CN109913745A

CN109913745A - 镍合金化d型石墨奥氏体抗氧化性铸铁型材及其制造方法

Info

Publication number: CN109913745A
Application number: CN201910128185.7A
Authority: CN
Inventors: 魏志勇; 王敬民; 孔令伟
Original assignee: Hebei Constant Machinery And Equipment Technology Co Ltd
Current assignee: Hebei Constant Machinery And Equipment Technology Co Ltd
Priority date: 2019-02-20
Filing date: 2019-02-20
Publication date: 2019-06-21
Anticipated expiration: 2039-02-20
Also published as: CN109913745B

Abstract

本发明公开了镍合金化D型石墨奥氏体抗氧化性铸铁型材及其制造方法，属于铸铁材料及铸造冶金技术领域。其化学组成成分及质量百分比为：C：3.1‑3.8％、Si：2.3‑2.9％、Mn：0.4‑0.8％、Ti：0.1‑0.5％、Ni：5‑30％、S＜0.05％、P＜0.07％，其余为Fe。本技术方案在铸铁中添加钛、镍和控制铸造工艺方法获得D型石墨奥氏体基体的组织，大大地提升了型材的抗氧化性以及抗热疲劳性能。

Description

镍合金化D型石墨奥氏体抗氧化性铸铁型材及其制造方法

技术领域

本发明涉及铸铁材料及铸造冶金技术领域，具体涉及镍合金化D型石墨奥氏体抗氧化性铸铁型材及其制造方法。

背景技术

玻璃模具是玻璃成型中不可缺少的装备，玻璃生产的质量与产量都和模型直接有关。

玻璃模具用铸铁型材，由于频繁地与700℃-1100℃的熔融玻璃接触，承受氧化、生长及热疲劳等作用。同时，模具的接触面由于与玻璃制品的摩擦而被磨损，这就要求模具材料具有良好的耐热、耐磨、耐腐蚀、抗热冲击、抗氧化、抗生长、抗热疲劳性能，其中抗氧化性能是最主要的性能指标。

D型石墨铸铁由于比A型石墨铸铁具有更高的抗拉强度，更好的抗氧化性和耐磨性等优异性能，正受到国内外玻璃模具行业的广泛重视。D型石墨又称过冷石墨，属于片状石墨的一种，它是在奥氏体枝晶生长，奥氏体的连续性割裂了石墨片的连续性，且D型石墨与基体间的间隙比其他片状石墨与基体间的间隙小。D型石墨组织中的初生奥氏体具有骨架结构，而共晶奥氏体又像网络样把初生奥氏体的各个枝干连接在一起，提高了骨架抵抗外力的能力。再加上D型石墨细小、卷曲、端部较钝的形态，决定了它对基体的切割作用小，不易引起较大的应力集中，所以D型石墨铸铁具有较高的强度。

为此，人们在不断致力于探索得以形成D型石墨形态的铸造工艺，同时在铸造过程中添加合金元素来进一步优化铸铁型材的各种性能。

申请号为201210047966.1的中国专利公开了一种利用废钢替代生铁熔炼D型石墨合金铸铁玻璃模具材料及其玻璃模具，该材料包含下列重量百分比的组分：C 3.40～3.70、Si 1.80～2.20、Mn 0.60～0.80、P＜0.10、S＜0.10、Cr 0.20～0.40、Mo 0.60～0.80、V0.05～0.15、Ti 0.15～0.25，Ni 18.00～22.00，其余为Fe，该玻璃模具的硬度为130-170HBS，抗氧化性＜4.5g·m^-2h^-2，平均相对磨损量＜4.1％，具有较强的耐磨性能和抗氧化性能。但是，此种配方的模具在抗氧化性能上仍然不能满足现代生产对玻璃模具所提出的更高的要求。

发明内容

本发明的目的是提供一种利用水平连铸生产D型石墨铸铁型材的生产工艺，并使材料具有优异的抗氧化生长性能，兼具有较高的抗热疲劳性能。

为实现上述目的，本发明提供了如下技术方案：

镍合金化D型石墨奥氏体抗氧化性铸铁型材，由下列元素按照质量百分比制造而成：C：3.1-3.8％、Si：2.3-2.9％、Mn：0.4-0.8％、Ti：0.1-0.5％、Ni：5-30％、S＜0.05％、P＜0.07％，其余为Fe。

作为本发明再进一步的方案：所述型材由下列元素按照质量百分比制造而成：C：3.35-3.45％、Si：2.5-2.6％、Mn：0.55-0.65％、Ti：0.2-0.4％、Ni：10-20％、S＜0.05％、P＜0.07％，其余为Fe。

作为本发明再进一步的方案：所述型材由下列元素按照质量百分比制造而成：C：3.38％、Si：2.55％、Mn：0.62％、Ti：0.26％、Ni：15％、S＜0.05％、P＜0.07％，其余为Fe。

作为本发明再进一步的方案：镍合金化D型石墨奥氏体抗氧化性铸铁型材的制造方法，是通过以下步骤实现的：

(1)配料，将铸造生铁、废钢、废棒/铁屑、95％增碳剂、锰铁、钛铁、硅铁、金属镍进行化学成分分析，然后按下列质量百分比称取上述原料：C：3.3-3.8％、Si：1.88-2.4％、Mn：0.4-0.8％、Ti：0.1-0.5％、Ni：5-30％，S＜0.05％、P＜0.07％，其余为Fe；

(2)熔炼，将称量好的铸造生铁、废钢、废棒/铁屑、95％增碳剂、锰铁、钛铁、硅铁投入中频感应电炉熔炼，当铁水温度达到1430-1450℃出炉；

(3)铁水孕育，扒完渣，金属镍和孕育剂加入在铁水包表面，搅拌熔化，孕育的有效时间为10-12分钟，孕育剂加入量为铁水质量的0.3-0.6％；

(4)检测，孕育处理后的铁水取样化验，控制铁水中除铁元素外的化学元素质量百分比为：C：3.1-3.8％、Si：2.3-2.9％、Mn：0.4-0.8％、Ti：0.1-0.5％、Ni：5-30％、S＜0.05％、P＜0.07％；

(5)水平连铸拉拔：扒完渣测温，铁水温度控制在1385-1395℃之间，转往保温炉浇注，倾入装有水冷结晶器的保温炉浇注，倾倒完成后控制保温炉内铁液温度在1335-1355℃；第一包铁水注入保温炉内之后停留3分钟，使得注入后的铁水包裹住牵引头，并结晶凝固成固态，使引锭杆子在牵引机组的牵引拉拔下，以步长40-50mm/步，并以拉-停-拉的方式启动，在拉拔过程中控制循环水的出水温度不高于50℃。

作为本发明再进一步的方案：步骤(1)中所述配料按下列质量百分比称取：C：3.45-3.55％、Si：2.08-2.4％、Mn：0.55-0.65％、Ti：0.2-0.4％、Ni：10-20％、S＜0.05％、P＜0.07％，其余为Fe。

作为本发明再进一步的方案：步骤(2)中所述的原料熔炼温度达到1520-1550℃后，铁水从中频感应电炉内转入另一个保温炉内，与已经存在的铁水混合均匀，降温至1430-1450℃出炉

作为本发明再进一步的方案：步骤(3)中所述孕育剂为3-8mm的硅粒孕育剂，加入量为铁水质量的0.5％。

作为本发明再进一步的方案：步骤(5)中待牵引机组启动稳定，红热的型材上辊后，根据拉出的步长显示的颜色，判定是否需要提速，确定牵引机组主控操作盘上拉拔与停留的正常生产的参数。

作为本发明再进一步的方案：步骤(1)中所述铸造生铁为生铁Q10。

本发明的有益效果：采用在铸铁中添加钛、镍和控制铸造工艺方法获得D型石墨奥氏体基体的组织，大大地提升了型材的抗氧化性以及抗热疲劳性能。

具体实施方式

下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。

实施例1：

镍合金化D型石墨奥氏体抗氧化性铸铁型材，由下列元素按照质量百分比制造而成：C：3.1-3.8％、Si：2.3-2.9％、Mn：0.4-0.8％、Ti：0.1-0.5％、Ni：5-30％、S＜0.05％、P＜0.07％、其余为Fe。

本发明通过在熔炼时加入钛铁及金属镍，使得铁液中的石墨在共晶成份范围内析出成为细小蜷曲的D型石墨。经过孕育与合金化之后的铁液进入保温炉与石墨套后，在水冷石墨套内快速冷凝，共晶石墨在急冷状态下快速析出成为细小蜷曲的D型。细小的D型石墨缩尖端比较圆顿，彼此之间几乎不再连接，因而对基体的割裂作用大大减小，从而使得基体的强度得到发挥。同时因为镍的作用使得奥氏体枝晶铸态下得到保持。从而生产出抗氧化与生长性很高的D型石墨奥氏体铸铁。这种铸铁比同牌号的A型石墨铸铁疲劳强度，抗氧化性，明显优异。

添加金属镍，镍大部分固溶于基体之中，使得奥氏体稳定，从而提高了奥氏体铸铁的常温与高温性能，在温度变化中避免组织相变，降低因温差产生的热应力，铸铁不易产生裂纹破坏，减小了氧原子侵入基体的通道。基体为奥氏体时，由于奥氏体具有面心立方结构，原子密度大，因而溶质原子在其中的扩散速度小，降低了氧原子与金属原子的结合速度。从不同的温度氧化试验看，奥氏体基体铸铁的抗氧化性都好。从氧化过程观察看出，铸铁的氧化速度随温度的升高而升高，随着时间的增加铸铁的氧化速度所降低，这是因为随着时间的延长，在铸铁表面形成了一定厚度的氧化薄膜，阻碍了铸铁的进一步氧化的原因。

添加金属钛，促进了初生奥氏体枝晶的析出，影响了奥氏体枝晶的形态，改变共晶石墨生长的方式，促进D型石墨细化，形成弥散分布的D型石墨奥氏体铸铁，晶粒细密，硬度均匀，形成具有优越的抗氧化与抗生长的制作高温用玻璃模具的理想材料。

实施例2：

镍合金化D型石墨奥氏体抗氧化性铸铁型材的制造方法，是通过以下步骤实现的：

(1)配料，将铸造生铁、废钢、废棒/铁屑、95％增碳剂、锰铁、钛铁、硅铁、金属镍进行化学成分分析，然后按下列质量百分比称取上述原料：C：3.3-3.8％、Si：1.88-2.4％、Mn：0.4-0.8％、Ti：0.1-0.5％、Ni：5-30％，S＜0.05％、P＜0.07％，其余为Fe；优选的配料按下列质量百分比称取上述原料：C：3.45-3.55％、Si：2.08-2.4％、Mn：0.55-0.65％、Ti：0.2-0.4％、Ni：10-20％、S＜0.05％、P＜0.07％，其余为Fe；其中铸造生铁优选生铁Q10；

(2)熔炼，将按配比称量好的铸造生铁、废钢、废棒/铁屑、95％增碳剂、锰铁、钛铁、硅铁投入中频感应电炉熔炼，温度达到1520-1550℃后，铁水从中频感应电炉内转入另一个保温炉内，与已经存在的铁水混合均匀，降温至1430-1450℃出炉；

(3)铁水孕育，扒完渣，金属镍和孕育剂加入在铁水包表面，搅拌熔化，孕育的有效时间为10-12分钟，所述孕育的有效时间是指从搅拌均匀开始计算的时间，孕育剂加入量为铁水质量的0.3-0.6％；优选孕育剂为3-8mm的硅粒孕育剂，加入量为铁水质量的0.5％；

(5)水平连铸拉拔：扒完渣测温，铁水温度控制在1385-1395℃之间，转移至浇注台，倾入装有水冷结晶器的保温炉浇注，浇注过程要平稳，切忌注入速度过快或过慢，过慢容易造成温度，液面降低，过快造成保温炉内的液面压力波动过大，传递到结晶器前端，型材颜色发亮，容易出现拉拔失败。倾倒完成后控制保温炉内铁液温度在1335-1355℃；第一包铁水注入保温炉内之后停留3分钟，使得注入后的铁水包裹住牵引头，需要注意的是，生产前需严格按照生产型材的尺寸制作牵引头，且忌牵引头的粗制滥造，或者与石墨套的间隙过大或过小，过小无法排气，过大容易漏出铁水，都容易造成生产的失败。待结晶凝固成固态外壳，高温的固态外壳经得住牵引杆的拖拽而不产生任何开裂，变形，使引锭杆子在牵引机组的牵引拉拔下，以稳定的步长40-50mm/步，并以拉-停-拉的方式稳步启动，在拉拔过程中控制循环水的出水温度不高于50℃。待牵引机组启动稳定，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，确定牵引机组主控操作盘上拉拔与停留的正常生产的参数。

制作四股同时拉拔时，为了减少温度的波动与先期注入铁水的氧化，将结晶器与保温炉组合安装完毕后，使用生燃烧器烘烤保温炉，约3-5个小时，生产前保温炉内的温度约是500-600度，呈红色。

另外，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、均匀的冷却出具有稳定刚度、强度的型材，并且外部轮廓尺寸稳定，外表光洁，内在组织致密。

水平连铸技术，铁水由水平方向注入水平放置的结晶器内，铸坯凝固过程和在铸机内运动直至到达冷床均呈水平状态的连续铸钢类型。

水平连铸机的各个工艺设备(中间罐、结晶器、铸坯导向和二次冷却装置、拉坯机、输送辊道，切割设备等)均沿车间地坪呈水平状态布置在一条直线上。由于结晶器是水平放置，中间罐与结晶器紧密地连接在一起，有效地防止了铁水二次氧化；中间安有闸板，开始浇注时，闸板关闭，待中间罐接受钢包注入的铁水到达一定高度(超过结晶器断面高度)，才开始打开闸板让铁水流进结晶器，结晶器尾部有引锭杆将出口封住，待结晶器内充满铁水后，启动拉坯机将初凝铸坯拉出。

采用在铸铁中添加钛、镍和控制铸造工艺方法获得的镍合金化D型石墨奥氏体铸铁型材，具有优越的耐蚀性、可控的热膨胀、优越的低温与高温抗氧化性能。以此方法获得的D型石墨奥氏体基体组织中的D型石墨呈点状与小片状特征，分布无方向性，与基体间的间隔较小，这种特点在高温下，降低了氧化性气体侵入铸件内部的通道，减小了表面氧化，石墨形态、大小、数量是影响铸铁高温氧化速度的关键因素之一，细小互不连通的D型石墨具有较好的抗氧化性能。

实施例3：

根据实施例2中的生产工艺制造的镍合金化D型石墨奥氏体铸铁型材，各元素组成成分见下表：

方案	C(％)	Si(％)	Mn(％)	Ti(％)	Ni(％)	S(％)	P(％)	Fe(％)
									1	3.1	2.9	0.4	0.1	5	0.02	0.04	88.44
2	3.8	2.3	0.8	0.5	30	0.03	0.06	62.51
									3	3.45	2.6	0.6	0.3	17.5	0.01	0.05	75.49
4	3.35	2.6	0.55	0.2	10	0.02	0.05	83.23
									5	3.45	2.5	0.65	0.4	20	0.03	0.04	72.93
6	3.4	2.55	0.6	0.3	15	0.03	0.04	78.08
									7	3.38	2.55	0.62	0.26	15	0.02	0.05	78.12

实施例4：

抗氧化性能的测定方法：用氧化速度来判断铸铁的抗氧化性能。试样尺寸为φ12.5mm*25mm。每种材质加工若干个试样，试样机加工后经酒精、丙酮多次清洗，充分干燥后，用分度值为0.5mg的EG31型精密标准天平称量。每个试样分别直立放在不同刚玉坩埚内，按一定次序放入电阻炉中，升温到700℃，并保证炉内有充足的空气。氧化时间从达到700℃算起，保温500h后，间隔时间取样，炉冷到300℃，然后空冷到室温后立即称量，氧化速度按下式计算：

v＝(m₂-m₁)/T*S

式中，v为平均氧化速度，g/m²·h；

m₁为试验前试样的重量，g；

m₂为试验后试样的重量，g；

S为试样表面积，m²；

T—为试验时间，h。

实施例5：

热疲劳性能的测定方法：将φ15mm*10mm的试样在900℃保温20min，室温水冷5s，热循环至出现裂纹为止，记录其次数，依次来衡量其热疲劳性能。

实施例6：

对比例采用现有技术生产的不添加钛、镍等合金，(成份如下表)A型石墨形态的型材。

C(％)	Si(％)	Mn(％)	S(％)	P(％)	Fe(％)
						3.3	2.1	0.85	0.089	0.068	93.593

利用实施例3中的方案1-7和对比例制成的型材，对其抗氧化性以及热疲劳性能测定，从表1和表2的结果可以看出，实施例3中的方案1-7的技术指标远超过对比例。

表1实施例设计方案与对比例在抗氧化性能上的比较

不同石墨形态铸铁在700℃时的氧化速度比较(g/m²·h)

表2实施例设计方案与对比例在热疲劳性能上的比较

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims

1.镍合金化D型石墨奥氏体抗氧化性铸铁型材，其特征在于，该型材是由下列元素按照质量百分比制造而成：C：3.1-3.8％、Si：2.3-2.9％、Mn：0.4-0.8％、Ti：0.1-0.5％、Ni：5-30％、S＜0.05％、P＜0.07％，其余为Fe。

2.根据权利要求1所述的镍合金化D型石墨奥氏体抗氧化性铸铁型材，其特征在于：所述型材由下列元素按照质量百分比制造而成：C：3.35-3.45％、Si：2.5-2.6％、Mn：0.55-0.65％、Ti：0.2-0.4％、Ni：10-20％、S＜0.05％、P＜0.07％，其余为Fe。

3.根据权利要求1所述的镍合金化D型石墨奥氏体抗氧化性铸铁型材，其特征在于：所述型材由下列元素按照质量百分比制造而成：C：3.38％、Si：2.55％、Mn：0.62％、Ti：0.26％、Ni：15％、S＜0.05％、P＜0.07％，其余为Fe。

4.根据权利要求1所述的镍合金化D型石墨奥氏体抗氧化性铸铁型材的制造方法，是通过以下步骤实现的：

5.根据权利要求4所述的镍合金化D型石墨奥氏体抗氧化性铸铁型材的制造方法，其特征在于：步骤(1)中所述配料按下列质量百分比称取：C：3.45-3.55％、Si：2.08-2.4％、Mn：0.55-0.65％、Ti：0.2-0.4％、Ni：10-20％、S＜0.05％、P＜0.07％，其余为Fe。

6.根据权利要求4所述的镍合金化D型石墨奥氏体抗氧化性铸铁型材的制造方法，其特征在于：步骤(2)中所述的原料熔炼温度达到1520-1550℃后，铁水从中频感应电炉内转入另一个保温炉内，与已经存在的铁水混合均匀，降温至1430-1450℃出炉。

7.根据权利要求4所述的镍合金化D型石墨奥氏体抗氧化性铸铁型材的制造方法，其特征在于：步骤(3)中所述孕育剂为3-8mm的硅粒孕育剂，加入量为铁水质量的0.5％。

8.根据权利要求4所述的镍合金化D型石墨奥氏体抗氧化性铸铁型材的制造方法，其特征在于：步骤(5)中待牵引机组启动稳定，红热的型材上辊后，根据拉出的步长显示的颜色，判定是否需要提速，确定牵引机组主控操作盘上拉拔与停留的正常生产的参数。

9.根据权利要求4所述的镍合金化D型石墨奥氏体抗氧化性铸铁型材的制造方法，其特征在于：步骤(1)中所述铸造生铁为生铁Q10。