CN109777907A - 包含石墨烯的铸铁孕育剂、其制备方法及使用方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及包含石墨烯的铸铁孕育剂、其制备方法及使用方法。本发明提供一种铸铁孕育剂，其包含0.01％～10％(重量百分比)的石墨烯。在使用本发明的铸铁孕育剂进行孕育时，能够以更少的添加量实现更好的孕育效果。
Description
技术领域
本发明涉及铸铁孕育剂。具体地，本发明涉及包含石墨烯的铸铁孕育剂、该铸铁孕育剂的制备方法及使用方法。
背景技术
在灰铸铁生产中，为了提高铸件的机械性能，就要降低碳、硅含量，这样会在铸件凝固过程中形成渗碳体，渗碳体硬度高而脆，它降低机械性能和加工性能。此外，在球墨铸铁、蠕墨铸铁的生产中需要使用球化剂、蠕化剂，它们都强烈促进形成渗碳体。为了消除灰铸铁、球墨铸铁、蠕墨铸铁中的渗碳体，需对其进行孕育处理，即向铁水中加入一定量的孕育剂，利用其石墨化作用，在铁液中形成石墨核心，达到消除渗碳体的目的。
目前，铸铁的孕育处理有各种孕育方法，例如冲入法孕育、随流孕育、型内孕育、喂丝孕育等。孕育剂主要成分是Si、Fe，其他元素还有Sr、Ba、 Ca。孕育剂可以有多种形式或形状，例如粒状、块状、包芯线等。
传统孕育剂的石墨化能力弱，在孕育效果方面存在下述缺点：
1)孕育剂促进石墨化能力小，有时不能完全消除渗碳体；
2)孕育剂加入量大；
3)孕育次数多；
4)孕育后形成的石墨核心少；
5)形成的石墨片或石墨球尺寸大；
6)孕育衰退快；
7)由于回炉料Si含量高，在配料时不能大量使用回炉料。
发明内容
本发明有鉴于上述现有技术中存在的技术问题，其目的在于提供一种孕育效果更好的铸铁孕育剂、该铸铁孕育剂的制备方法及使用方法。
本发明人为解决上述技术问题进行了深入研究，结果发现：通过使铸铁孕育剂中包含石墨烯，能够实现更好的孕育效果，从而完成了本发明。
即，本发明包括：
1.一种铸铁孕育剂，其包含0.01％～10％、优选0.1％～5％、更优选 0.5％～3％、更优选1％～2.5％的石墨烯。
2.根据项1所述的铸铁孕育剂，其还包含40％-80％、优选60％-80％、更优选65％-80％的Si元素。
3.根据项1或2所述的铸铁孕育剂，其还包含10％-60％、优选15％-50％、更优选15％-40％、更优选20％-30％的Fe元素。
4.根据项1～3中任一项所述的铸铁孕育剂，其还包含0.1％-4％、优选 0.3％-3％、更优选0.6％-2％的Sr元素。
5.根据项1～4中任一项所述的铸铁孕育剂，其还包含0.1％-8％、优选 0.5％-6％、更优选1％-5％、更优选1.5％-4％、更优选2％-3％的Ba元素。
6.根据项1～5中任一项所述的铸铁孕育剂，其还包含0.1％-4％、优选 0.2％-3％、更优选0.5％-2.5％、更优选1％-2％的Ca元素。
7.根据项1～6中任一项所述的铸铁孕育剂，其还包含0.1％-3％、优选 0.2％-2.5％、更优选0.5％-2％的Al元素。
8.根据项1～7中任一项所述的铸铁孕育剂，其中，所述石墨烯具有 1～1000层、优选1～50层的片层结构。
9.一种项1～8中任一项所述的铸铁孕育剂的制备方法，其中，
使用包芯线生产线生产所述铸铁孕育剂，
所述包芯线生产线具备石墨烯加料斗，所述石墨烯加料斗可调节石墨烯流量
所述石墨烯加料斗设置于所述包芯线生产线的加料位置，且与其他物料的加料斗并排安放，
将石墨烯从所述石墨烯加料斗的所述下料口添加至所述包芯线生产线上，调整所述石墨烯的流量，使得所得包芯线形式的铸铁孕育剂中，石墨烯的含量为0.01％～10％、优选0.1％～5％、更优选0.5％～3％、更优选1％～2.5％。
10.项1～8中任一项所述的铸铁孕育剂的使用方法，其用于在铸造过程中对铁水进行孕育以减少渗碳体，其中，通过喂丝机将包芯线形式的所述铸铁孕育剂加入到铁水中，并且，相对于所述铁水，加入0.05～3％、优选0.1～2.5％、更优选0.2～2％、更优选0.5～1％的所述铸铁孕育剂。
需要说明的是，如无特别说明，在本说明书中，“％”均是指重量百分比。
发明效果
根据本发明，通过使用包含石墨烯的铸铁孕育剂，可以实现下述技术效果：
1)孕育剂石墨化强，能够完全消除渗碳体；
2)能够减少孕育剂加入量，达到良好孕育效果；
3)增加孕育后形成的石墨核心数；
4)得到细小石墨片或石墨球；
5)延长孕育衰退时间；
6)由于孕育剂加入量少，增Si少，在配料时能大量使用回炉料。
附图说明
图1为使用包芯线生产线生产本发明的铸铁孕育剂的示意图。其中，1为其他成分加料斗；2为石墨烯加料斗；3为包芯线钢带。
图2为显示本发明的铸铁孕育剂的使用方法的示意图。其中，1为喂丝机；2 为包芯线导向管；3为包芯线形式的石墨烯孕育剂；4为铁水包。
具体实施方式
为了更加清楚地显现本发明的目的、技术方案和技术效果，下面将结合附图对本发明的具体实施方式进行说明。应当理解的是，所描述的实施方式仅是本发明的部分而非全部实施方式。
在本说明书中，如无特殊说明，“％”是指重量百分比。
首先，本发明提供一种铸铁孕育剂(本发明的铸铁孕育剂)，其包含 0.01％～10％的石墨烯。
在本说明书中，所述石墨烯中所包含的碳元素为95％(重量百分比)以上、优选97％(重量百分比)以上、更优选98％(重量百分比)以上、更优选99％(重量百分比)以上、更优选99.5％(重量百分比)以上。所述石墨烯中可以包含 5％(重量百分比)以下、更优选3％(重量百分比)以下、更优选2％(重量百分比) 以下、更优选1％(重量百分比)以下、更优选0.5％(重量百分比)以下、更优选 0.1％(重量百分比)以下的氧元素和/或非氧非碳元素(例如氮元素)。
对于所述石墨烯的制备方法没有特殊限制，可以采用例如微机械剥离法、外延生长法、化学气相沉淀CVD法、石墨烯氧化物还原法等。石墨烯氧化物(即氧化石墨烯)可以通过用强氧化剂例如浓硫酸、浓硝酸、高锰酸钾等氧化石墨而得到。还原的石墨烯氧化物(即还原氧化石墨烯)可以通过将石墨烯氧化物还原而得到，对于还原方法没有特殊限制，可以采用肼还原法、硼氢化钠还原法、4C水热还原法等。需要说明的是，氧化石墨烯的含氧量通常在10％(重量百分比)以上，本说明书中所称的石墨烯不包括这种氧化石墨烯。
发明人发现，通过使铸铁孕育剂中包含石墨烯，能够实现更好的孕育效果。
作为本发明的铸铁孕育剂中包含的石墨烯的含量，优选0.01％～5％、更优选0.1％～3％、更优选0.5％～3％、更优选1％～2.5％。
作为本发明的铸铁孕育剂中还可以包含的任选成分，本发明的铸铁孕育剂可以以常规的含量包含现有铸铁孕育剂中通常包含的任何成分。例如，本发明的铸铁孕育剂中还可以包含40％-80％、优选60％-80％、更优选65％-80％的Si元素。再例如，本发明的铸铁孕育剂中还可以包含10％-60％、优选 15％-50％、更优选15％-40％、更优选20％-30％的Fe元素。再例如，本发明的铸铁孕育剂中还可以包含0.1％-4％、优选0.3％-3％、更优选0.6％-2％的Sr 元素。再例如，本发明的铸铁孕育剂中还可以包含0.1％-8％、优选0.5％-6％、更优选1％-5％、更优选1.5％-4％、更优选2％-3％的Ba元素。再例如，本发明的铸铁孕育剂中还可以包含0.1％-4％、优选0.2％-3％、更优选0.5％-2.5％、更优选1％-2％的Ca元素。再例如，本发明的铸铁孕育剂中还可以包含 0.1％-3％、优选0.2％-2.5％、更优选0.5％-2％的Al元素。
特别是，当本发明的铸铁孕育剂中包含Si 68-75％,石墨烯1.0-5.0％, Ba1.0-2.0％,Ca 1.0-2.0％,Al 1.0-2.0％,以及余量的Fe时，能够在加入量比普通无石墨烯孕育剂少15-40％的情况下，改善石墨的球化级别和大小。
对于本发明的铸铁孕育剂中使用的石墨烯的制备方法没有特殊限制，可以采用例如微机械剥离法、外延生长法、化学气相沉淀CVD法、石墨烯氧化物还原法等。石墨烯氧化物可以通过用强氧化剂例如浓硫酸、浓硝酸、高锰酸钾等氧化石墨而得到。还原的石墨烯氧化物可以通过将石墨烯氧化物还原而得到，对于还原方法没有特殊限制，可以采用肼还原法、硼氢化钠还原法、4C水热还原法等。
优选地，所述石墨烯可以具有1～1000层、优选1～50层的片层结构。
对于本发明的铸铁孕育剂的形式没有特殊限制，可以是例如粒状、块状或包芯线等形式，优选为包芯线。
对于本发明的铸铁孕育剂的制备方法没有特殊限制，可以采用本技术领域通常用于铸铁孕育剂的制备的那些方法。
但优选地，如图1所示，可以使用包芯线生产线生产所述铸铁孕育剂。所述包芯线生产线具备石墨烯加料斗，所述石墨烯加料斗可调节石墨烯流量，所述石墨烯加料斗设置于所述包芯线生产线的加料位置，且与其他物料的加料斗并排安放，将石墨烯从所述石墨烯加料斗添加至所述包芯线生产线上，调整所述石墨烯的流量，使得所得包芯线形式的铸铁孕育剂中，石墨烯的含量为0.01％～10％、优选0.1％～5％、更优选0.5％～3％、更优选1％～2.5％。
优选地，可以对添加的其他物料的量进行调整，使得所得的包芯线形式的铸铁孕育剂中的其他成分的含量在前述限定的范围。
如图1所示，在包芯线生产线上，设置有石墨烯加料斗，该加料斗可以调节石墨烯流量，当钢带在移动时，含硅孕育剂颗粒和石墨烯按一定比例流到钢带上，随后工序完成包芯线封边和缠盘、包装。这样，石墨烯就被均匀地、按一定重量比例包裹在包芯线中。
本发明的铸铁孕育剂例如可用于在铸铁过程中对铁水进行孕育以减少渗碳体。可以通过喂丝机将包芯线形式的所述铸铁孕育剂加入到铁水中，并且，相对于所述铁水，加入0.05～3％、优选0.1～2.5％、更优选0.2～2％、更优选0.5～1％的所述铸铁孕育剂。
喂丝机可以均匀地将包芯线加入铁水中，可以预先根据原铁水成分、铸件成分、孕育剂成分及元素烧损率计算出使用包芯线长度，设定好喂丝机喂丝速度和时间，完成孕育处理。
如何将比重比铁水轻的石墨烯加入铁水中，是一个技术难题，如果方法不当，石墨烯就会高温氧化或漂浮，无法起到孕育剂的作用。本发明通过在包芯线生产线上加料位置设置石墨烯加料斗，将石墨烯与常规孕育剂先后定量加到包芯线钢带上，形成机械混合的孕育剂，然后生产线使钢带包裹孕育剂并封边，最终制成包芯线形式的包含石墨烯的铸铁孕育剂；并且石墨烯孕育剂的使用通过喂丝机来实现，可将包芯线均匀、定量精确地加入铁水中。从而，做到石墨烯烧损少、在铁水中分布均匀、石墨烯不漂浮，实现了降低孕育剂加入量、强化孕育效果等技术效果。
实施例
以下通过实施例对本发明进行更具体的说明，但本发明不受这些实施例的限定。
汽车后桥壳
材质：球墨铸铁QT450-15
铸件重量：260kg
石墨烯孕育剂加入量1.0％，普通孕育剂(无石墨烯)加入量1.2％
孕育处理温度1380-1420℃
发动机缸体
材质：灰铸铁HT250
铸件重量：178kg
孕育剂成分：
石墨烯孕育剂加入量0.5％，普通无石墨烯孕育剂加入量0.8％
孕育处理温度：1350-1400℃。
Claims (10)
1.一种铸铁孕育剂，其包含0.01％～10％、优选0.1％～5％、更优选0.5％～3％、更优选1％～2.5％(重量百分比)的石墨烯。
2.根据权利要求1所述的铸铁孕育剂，其还包含40％-80％、优选60％-80％、更优选65％-80％(重量百分比)的Si元素。
3.根据权利要求1所述的铸铁孕育剂，其还包含10％-60％、优选15％-50％、更优选15％-40％、更优选20％-30％(重量百分比)的Fe元素。
4.根据权利要求1所述的铸铁孕育剂，其还包含0.1％-4％、优选0.3％-3％、更优选0.6％-2％(重量百分比)的Sr元素。
5.根据权利要求1所述的铸铁孕育剂，其还包含0.1％-8％、优选0.5％-6％、更优选1％-5％、更优选1％-4％、更优选1％-3％重量百分比)的Ba元素。
6.根据权利要求1所述的铸铁孕育剂，其还包含0.1％-4％、优选0.2％-3％、更优选0.5％-2.5％、更优选1％-2％(重量百分比)的Ca元素。
7.根据权利要求1所述的铸铁孕育剂，其还包含0.1％-3％、优选0.2％-2.5％、更优选0.5％-2％(重量百分比)的Al元素。
8.根据权利要求1～7中任一项所述的铸铁孕育剂，其中，所述石墨烯具有1～1000层、优选1～50层的片层结构。
9.一种权利要求1～8中任一项所述的铸铁孕育剂的制备方法，其中，
使用包芯线生产线生产所述铸铁孕育剂，
所述包芯线生产线具备石墨烯加料斗，所述石墨烯加料斗可调节石墨烯流量，
所述石墨烯加料斗设置于所述包芯线生产线的加料位置，且与其他物料的加料斗并排安放，
将石墨烯从所述石墨烯加料斗添加至所述包芯线生产线上，调整所述石墨烯的流量，使得所得包芯线形式的铸铁孕育剂中，石墨烯的含量为0.01％～10％、优选0.1％～5％、更优选0.5％～3％、更优选1％～2.5％(重量百分比)。
10.一种权利要求1～8中任一项所述的铸铁孕育剂的使用方法，其用于在铸铁过程中对铁水进行孕育以减少渗碳体，其中，通过喂丝机将包芯线形式的所述铸铁孕育剂加入到铁水中，并且，相对于所述铁水，加入0.05～3％、优选0.1～2.5％、更优选0.2～2％、更优选0.5～1％(重量百分比)的所述铸铁孕育剂。
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