CN110284050A - 一种防止碎块状石墨形成的大断面球墨铸铁型材及工艺 - Google Patents

一种防止碎块状石墨形成的大断面球墨铸铁型材及工艺 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种防止碎块状石墨形成的大断面球墨铸铁型材，大断面球墨铸铁型材中碳、硅、锰、铋以及锑的质量百分比范围分别为：碳：3.40％‑3.50％；硅：2.45％‑2.55％；锰：0.35％‑0.40％；铋：0.010％‑0.014％；锑：0.015％‑0.025％；其余为铁。得到的大断面球墨铸铁型材的石墨形态好，石墨球化等级好，石墨球完整且细小，金相组织无碎块状石墨。本发明还公开了一种防止碎块状石墨形成的大断面球墨铸铁型材的工艺，在球化处理后的孕育阶段添加合金铋和锑，来获得晶粒细小的球墨铸铁型材，其中石墨球数量多，且断面无碎块石墨，延缓了球化与孕育的衰退，提高了球化率，使该型材圆整度更高，增强了断面均匀性、致密性以及综合性能，得到高质量的铸铁型材。

Description

一种防止碎块状石墨形成的大断面球墨铸铁型材及工艺
技术领域
本发明属于铸铁材料及铸造冶金技术领域，具体涉及一种防止碎块状石墨形成的大断面球墨铸铁型材，本发明还涉及一种防止碎块状石墨形成的大断面球墨铸铁型材的工艺。
背景技术
球墨铸铁是通过球化和孕育处理得到球状石墨，利用水平连铸工艺生产大断面(直径大于250mm)球墨铸铁型材时，因为共晶凝固时间较长，容易出现球化与孕育的衰退，心部常伴有碎块状石墨，严重影响型材的圆整度和断面致密性等综合性能。
发明内容
本发明的目的利用在快速冷却过程中，添加合金铋和锑阻碍碎块状石墨形成，同时增加了石墨球数量，获得石墨球化等级好、圆整度高、断面均匀致密以及金相组织无碎块石墨的高质量石墨铸铁型材。本发明的上述技术目的是通过以下技术方案得以实现的：
一种防止碎块状石墨形成的大断面球墨铸铁型材，大断面球墨铸铁型材中碳、硅、锰、铋以及锑的质量百分比范围分别为：
碳：3.40％-3.50％；
硅：2.45％-2.55％；
锰：0.35％-0.40％；
铋：0.010％-0.014％；
锑：0.015％-0.025％；
其余为铁。
与现有技术对比，本技术方案具有以下优点：
得到的大断面球墨铸铁型材的石墨形态好，石墨球化等级好，石墨球完整且细小，金相组织无碎块状石墨。
进一步优选为：大断面球墨铸铁型材中碳、硅、锰、铋以及锑的质量百分比分别为：
碳：3.48％；
硅：2.50％；
锰：0.37％；
铋：0.012％；
锑：0.020％；
其余为铁。
采用上述技术方案，得到的大断面球墨铸铁型材断面均匀致密性好，机械综合性能高。
本发明还提供了一种防止碎块状石墨形成的大断面球墨铸铁型材的工艺，在球化处理后的孕育阶段添加合金铋和锑，防止型材心部碎块状石墨的形成，具体包括以下步骤：
(1)铁液的熔炼，采用中频感应电炉熔炼铁液，按照质量份数比生铁：废钢：废棒或铁屑为50:35:15称取炉后配料，震动加入熔炼炉内，添加增碳剂、锰铁、硅铁等合金。将铁液熔炼至1500℃以上，取样进行碳-硅热分析和光谱样片分析金属元素含量，根据两种分析的结果，进行确认，调整，合格后转入保温炉内混合均匀，准备出铁球化。
(2)铁液的球化处理，在球化包里添加球化剂和硅铁块，扒平，打实，再覆盖一层铁屑，出铁球化，反应时间约50-90秒。
(3)球化反应结束后，扒渣，测温，确认温度在1375-1390℃之间，随孕育剂一起加入金属铋和锑，搅拌熔化后注入保温炉内。
(4)牵引拉拔，保温炉内铁液温度控制在1335-1350℃之间，引锭杆子在牵引机组的牵引拉拔下，以步长约25-30mm/步进行拉拔。
(5)根据拉出的步长显示的颜色，判定是否需要提速，确定拉拔与停留的工艺参数。
采用上述技术方案，球化处理后的孕育阶段，在球化处理包内加入金属铋和锑，来获得晶粒细小的球墨铸铁型材，其中石墨球数量多，且断面无碎块石墨。该工艺延缓了球化与孕育的衰退，提高了球化率，使该型材圆整度更高，增强了断面均匀性、致密性以及综合性能，得到高质量的铸铁型材。
进一步优选为，炉后配料为含钛量低于0.03％的优质生铁。
采用上述技术方案，可降低在球化处理时干扰元素的含量，有利于球化处理的进行，为提高球墨铸铁型材的综合性能排出干扰因素。
进一步优选为，牵引拉拔以拉-停-拉的方式启动。
采用上述技术方案，拉-停-拉的方式启动过程平稳，才能拉拔出大断面球墨铸铁型材。
进一步优选为：步骤(4)中，铁液在保温炉内停留3分钟后进行牵引拉拔。
采用上述技术方案，使得注入后的铁液包裹住牵引头，并结晶凝固出一定的强度，使得引锭杆子牵引机组的牵引拉拔下，拉拔出大断面球墨铸铁型材。
进一步优选为：球化剂采用轻稀土球化剂与重稀土球化剂混合的方式，以1:1的比例混合。
采用上述技术方案，提高铁液中的过冷度，促进石墨的形成。
进一步优选为：球化剂为硅铁镁合金，其组分和质量百分比范围分别为：
镁：6-6.5％；
硅：41-44％；
钙：1.3-1.6％；
其余为铁。
采用上述技术方案，提高了球化率，获得完整的球状石墨铸铁型材。
进一步优选为：硅铁块的粒度为15-35mm，硅的质量百分比为65％，其余为铁。
采用上述技术方案，硅铁能阻止铁液中形成碳化物，促进石墨的析出和细化。
进一步优选为：孕育剂为钡硅复合孕育剂，粒度为3-8mm，按质量比由以下组分组成：
硅：69％；
钡：2.5％；
其余为铁。
采用上述技术方案，能促进铁液中石墨形成，保证石墨球完整性，防止出现碎块状石墨，同时该孕育剂还能起到脱硫的作用，钡能阻碍碳原子的扩散，阻止其长大和变形，从而延长抵抗衰退的时间，获得细小且更多数量的石墨球。
附图说明
图1为未添加金属铋和锑的普通球墨铸铁型材截面心部金相组织图；
图2为添加金属铋和锑的QT500-10材质的截面心部金相组织图；
图3为未添加金属铋和锑的普通球墨铸铁型材截面金相组织图；
图4为添加金属铋和锑的QT500-10材质的截面金相组织图。
具体实施方式
实施例1
一种防止碎块状石墨形成的大断面球墨铸铁型材，大断面球墨铸铁型材中碳、硅、锰、铋以及锑的质量百分比范围分别为：碳：3.40％-3.50％，硅：2.45％-2.55％，锰：0.35％-0.40％，铋：0.010％-0.014％，锑：0.015％-0.025％，其余为铁。选取大断面球墨铸铁型材中碳、硅、锰、铋以及锑的质量百分比分别为：碳：3.48％，硅：2.50％，锰：0.37％，铋：0.012％，锑：0.020％，其余为铁。该大断面球墨铸铁型材的石墨形态好，石墨球化等级好，石墨球完整且细小，金相组织无碎块状石墨。并且断面均匀致密性好，机械综合性能高。
实施例2
一种防止碎块状石墨形成的大断面球墨铸铁型材的工艺，选用生产QT500-10材质的的型材，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。生产时容易出现拉拔速度偏快和液面过低的现象，从而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一号生产线上进行单股生产，在球化处理后的孕育阶段添加合金铋和锑，该工艺具体包括以下步骤：
(1)铁液的熔炼，采用两台10吨中频感应电炉熔炼铁液，铁液每包在1.2-1.3吨，按照质量份数比生铁：废钢：废棒或铁屑为50:35:15称取炉后配料，该炉后配料所述炉后配料为含钛量低于0.03％的优质生铁，可降低在球化处理时干扰元素的含量，有利于球化处理的进行，为提高球墨铸铁型材的综合性能排出干扰因素。将生铁、废钢以及废棒或铁屑称重并放置在加料车上，震动后加入熔炼炉内，添加增碳剂、锰铁、硅铁等合金。将铁液熔炼至1500℃以上，取样进行碳-硅热分析，同时也取光谱样片，送化验室分析金属元素含量，根据两种仪器分析的结果，进行确认，调整，合格后升温至1500-1550℃之间并进行充分的过热，静置，扒渣后，倾入转包转入另一个保温炉内，与之内的铁液混合均匀，并使其温度达到1430-1450℃出炉准备下一步的球化处理。
(2)铁液的球化处理，在球化包内依次添加球化剂和硅铁块，扒平、打实，再覆盖一层铁屑，防止其上浮。吊至保温电炉前出铁球化，反应时间约50-90秒。
球化剂采用轻稀土球化剂与重稀土球化剂混合的方式，以1:1的比例混合，以提高铁液中的过冷度，促进石墨的形成。该球化剂为硅铁镁合金，其组分质量比范围分别为：镁：6-6.5％，硅：41-44％，钙：1.3-1.6％，其余为铁，可以提高球化率，获得完整的球状石墨铸铁型材。硅铁块的粒度为15-35mm，硅的质量百分比为65％，其余为铁，硅铁能阻止铁液中形成碳化物，促进石墨球的析出形成和细化。
(3)球化反应结束后，吊运至扒渣处进行三遍扒渣，测温，确保铁液温度在1375-1390℃之间。根据出铁量称量好金属铋和锑，随孕育剂一起加入铁液中，并搅拌熔化后平稳地注入保温炉内。孕育剂为钡硅复合孕育剂，粒度为3-8mm，按质量比由以下组分组成：硅：69％，钡：2.5％，其余为铁，能促进铁液中石墨形成，保证石墨球完整性，防止出现碎块状石墨，同时该孕育剂还能起到脱硫的作用，钡能阻碍碳原子的扩散，阻止其长大和变形，从而延长抵抗衰退的时间，获得细小且更多数量的石墨球。
(4)牵引拉拔，将保温炉内铁液温度控制在1335-1350℃之间。在拉拔启动阶段，铁液注入保温炉内之后先停留3分钟，使得注入后的铁液包裹住牵引头，并结晶凝固出一定的强度，使得引锭杆子牵引机组的牵引拉拔下，以稳定的经验步长约25-30mm/步，需以拉-停-拉的方式稳步启动，才能拉拔出大断面球墨铸铁型材。此过程要平稳，切忌注入速度过快或过慢，过慢容易造成温度和液面降低，而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。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，适当补水降温。
(5)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，确定拉拔与停留的工艺参数。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中心停留时间，稳定组织。
(6)为了达到质量稳定的目标，补充铁液的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，才能保持保温炉铁液的不断的进入结晶器内进行冷却，同时补给炉能及时补给保温炉所需的铁液，同时能最大程度的缩小保温炉内的静压力波动范围，才能确保炉内的铁液具有很强的自发形核能力。伴随循环水的冷却，在拉拔机组的牵引下，结晶器内的铁液迅速凝固，获得的石墨铸铁型材外表光洁，内在组织致密均匀。
该工艺延缓了球化与孕育的衰退，提高了球化率，内部石墨球圆整度高、断面致密以及金相组织无碎块石墨的特点。使该型材圆整度更高，增强了断面均匀性、致密性以及综合性能，得到高质量的铸铁型材。
实施例3
分别取普通的石墨铸铁型材和采用实施例2生产的QT500-10材质的的型材截面，在金相显微镜下观察金相图像，得出金相组织图，如图1、图2、图3以及图4所示。
将图1和图2进行观察对比分析，图2中石墨球数量比图1中增多，说明提高了型材心部球化率，型材整体质量得到提高。图2中石墨球边缘的圆整度比图1中石墨球边缘的圆整度高。图3中形成了较多的边缘不圆整的碎块状石墨，而图4中分布有边缘比较圆整的球状石墨。从以上可以得出，添加了金属铋和锑的石墨铸铁型材，其心部球化率高，断面组织均匀，进而说明型材质量高。
将普通石墨铸铁型材的心部与QT500-10材质的石墨铸铁型材的心部从球化级别和石墨大小进行比较分析，得到以下数据，如表1所示：
表1普通石墨铸铁型材与QT500-10石墨铸铁型材心部对比分析表
截取普通石墨铸铁型材和采用实施例2生产的QT500-10材质的的型材固定长度段作为两个试棒，分别进行硬度测试、心部延伸率测试以及抗拉强度测试。其中，硬度测试是取试棒截面的最大与最小硬度值之差，判断分析是否低于15HB；延伸率是通过将试棒拉伸断裂后，测定标距之内断后长度与原始长度的差占原始长度的百分比；抗拉强度是通过对试棒进行拉伸试验，取试棒在被拉断前承受的最大应力值，进行多次试验，取平均值得出数据。具体数据如下表2所示：
表2普通石墨铸铁型材与QT500-10石墨铸铁型材试棒测试对比表
从表2中可得出，QT500-10石墨铸铁型材比普通石墨铸铁型材的优点：截面硬度差减小，说明组织致密，均匀性好；延伸率提高了，说明该型材的塑性越好；抗拉强度提高了50MPa,说明该型材在拉断前承受拉力的能力增强，具有较高的韧性。
综上所述，添加了金属铋和锑的石墨铸铁型材金相组织无碎块状石墨，石墨球圆整，球化率高，石墨球数量多而细小，断面组织均匀致密，型材整体具有良好的塑性和韧性，综合性能强。
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 (10)

1.一种防止碎块状石墨形成的大断面球墨铸铁型材，其特征在于：所述大断面球墨铸铁型材中碳、硅、锰、铋以及锑的质量百分比范围分别为：
碳：3.40％-3.50％；
硅：2.45％-2.55％；
锰：0.35％-0.40％；
铋：0.010％-0.014％；
锑：0.015％-0.025％；
其余为铁。
2.根据权利要求1所述的防止碎块状石墨形成的大断面球墨铸铁型材，其特征在于：所述大断面球墨铸铁型材中碳、硅、锰、铋以及锑的质量百分比分别为：
碳：3.48％；
硅：2.50％；
锰：0.37％；
铋：0.012％；
锑：0.020％；
其余为铁。
3.一种防止碎块状石墨形成的大断面球墨铸铁型材的工艺，其特征在于：在球化处理后的孕育阶段，添加合金铋和锑，具体包括以下步骤：
(1)铁液的熔炼，采用中频感应电炉熔炼铁液，按照质量份数比生铁：废钢：废棒或铁屑为50:35:15称取炉后配料，震动加入熔炼炉内，添加增碳剂、锰铁、硅铁等合金。将铁液熔炼至1500℃以上，取样进行碳-硅热分析和光谱样片分析金属元素含量，根据两种分析的结果，进行确认，调整，合格后转入保温炉内混合均匀，准备出铁球化；
(2)铁液的球化处理，在球化包里添加球化剂和硅铁块，扒平，打实，再覆盖一层铁屑，出铁球化，反应时间约50-90秒；
(3)球化反应结束后，扒渣，测温，确认温度在1375-1390℃之间，随孕育剂一起加入金属铋和锑，搅拌熔化后注入保温炉内；
(4)牵引拉拔，保温炉内铁液温度控制在1335-1350℃之间，引锭杆子在牵引机组的牵引拉拔下，以步长约25-30mm/步进行拉拔；
(5)根据拉出的步长显示的颜色，判定是否需要提速，确定拉拔与停留的工艺参数。
4.根据权利要求3所述的防止碎块状石墨形成的大断面球墨铸铁型材的工艺，其特征在于：所述炉后配料为含钛量低于0.03％的优质生铁。
5.根据权利要求3所述的防止碎块状石墨形成的大断面球墨铸铁型材的工艺，其特征在于：所述牵引拉拔以拉-停-拉的方式启动。
6.根据权利要求3所述的防止碎块状石墨形成的大断面球墨铸铁型材的工艺，其特征在于：所述步骤(4)中，铁液在保温炉内停留3分钟后进行牵引拉拔。
7.根据权利要求3所述的防止碎块状石墨形成的大断面球墨铸铁型材的工艺，其特征在于：所述球化剂采用轻稀土球化剂与重稀土球化剂混合的方式，以1:1的比例混合。
8.根据权利要求3所述的防止碎块状石墨形成的大断面球墨铸铁型材的工艺，其特征在于：所述球化剂为硅铁镁合金，其组分质量比范围分别为：
镁：6-6.5％；
硅：41-44％；
钙：1.3-1.6％；
其余为铁。
9.根据权利要求3所述的防止碎块状石墨形成的大断面球墨铸铁型材的工艺，其特征在于：所述硅铁块的粒度为15-35mm，硅的质量百分比为65％，其余为铁。
10.根据权利要求3所述的防止碎块状石墨形成的大断面球墨铸铁型材的工艺，其特征在于：所述孕育剂为钡硅复合孕育剂，粒度为3-8mm，按质量比由以下组分组成：
硅：69％；
钡：2.5％；
其余为铁。
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