CN110157975A - 一种高强度薄壁灰铁铸件的制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种高强度薄壁灰铁铸件的制备方法，包括以下步骤：(1)熔炼；(2)高温精炼；(3)孕育：铁液出炉温度控制在1530‑1545℃，浇包内孕育，孕育剂为SiC‑Zr‑Fe中间合金，SiC‑Zr‑Fe中间合金中SiC的质量含量为20‑30％，单质Zr的质量含量为7‑15％，余量为Fe；SiC‑Zr‑Fe中间合金的加入量为铁液质量的0.4‑0.55％；(4)浇注：浇注温度控制在l460‑1490℃浇注；本发明通过特定的孕育剂，有效改善了石墨形态和细化晶粒，对于提高灰铁铸件强度、硬度有显著作用，同时铸件中各元素配比适宜，使制备得到的灰铁铸件综合性能优异。

Description

一种高强度薄壁灰铁铸件的制备方法
技术领域
本发明涉及铸造技术领域，具体涉及一种高强度薄壁灰铁铸件的制备方法。
背景技术
灰铸铁是铸铁中的一种，其中碳以片状石墨形式存在于铸铁中。断口呈灰色。有良好的铸造、切削性能，耐磨性好。用于制造机架、箱体等。灰铸铁石墨呈片状，有效承载面积比较小，石墨尖端易产生应力集中，所以灰铸铁的强度、塑性、韧度都低于其他铸铁。但具有优良的减振性、低的缺口敏感性和高的耐磨性。
现有技术中提高薄壁灰铁铸件强度的常用方式为调整化学成分，即在铸件原料中减少碳含量，增加锰含量，并添加合金元素进行合金化处理，而合金元素的添加造成铸件成本的增加；现有技术采用常规熔炼、一次增碳和一次孕育的方式，所得到的灰铁铸件，其石墨分布不均匀，局部长而薄，局部粗大，严重降低了铸铁性能。
申请号为CN 201811148687.8的中国专利公开了一种高强度薄壁灰铁铸件的制备方法，通过采用3-8％生铁、50-65％废钢和27-42％回炉料作为熔化铁液的配比原料，采用熔炼、一次增碳、一次孕育、二次增碳、二次孕育、浇铸、型内孕育和退火的工艺方法，得到高强度薄壁灰铁铸件，其化学成分按质量百分比计为：C：2.9-3.5，Si：1.4-2.1，Mn：0.7-1.1，P：≤0.05，S：≤0.08，Cu：≤0.03，Sn：0.031-0.043，RE：0.01-0.03，余量Fe和不可避免杂质。该发明的制备方法不仅能制备得到高强度薄壁灰铁铸件，而且其成本低廉，综合性能优于铸件牌号为HT250的国家标准，但是其强度的提升仍有限，从而限制其应用范围。
发明内容
本发明的目的在于提供一种高强度薄壁灰铁铸件的制备方法，通过特定的孕育剂，有效改善了石墨形态和细化晶粒，对于提高灰铁铸件强度、硬度有显著作用，同时铸件中各元素配比适宜，使制备得到的灰铁铸件综合性能优异。
为实现以上目的，本发明通过以下技术方案予以实现：
一种高强度薄壁灰铁铸件的制备方法，包括以下步骤：
(1)熔炼：将各原料投入至中频熔炼炉中进行熔炼，熔炼过程中铁液温度为1540-1560℃，测定铁液中各元素的含量，并调整各元素含量至符合配方要求；
(2)高温精炼：将铁液温度调节至1580-1600℃，保温7-10min后除渣；
(3)孕育：铁液出炉温度控制在1530-1545℃，浇包内孕育，孕育剂为SiC-Zr-Fe中间合金，所述SiC-Zr-Fe中间合金中SiC的质量含量为20-30％，单质Zr的质量含量为7-15％，余量为Fe；SiC-Zr-Fe中间合金的加入量为铁液质量的0.4-0.55％；
(4)浇注：浇注温度控制在l460-1490℃，浇注至树脂砂型中；铁液凝固冷却并对铸件表面进行清理，即得所述高强度薄壁灰铁铸件。
优选地，步骤(4)所制备得到的灰铁铸件由以下成分组成：C：3.25-3.5％、Si：l.5-1.75％、Mn：0.6-0.8％、Cu：0.35-0.45％、Sr：0.3-0.4％、Zr：0.15-0.3％、RE：0.03-0.06％，P≤0.05％，S≤0.08％，余量为Fe和及不可避免的杂质。
优选地，所述稀土RE为Ce、La、Pr、Nd、Lu中的一种或多种的组合。
优选地，所述稀土RE为Nd与Lu按质量比1:1组成。
优选地，所述SiC-Zr-Fe中间合金的粒度为0.3-0.8mm。
优选地，所述SiC-Zr-Fe中间合金中SiC的质量含量为28％，单质Zr的质量含量为12％，余量为铁。
优选地，所述SiC-Zr-Fe中间合金中SiC的颗粒尺寸为30-100nm，单质Zr的颗粒尺寸为50-150nm。
本发明的有益效果是：
1、本发明在在进行孕育时，孕育剂为SiC-Zr-Fe中间合金，其中SiC在铸件中起到核心基底作用，其周围存在高密度位错，可明显改善共晶团数量及珠光体数量。单质Zr可降低溶解氮，抑制孕育衰退，并能增加奥氏体基底，而Zr在铁液中形成的碳化物、氮化物作为石墨结晶核心。本发明SiC-Zr-Fe中间合金中，适量的SiC与单质Zr配合，可有效细化晶粒，并能有效改善石墨形态，使石墨长度变短，从而显著提高灰铁铸件强度。特别是SiC的颗粒尺寸控制在30-100nm之间，单质Zr的颗粒尺控制在50-150nm之间时，其对灰铁铸件强度、硬度的提高最好。
2、在制备薄壁灰铁铸件的过程中，合理控制每一步的温度，其中精炼温度控制在1580-1600℃，可使去气、去杂的效果好；在孕育时将温度控制在1530-1545℃，也是本发明中SiC-Zr-Fe中间合金对应的较好的孕育温度，可加强孕育效果。
3、本发明所制备得到的薄壁灰铁铸件中各元素配比合理，特别时加入适量的Sr和稀土RE后，强度和硬度提高，而在稀土为Nd与Lu按质量比1:1组成时，效果更好。
4、本发明通过特定的孕育剂，有效改善石墨形态和细化晶粒，对于提高灰铁铸件强度、硬度有显著作用，其中A型石墨可达到88％以上，石墨长度4-5级，同时铸件中各元素配比适宜，使制备得到的灰铁铸件综合性能优异。
具体实施方式
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，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作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。
实施例1：
一种高强度薄壁灰铁铸件的制备方法，包括以下步骤：
(1)熔炼：将各原料投入至中频熔炼炉中进行熔炼，熔炼过程中铁液温度为1550℃，测定铁液中各元素的含量，并调整各元素含量至符合配方要求；
(2)高温精炼：将铁液温度调节至1585℃，保温9min后除渣；
(3)孕育：铁液出炉温度控制在1540℃，浇包内孕育，孕育剂为粒度为0.5-0.6mm的SiC-Zr-Fe中间合金，该SiC-Zr-Fe中间合金中SiC的质量含量为28％，单质Zr的质量含量为12％，余量为Fe；合金中SiC的颗粒尺寸为30-100nm，单质Zr的颗粒尺寸为50-150nm；
SiC-Zr-Fe中间合金的加入量为铁液质量的0.5％；
(4)浇注：浇注温度控制在l480℃，浇注至树脂砂型中；铁液凝固冷却并对铸件表面进行清理，即得所述高强度薄壁灰铁铸件，该灰铁铸件由以下成分组成：C：3.35％、Si：1.62％、Mn：0.78％、Cu：0.4％、Sr：0.36％、Zr：0.25％、Nd：0.025％、Lu：0.025％，P≤0.05％，S≤0.08％，余量为Fe和及不可避免的杂质。
实施例2：
一种高强度薄壁灰铁铸件的制备方法，包括以下步骤：
(1)熔炼：将各原料投入至中频熔炼炉中进行熔炼，熔炼过程中铁液温度为1560℃，测定铁液中各元素的含量，并调整各元素含量至符合配方要求；
(2)高温精炼：将铁液温度调节至1580℃，保温7-10min后除渣；
(3)孕育：铁液出炉温度控制在1530℃，浇包内孕育，孕育剂为粒度为0.7-0.8mm的SiC-Zr-Fe中间合金，该SiC-Zr-Fe中间合金中SiC的质量含量为20％，单质Zr的质量含量为14％，余量为Fe；合金中SiC的颗粒尺寸为30-100nm，单质Zr的颗粒尺寸为50-150nm；
SiC-Zr-Fe中间合金的加入量为铁液质量的0.45％；
(4)浇注：浇注温度控制在l460-1490℃，浇注至树脂砂型中；铁液凝固冷却并对铸件表面进行清理，即得所述高强度薄壁灰铁铸件，该灰铁铸件由以下成分组成：C：3.25％、Si：l.63％、Mn：0.65％、Cu：0.38％、Sr：0.36％、Zr：0.15％、Ce：0.05％，P≤0.05％，S≤0.08％，余量为Fe和及不可避免的杂质。
实施例3：
一种高强度薄壁灰铁铸件的制备方法，包括以下步骤：
(1)熔炼：将各原料投入至中频熔炼炉中进行熔炼，熔炼过程中铁液温度为1560℃，测定铁液中各元素的含量，并调整各元素含量至符合配方要求；
(2)高温精炼：将铁液温度调节至1600℃，保温7min后除渣；
(3)孕育：铁液出炉温度控制在1545℃，浇包内孕育，孕育剂为粒度为0.7-0.8mm的SiC-Zr-Fe中间合金，该SiC-Zr-Fe中间合金中SiC的质量含量为30％，单质Zr的质量含量为13％，余量为Fe；合金中SiC的颗粒尺寸为30-100nm，单质Zr的颗粒尺寸为50-150nm；
SiC-Zr-Fe中间合金的加入量为铁液质量的0.55％；
(4)浇注：浇注温度控制在l480℃，浇注至树脂砂型中；铁液凝固冷却并对铸件表面进行清理，即得所述高强度薄壁灰铁铸件，该灰铁铸件由以下成分组成：C：3.5％、Si：l.5％、Mn：0.66％、Cu：0.38％、Sr：0.4％、Zr：0.18％、Nd：0.02％、La：0.01％，P≤0.05％，S≤0.08％，余量为Fe和及不可避免的杂质。
实施例4：
一种高强度薄壁灰铁铸件的制备方法，包括以下步骤：
(1)熔炼：将各原料投入至中频熔炼炉中进行熔炼，熔炼过程中铁液温度为1550℃，测定铁液中各元素的含量，并调整各元素含量至符合配方要求；
(2)高温精炼：将铁液温度调节至1590℃，保温10min后除渣；
(3)孕育：铁液出炉温度控制在1530℃，浇包内孕育，孕育剂为粒度为0.3-0.4mm的SiC-Zr-Fe中间合金，该SiC-Zr-Fe中间合金中SiC的质量含量为20％，单质Zr的质量含量为15％，余量为Fe；合金中SiC的颗粒尺寸为30-100nm，单质Zr的颗粒尺寸为50-150nm；
SiC-Zr-Fe中间合金的加入量为铁液质量的0.4％；
(4)浇注：浇注温度控制在1490℃，浇注至树脂砂型中；铁液凝固冷却并对铸件表面进行清理，即得所述高强度薄壁灰铁铸件，该灰铁铸件由以下成分组成：C：3.25％、Si：l.67％、Mn：0.6％、Cu：0.35％、Sr：0.36％、Zr：0.15％、La：0.06％，P≤0.05％，S≤0.08％，余量为Fe和及不可避免的杂质。
实施例5：
一种高强度薄壁灰铁铸件的制备方法，包括以下步骤：
(1)熔炼：将各原料投入至中频熔炼炉中进行熔炼，熔炼过程中铁液温度为1540℃，测定铁液中各元素的含量，并调整各元素含量至符合配方要求；
(2)高温精炼：将铁液温度调节至1580℃，保温9min后除渣；
(3)孕育：铁液出炉温度控制在1530-1545℃，浇包内孕育，孕育剂为粒度为0.4-0.5mm的SiC-Zr-Fe中间合金，该SiC-Zr-Fe中间合金中SiC的质量含量为25％，单质Zr的质量含量为7％，余量为Fe；合金中SiC的颗粒尺寸为30-100nm，单质Zr的颗粒尺寸为50-150nm；
SiC-Zr-Fe中间合金的加入量为铁液质量的0.45％；
(4)浇注：浇注温度控制在l460℃，浇注至树脂砂型中；铁液凝固冷却并对铸件表面进行清理，即得所述高强度薄壁灰铁铸件，该灰铁铸件由以下成分组成：C：3.46％、Si：1.75％、Mn：0.8％、Cu：0.45％、Sr：0.3％、Zr：0.3％、Ce：0.03％，Pr：0.03％，P≤0.05％，S≤0.08％，余量为Fe和及不可避免的杂质。
实施例6：
一种高强度薄壁灰铁铸件的制备方法，包括以下步骤：
(1)熔炼：将各原料投入至中频熔炼炉中进行熔炼，熔炼过程中铁液温度为1545℃，测定铁液中各元素的含量，并调整各元素含量至符合配方要求；
(2)高温精炼：将铁液温度调节至1590℃，保温9min后除渣；
(3)孕育：铁液出炉温度控制在1540℃，浇包内孕育，孕育剂为粒度为0.3-0.4mm的SiC-Zr-Fe中间合金，该SiC-Zr-Fe中间合金中SiC的质量含量为25％，单质Zr的质量含量为10％，余量为Fe；合金中SiC的颗粒尺寸为30-100nm，单质Zr的颗粒尺寸为50-150nm；
SiC-Zr-Fe中间合金的加入量为铁液质量的0.45％；
(4)浇注：浇注温度控制在l480℃，浇注至树脂砂型中；铁液凝固冷却并对铸件表面进行清理，即得所述高强度薄壁灰铁铸件，该灰铁铸件由以下成分组成：C：3.42％、Si：l.65％、Mn：0.65％、Cu：0.42％、Sr：0.35％、Zr：0.25％、Nd：0.02％、Lu：0.02％，P≤0.05％，S≤0.08％，余量为Fe和及不可避免的杂质。
实施例7：
一种高强度薄壁灰铁铸件的制备方法与实施例基本相同，不同之处在于稀土RE为Ce。
对比例1：
一种高强度薄壁灰铁铸件的制备方法与实施例1基本相同，不同之处在于所用孕育剂为常规硅锆孕育剂。
对比例2：
一种高强度薄壁灰铁铸件的制备方法与实施例1基本相同，不同之处在于孕育温度为1560℃。
性能测试：
分别依照实施例1-7中以及对比例1-2中方法制备壁厚为10mm的灰铁铸件，然后对其抗拉强度以及硬度进行测试，具体结果如表1所示。
表1不同方法制备得到的薄壁灰铁铸件的力学性能参数
拉强度为(MPa) 硬度(HB)
实施例1 372 286
实施例2 348 263
实施例3 352 268
实施例4 356 273
实施例5 361 276
实施例6 369 283
实施例7 361 276
对比例1 326 245
对比例2 338 254
由表1可知，本发明做制备得到的薄壁灰铁铸件性能优异，具有较高的强度和硬度，由实施例1、实施例7与对比例1-2可知，本发明中特定的孕育剂对于提升薄壁灰铁铸件的强度和硬度效果好，且孕育温度对于孕育效果也具有较大影响；且灰铸铁中的稀土为Nd与Lu按质量比1:1组成时，其对铸铁性能的改善效果更好。
以上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精神和范围。

Claims (7)

1.一种高强度薄壁灰铁铸件的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)熔炼：将各原料投入至中频熔炼炉中进行熔炼，熔炼过程中铁液温度为1540-1560℃，测定铁液中各元素的含量，并调整各元素含量至符合配方要求；
(2)高温精炼：将铁液温度调节至1580-1600℃，保温7-10min后除渣；
(3)孕育：铁液出炉温度控制在1530-1545℃，浇包内孕育，孕育剂为SiC-Zr-Fe中间合金，所述SiC-Zr-Fe中间合金中SiC的质量含量为20-30％，单质Zr的质量含量为7-15％，余量为Fe；SiC-Zr-Fe中间合金的加入量为铁液质量的0.4-0.55％；
(4)浇注：浇注温度控制在l460-1490℃，浇注至树脂砂型中；铁液凝固冷却并对铸件表面进行清理，即得所述高强度薄壁灰铁铸件。
2.根据权利要求1所述的高强度薄壁灰铁铸件的制备方法，其特征在于，步骤(4)所制备得到的灰铁铸件由以下成分组成：C：3.25-3.5％、Si：l.5-1.75％、Mn：0.6-0.8％、Cu：0.35-0.45％、Sr：0.3-0.4％、Zr：0.15-0.3％、RE：0.03-0.06％，P≤0.05％，S≤0.08％，余量为Fe和及不可避免的杂质。
3.根据权利要求2所述的高强度薄壁灰铁铸件的制备方法，其特征在于，所述稀土RE为Ce、La、Pr、Nd、Lu中的一种或多种的组合。
4.根据权利要求3所述的高强度薄壁灰铁铸件的制备方法，其特征在于，所述稀土RE为Nd与Lu按质量比1:1组成。
5.根据权利要求1所述的高强度薄壁灰铁铸件的制备方法，其特征在于，所述SiC-Zr-Fe中间合金的粒度为0.3-0.8mm。
6.根据权利要求1所述的高强度薄壁灰铁铸件的制备方法，其特征在于，所述SiC-Zr-Fe中间合金中SiC的质量含量为28％，单质Zr的质量含量为12％，余量为铁。
7.根据权利要求1所述的高强度薄壁灰铁铸件的制备方法，其特征在于，所述SiC-Zr-Fe中间合金中SiC的颗粒尺寸为30-100nm，单质Zr的颗粒尺寸为50-150nm。
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