。

5.孕育丝：孕育丝方法的装置和操作与喂丝法球化处理相同。采用孕育丝对球墨铸铁进行二次孕育处理时，是把铁液浇入铸型的过程中，采用内径为4.77mm的薄钢管，其中装满孕育剂，使钢管与铁液流不断接触，从而达到瞬时孕育的目的。把孕育剂粉碎成40-140筛号，装在薄钢管中捣实，在1cm长的钢管中，装入大约0.06g的孕育剂。

孕育丝的送进速度折合成孕育剂的加入量，一般是铁液质量的0.02-0.05％，即可满足二次孕育的需要。孕育过程可用计算机控制。由于孕育丝的熔化速度为一定值，所以要求铁液流量应与之相适应。对于球墨铸铁，在浇注温度在1300-1350℃的情况下，铁液流量为2.25kg/s。孕育丝工艺适合于流水线生产。

纵观目前在球墨铸铁生产中所实施的孕育方法，不难看出，无一不是采用添加含有化学元素的孕育剂的方法，而利用超声波方法并未见诸报道，该种方法由于是属于物理方法范畴，因而具有工艺简单、操作方便、实施迅速、效果好、实用性强等优点；由于是物理方法，因而也具有对操作者个人、铁水本身以及周围环境等都没有污染，属于绿色铸造方法之一，符合世界铸造行业的发展趋势-优质、高效、环保的要求。

针对上述现有技术中所存在的问题，研究设计一种新型的超声波辅助改善球墨铸铁孕育效果的方法，从而克服现有技术中所存在的问题是十分必要的。

发明内容

根据上述提出高耗能、高污染的技术问题，而提供一种超声波辅助改善球墨铸铁孕育效果的方法。本发明主要利用超声波的空化效应来改善球墨铸铁孕育效果，从而达到环保、节能、快速、优质、高效效果。

本发明采用的技术手段如下：

一种超声波辅助改善球墨铸铁孕育效果的方法，包括如下步骤：

A、原料配制及熔炼：按照球墨铸铁的成分要求进行配料，将配好的原材料置于感应炉中，经过约60分钟熔化成球墨铸铁原铁水，并使之过热到1500-1600℃；

B、浇入铁水包：将球墨铸铁原铁水倾倒至经预热的铁水包中，铁水包的预热温度为1100-1450℃；铁水包内铁水熔体重约1-150kg；

C、超声波处理：将超声波探头从原铁水熔体上方浸入液面下约1-50mm，对铁水包内的原铁水施加超声波处理；超声波处理过程中，超声波强度为0.1-12W/cm³，超声波频率为19-60kHz，超声波处理时间为1-10分钟；超声波处理过程中，铁水包的冷却速度控制在0.1-1.0℃/s范围内；

D、取出超声波探头：超声波处理结束后，移出超声波探头；

E、球化处理：将处理后的原铁水进行球化处理，球化处理可以采用型外球化处理法，例如：冲入法、喂丝法等，在处理过程中，在球化包上口盖上保温盖。也可以采用型内球化处理法；球化剂使用生产厂家的现成产品，如：稀土硅铁镁合金，用量为球化铁水重量的1-5％。

F、孕育处理：将球化处理后的铁水进行孕育处理，可以进行一次孕育，也可以进行二次孕育。孕育处理过程中，使用的孕育剂可以是市场上的现成产品，如：钡硅铁(Si-Ba5)合金，添加量为铁水重量的0.1-0.6％。

G、定型：待激烈的球化反应结束后，将球铁液浇入铸型或铸锭模中，使之凝固成形。

进一步地，上述原铁水是在球化处理和孕育处理之前进行超声波处理。

较现有技术相比，本发明具有以下优点：

1、本发明提供的超声波辅助改善球墨铸铁孕育效果的方法，利用超声波在原铁水熔体中刺激产生更多的石墨晶胚，借以控制球墨铸铁生产过程中的球化处理和孕育处理阶段的凝固组织，这是对传统的球墨铸铁生产工艺的一次技术上的挑战。它打破了以往的、单纯使用硅铁、钡硅铁、锶硅铁、硅钙、铋等化学孕育剂对球墨铸铁进行孕育的方法，同时也是对传统的球墨铸铁孕育机理也提出了新的观点和理解。为球墨铸铁合金的生产和成型技术开辟出一种崭新的材料加工方法，并对研究超声波场的作用机制，以及超声波场下金属熔体的变化规律，发展和完善材料铸造成型技术都具有重要的科学意义。

2、本发明提供的超声波辅助改善球墨铸铁孕育效果的方法，通过普通的原铁水熔体经过高能超声波处理后产生石墨的动力学刺激形核，增加了后续的球化处理所产生的石墨球数量，该方法是一种节省孕育处理过程中孕育剂使用量的物理处理方法。它具有高效节能、操作简单、经济环保、资源再生等特点，是有别于传统的化学孕育剂处理方法。

3、本发明提供的超声波辅助改善球墨铸铁孕育效果的方法，通过在原铁水中施加超声波所产生的声空化气泡还兼具去除球墨铸铁熔体中的气体和夹杂物的作用，从而获得晶粒细小、不含气孔、组织致密、没有偏析的组织，因而超声波处理提高了球墨铸铁的孕育效果。

4、本发明提供的超声波辅助改善球墨铸铁孕育效果的方法，及生产设备结构简单，成本低、投入少，它是冶金、机械和材料等多学科的综合与交叉的液态成型技术，也符合未来铸造行业的发展方向。

5、本发明提供的超声波辅助改善球墨铸铁孕育效果的方法，对于研究超声波空化效应的作用机制，研究超声波场下的球墨铸铁熔体的变化规律，理解球墨铸铁中石墨球的形成机理以及发展和完善球墨铸铁的制造工艺和技术，都有重要的现实意义。

综上，应用本发明的技术方案解决了现有技术中高耗能、高污染的问题。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图做以简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明工艺流程图。

图2为本发明实施例1中没有超声波处理原铁水对球墨铸铁孕育效果的影响，50倍。

图3为本发明实施例1中超声波处理原铁水对球墨铸铁孕育效果的影响，50倍。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本发明及其应用或使用的任何限制。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本发明的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对布置、数字表达式和数值不限制本发明的范围。同时，应当清楚，为了便于描述，附图中所示出的各个部分的尺寸并不是按照实际的比例关系绘制的。对于相关领域普通技术人员己知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术、方法和设备应当被视为授权说明书的一部分。在这里示出和讨论的所有示例中，任何具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制。因此，示例性实施例的其它示例可以具有不同的值。应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步讨论。

在本发明的描述中，需要理解的是，方位词如“前、后、上、下、左、右”、“横向、竖向、垂直、水平”和“顶、底”等所指示的方位或位置关系通常是基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，在未作相反说明的情况下，这些方位词并不指示和暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位或者以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明保护范围的限制：方位词“内、外”是指相对于各部件本身的轮廓的内外。

为了便于描述，在这里可以使用空间相对术语，如“在……之上”、“在……上方”、“在……上表面”、“上面的”等，用来描述如在图中所示的一个器件或特征与其他器件或特征的空间位置关系。应当理解的是，空间相对术语旨在包含除了器件在图中所描述的方位之外的在使用或操作中的不同方位。例如，如果附图中的器件被倒置，则描述为“在其他器件或构造上方”或“在其他器件或构造之上”的器件之后将被定位为“在其他器件或构造下方”或“在其位器件或构造之下”。因而，示例性术语“在……上方”可以包括“在……上方”和“在……下方”两种方位。该器件也可以其他不同方式定位(旋转90度或处于其他方位)，并且对这里所使用的空间相对描述作出相应解释。

此外，需要说明的是，使用“第一”、“第二”等词语来限定零部件，仅仅是为了便于对相应零部件进行区别，如没有另行声明，上述词语并没有特殊含义，因此不能理解为对本发明保护范围的限制。

如图1所示，本发明提供了一种超声波辅助改善球墨铸铁孕育效果的方法，其特征在于，所述的超声波辅助改善球墨铸铁孕育效果的方法包括如下步骤：

A、原料配制及熔炼：按照球墨铸铁的成分要求进行配料，将配好的原材料置于感应炉中，经过约60分钟熔化成球墨铸铁原铁水，并使之过热到1500-1600℃；

B、浇入铁水包：将球墨铸铁原铁水倾倒至经预热的铁水包中，铁水包的预热温度为1100-1450℃；铁水包内铁水熔体重约1-150kg；

C、超声波处理：将超声波探头从原铁水熔体上方浸入液面下约1-50mm，对铁水包内的原铁水施加超声波处理；超声波处理过程中，超声波强度为0.1-12W/cm³，超声波频率为19-60kHz，超声波处理时间为1-10分钟；超声波处理过程中，铁水包的冷却速度控制在0.1-1.0℃/s范围内；

D、取出超声波探头：超声波处理结束后，移出超声波探头；

E、球化处理：将处理后的原铁水进行球化处理，球化处理可以采用型外球化处理法，例如：冲入法、喂丝法等，在处理过程中，在球化包上口盖上保温盖。也可以采用型内球化处理法；球化剂使用生产厂家的现成产品，如：稀土硅铁镁合金，用量为球化铁水重量的1-5％。

F、孕育处理：将球化处理后的铁水进行孕育处理，可以进行一次孕育，也可以进行二次孕育。孕育处理过程中，使用的孕育剂可以是市场上的现成产品，如：钡硅铁(Si-Ba5)合金，添加量为铁水重量的0.1-0.6％。

G、定型：待激烈的球化反应结束后，将球铁液浇入铸型或铸锭模中，使之凝固成形。

原铁水是在球化处理和孕育处理之前进行超声波处理。

实施例1

1、用牌号为Q12的本溪铸造生铁

(C:4.2％,Si:1.3％,Mn:0.2％,P:0.07％,S:0.03％)4.3kg、含碳量为0.2％的废钢0.7kg、含硅量为75％的硅铁0.006kg和牌号为80C的石墨增碳剂0.05kg为原材料配制5kg球墨铸铁铸铁，将配制好的原材料用100kW可控硅控制的感应炉熔化，时间大约50分钟，并将铸铁熔体过热至1500℃；其中配制成的铸铁名义成分如下(所述的合金成分均为质量百分数，下同)：C＝3.9％；Si＝3.0％；Mn<0.3％；S<0.03％；P<0.07％。碳当量＝4.8，属于过共晶球墨铸铁。

2、将熔化的原铁水熔体倾转至预热温度为1450℃的铁水包中，盖上保温盖。

3、将超声波探头浸入原铁水熔体液面下5mm，对铁水包内的原铁水施加强度为12W/cm3的高能超声波，超声波频率为19kHz，超声波处理时间为30秒。

4、超声波处理结束后，立即移出超声波探头，将原铁水从铁水包中倒入球化包，进行球化和孕育处理。球化和孕育处理采用冲入法，事先在球化包包底一角放好球化剂，孕育剂覆盖其上，最后再在孕育剂的上面撒上废铸铁屑，球化剂使用厂家的现成产品-稀土硅铁镁合金(牌号：FeSiMg8Re7)，使用量为所处理球铁液重量的1.7％；孕育剂使用钡硅铁(牌号：Si-Ba5)合金，添加量为铁水重量的0.4％。在处理过程中，球化包的上口盖上保温盖，以避免温度下降太快。

5、待激烈的球化、孕育处理反应结束后，将球铁液浇入铸型中凝固成形。

实施例2

1、用本溪生铁(C:4.2％,Si:1.8％,Mn:0.6％,P:0.05％,S:0.03％)90kg、废钢(C:0.2％,Si:0.3％,Mn:0.5％,P:0.02％,S:0.02％)10kg、75％硅铁(含75％Si)0.2kg为原材料配制成100kg的球墨铸铁，将配好的原材料放在感应炉中熔化约70分钟，制成球墨铸铁原铁水，并过热至1550℃；配制成的原铁水的化学成分为：C＝3.8％，Si＝1.44％，Mn＝0.47％,P＝0.047％,S＝0.058％。

2、将熔化的原铁水熔体倾转至预热的铁水包中，铁水包的预热温度为1250℃，并盖上保温盖。

3、将超声波探头浸入原铁水熔体液面下25mm，对铁水包内的原铁水施加强度为6W/cm3的高能超声波，超声波频率为40kHz，超声波处理时间为5分钟。

4、超声波处理结束后，立即移出超声波探头，将原铁水从铁水包中倒入球化包，进行球化和孕育处理。球化和孕育处理采用冲入法，事先在球化包包底一角放好球化剂，孕育剂覆盖其上，最后再在孕育剂的上面撒上废铸铁屑，球化剂使用厂家的现成产品-铜镁合金(牌号：Cu80Mg20)，使用量为所处理球铁液重量的0.7％；孕育剂使用含硅量为75％的硅铁(牌号：FeSi75)合金，添加量为铁水重量的0.6％。在处理过程中，球化包的上口盖上保温盖，避免温度下降太快。

5、待球化、孕育处理结束后，将球铁液浇入铸型中凝固成形。

实施例3

1、以Z14生铁、废钢和65％锰铁为原材料共计150kg，各种原材料的成分、质量百分比如下：

Z14生铁：C＝4.0％，Si＝1.41％，Mn＝0.6％,P＝0.05％,S＝0.03％；配料比例＝87.5％,重量＝131.25kg；

废钢：C＝0.2％，Si＝0.3％，Mn＝0.5％,P＝0.01％,S＝0.01％；配料比例＝12.5％,重量＝18.75kg；

65％锰铁：Mn＝65％；配料比例＝0.275％,重量＝0.41kg；

将配制好的原材料用250kW可控硅控制的感应炉熔化，并将熔体过热至1600℃；其中配制成的铸铁名义成分如下(wt％)：C＝3.7％；Si＝1.98％；Mn＝0.6％；S＝0.051％；P＝0.022％。

2、将熔化的原铁水熔体倾转至预热的铁水包中，铁水包的预热温度为1100℃，并盖上保温盖。

3、将超声波探头浸入原铁水熔体液面下50mm，对铁水包内的原铁水施加强度为12W/cm3的高能超声波，超声波频率为60kHz，超声波处理时间为10分钟。

4、超声波处理结束后，立即移出超声波探头，将原铁水从铁水包中倒入球化包，进行球化和孕育处理。球化和孕育处理采用冲入法，事先在球化包包底一角放好球化剂，孕育剂覆盖其上，最后再在孕育剂的上面撒上废铸铁屑，球化剂使用厂家的现成产品-稀土镁合金(牌号：REMg7-10，成分为Si＝44％，Mg＝9％,RE＝6％)，使用量为所处理球铁液重量的1.5％；孕育剂使用含硅量为75％的硅铁(牌号：FeSi75)合金，添加量为铁水重量的0.3％。在处理过程中，球化包的上口盖上保温盖，以避免温度下降太快。

5、待球化、孕育处理反应结束后，将球铁液浇入铸型中，最后凝固成形。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (3)

1.一种超声波辅助改善球墨铸铁孕育效果的方法，其特征在于，所述的超声波辅助改善球墨铸铁孕育效果的方法包括如下步骤：

A、原料配制及熔炼：按照球墨铸铁的成分要求进行配料，将配好的原材料置于感应炉中，熔化成球墨铸铁原铁水，并使之过热到1500-1600℃；

B、浇入铁水包：将球墨铸铁原铁水倾倒至经预热的铁水包中，铁水包的预热温度为1100-1450℃；

C、超声波处理：将超声波探头从原铁水熔体上方浸入液面下1-50mm，对铁水包内的原铁水施加超声波处理；

D、取出超声波探头：超声波处理结束后，移出超声波探头；

E、球化处理：将处理后的原铁水进行球化处理，球化处理采用型外球化处理法，或者采用型内球化处理法；

F、孕育处理：将球化处理后的铁水进行孕育处理，进行一次孕育或二次孕育；

G、定型：待激烈的球化反应结束后，将球铁液浇入铸型或铸锭模中，使之凝固成形。

2.根据权利要求1所述的超声波辅助改善球墨铸铁孕育效果的方法，其特征在于，所述的原铁水是在球化处理和孕育处理之前进行超声波处理。

3.根据权利要求1所述的超声波辅助改善球墨铸铁孕育效果的方法，其特征在于，所述的步骤C中的超声波处理过程中，超声波强度为0.1-12W/cm³，超声波频率为19-60kHz，超声波处理时间为1-10分钟；超声波处理过程中，铁水包的冷却速度控制在0.1-1.0℃/s范围内。

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