CN110284052B

CN110284052B - 一种低温球墨铸铁及其制备方法和应用

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Publication number: CN110284052B
Application number: CN201910557489.5A
Authority: CN
Inventors: 孙鸣; 李雷; 唐广铁; 王学林; 王立永; 余振兴
Original assignee: Tianjin Changyi Industry Co ltd
Current assignee: Tianjin Changyi Industry Co ltd
Priority date: 2019-06-25
Filing date: 2019-06-25
Publication date: 2020-07-07
Anticipated expiration: 2039-06-25
Also published as: CN110284052A

Abstract

本发明公开了一种低温球墨铸铁及其制备方法和应用，低温球墨铸铁包括以下质量百分比的元素：C 3.6‑3.85%、Si 1.8‑2.3%、Mn 0.1‑0.2%、Mg 0.03‑0.05%、P≤0.02%、S≤0.02%、Ti≤0.02%，余量为Fe。制备方法包括：a、将生铁、废钢、回炉料、增碳剂、碳化硅、硅混合熔炼，熔炼温度为1500‑1550℃，得铁液，静置，除渣，待铁液温度降至1480±10℃；b、包内加入一次孕育剂，加入球化剂，加入覆盖剂，夯实，之后，倒入铁液；除渣；倒包二次孕育，加入二次孕育剂；除渣；浇注得铸件，浇注时，随流加入三次孕育剂。本发明的低温球墨铸铁‑20℃下仍然具有优异的低温性能，适于风电设备零件等高寒地区设备零件加工。

Description

一种低温球墨铸铁及其制备方法和应用

技术领域

本发明涉及球墨铸铁的技术领域，特别涉及一种低温球墨铸铁及其制备方法和应用。

背景技术

球墨铸铁具有优良的力学性能、加工性能、耐磨性能、吸震性能，且制造成本低，已发展为仅次于灰铸铁的铸铁材料，不仅被广泛使用，而且不断替代铸钢材料用于制造高要求的结构件。

普通的球墨铸铁的耐低温性不够，随着铸件使用温度的下降，球墨铸铁逐渐发生由韧性向脆性转变，尤其在脆性转变温度以下，冲击值急剧下降，不能满足低温及高强度下的使用要求，使得普通的球墨铸铁在应用于低温下承受动载荷的工件方面受到极大的制约，所以，进一步开发低温球墨铸铁显得尤为重要。

发明内容

针对现有技术不足，本发明的目的一在于：提供一种低温球墨铸铁，-20℃下仍然具有优异的低温性能。

一种低温球墨铸铁，包括以下质量百分比的元素：C 3.6-3.85％、Si 1.8-2.2％、Mn 0.1-0.2％、Mg 0.03-0.05％、P≤0.02％、S≤0.02％、Ti≤0.02％，余量为Fe。

通过采用上述方案，C是强化石墨形成的元素，碳和硅对铸件性能影响很大，本发明中，限定C的质量百分含量，使得球磨铸铁具有适宜的碳当量，铁液的流动性好，充型能力强，具有良好的铸造工艺。而且，还能充分利用石墨化膨胀的自补缩作用。

Si是球墨铸铁中控制石墨化和铁素体数量的重要元素，在强化铁素体基体的同时还会使球墨铸铁的低温冲击韧度降低。实验过程中发现，针对本发明的低温球墨铸铁，当球墨铸铁中Si的质量百分含量由2.35％提高到2.8％时，其脆性转变温度由-56℃提高到-20℃。当球墨铸铁中Si的质量百分含量>3.2％时，球墨铸铁的低温脆性转变温度将高于室温，会显著降低球墨铸铁的断裂韧性。因此，针对本发明的低温球墨铸铁，将Si的质量百分含量严格控制在1.8-2.3％，以获得高性能的低温球墨铸铁。

Mn稳定且能够细化珠光体，提高强度、硬度，但降低塑性、韧性，显著提高脆性转变温度。实验过程中发现，针对本发明的低温球墨铸铁，锰的质量百分含量每增加0.1％，铁素体球墨铸铁的脆性转变温度提高10-12％，因此，本发明将Mn的质量百分含量控制在0.03-0.05％，同样有利于获得高性能的低温球墨铸铁。Mg能够保证球化率，但要注意残留高容易影响冲击性能。

P是有害元素，易在共晶团边界偏析，生成磷共晶，强烈降低球墨铸铁的低温韧性。磷的质量百分含量每增加0.01％，脆性转变温度上升4-4.5℃，磷的质量百分含量由0.08％增加到0.1-0.12％时，球墨铸铁的-40℃时的冲击韧度下降50％以上，P的质量百分含量＞0.2％时，易产生冷裂。综合考虑本发明的低温球墨铸铁，本发明将P的质量百分含量控制在≤0.02％。同样的，Ti也存在增加铸件脆性、降低强度的不良影响。控制P和Ti的含量，有利于提高铸件性能。

S是球墨铸铁中极有害的元素，控制S的质量百分含量是稳定球墨铸铁的球化率、提高铸件球化质量的关键。一般来讲，S的质量百分含量越低越好。综合考虑本发明的低温球墨铸铁，本发明的球墨铸铁中，将S的质量百分含量控制在≤0.02％。

球墨铸铁的铸态组织一般为铁素体和珠光体的混合组织，但因为珠光体组织强度高，塑性及韧性差，所以在低温球墨铸铁中要尽量消除珠光体组织。化学成分是影响球墨铸铁的性能的决定性因素，决定了球墨铸铁的铸态组织和铁素体中合金元素的固溶量，不同的基体组织及其固溶度决定了球墨铸铁不同的力学性能。本发明通过限定C、Si、Mn、Mg四种元素的质量百分比，并限定有害元素的质量百分比，有效消除了球墨铸铁中的珠光体组织，改善了球墨铸铁的基体组织和铁素体中合金元素的固溶量，获得适合高寒地区应用的低温球墨铸铁。

而且，为了消除球墨铸铁中的珠光体组织，传统的球墨铸铁在浇注完成后通常需要进行高温退火热处理，以最大限度地减少珠光体的存在。而本发明中，由于化学成分控制科学合理，有效消除了球墨铸铁中的珠光体组织，所以，浇注完成后，不需要进行高温热处理，极大地节省了能耗，降低了成本。

本发明的目的二在于：提供一种上述低温球墨铸铁的制备方法，包括有以下步骤：

a、原料熔炼：

将生铁、废钢、回炉料、增碳剂、碳化硅、硅混合熔炼，熔炼温度为1500-1550℃，得铁液，静置，除渣处理，待铁液温度降至1480±10℃；

b、球化处理及孕育处理：

b1、球化处理和一次孕育处理：包内加入一次孕育剂，加入球化剂，加入覆盖剂，夯实，之后，倒入铁液；

b2、除渣；

b3、倒包二次孕育，加入二次孕育剂；

b4、除渣；

b5、浇注得铸件，浇注时，随流加入三次孕育剂。

本发明进一步设置为：步骤b1获得的铁液中Si、Mg的质量百分含量增加量为：Si0.45-0.55％、Mg 0.035-0.045％；步骤b3获得的铁液中Si的质量百分含量增加量为0.2-0.25％；步骤b5获得的铁液中Si的质量百分含量增加量为0.06-0.07％。

本发明进一步设置为：步骤b1中，球化剂的粒度5-30mm。

本发明进一步设置为：步骤b1中，一次孕育剂的粒度为3-8mm。

本发明进一步设置为：步骤b3中，二次孕育剂的粒度为3-8mm。

本发明进一步设置为：步骤b5中，三次孕育剂的粒度为0.2-0.8mm。

通过采用上述方案，本发明在上述低温球墨铸铁的制备方法中采用三次孕育处理，并严格控制每一次孕育处理时铁液中Si、Mg两种化学成分的增量，使得最终的铁液中的Si、Mg两种化学成分的含量达到本发明球墨铸铁材料中的限定。

就Si含量的增量而言：一次增量为0.45-0.55％；二次增量需要降至一次增量的一半左右，具体为0.2-0.25％；三次增量需要锐减至0.06-0.07％。就Mg含量的增量而言，只设计了一次增量，而且需要配合Si的一次增量，为Si的一次增量的十分之一以下，具体为0.035-0.045％。

采用三次孕育处理，并严格控制Si、Mg两种化学成分的增量，所带来的效果是：明显提高了球墨铸铁材料中的球化率，本发明的的球墨铸铁的球化率高达90％，球墨铸铁中的球数高达200个/mm²，大大提高了球墨铸铁的延伸率，改善了球墨铸铁中的组织，由此获得的球墨铸铁在-20℃下仍然具有优异的力学性能。

本发明进一步设置为：步骤a中，所述生铁:废钢:回炉料的重量比为10-20:50-70：20-30。

通过采用上述方案，本发明球墨铸铁的原料中采用大量废钢，废钢中微量元素较多，产品质量不易控制，若采用进口原材料，虽然微量元素较少，但成本较高。而本发明通过严格控制化学成分、三次孕育以及各项制备工艺中的参数控制，不仅使得获得的球墨铸铁的品质高，而且制备过程易于控制，成品率高。由此可见，本发明在采用大量废钢的情况下，仍然改善了球墨铸铁的品质、提高了制备工艺的可操控性，具有重要的实际价值。

本发明的目的三在于：提供一种上述低温球墨铸铁的应用，用于风电设备零部件。

通过采用上述方案，近年来，石油、煤炭资源日益紧缺，大气污染严重，生态破坏和环境污染比较严重。想要真正解决当代的发展困境，需要特别注意优化能源利用方式。风力发电产业，作为一种绿色能源，其开发具有重要意义。而风电设备大都安装在高寒野外，要求铸件在低温条件下具有高强度和韧性，避免在低温环境下运行时发生脆性断裂，能保证几十年安全运行，不维修或极少维修。实验证明，本发明的低温球铸铸件在-20℃下的强度、延伸力和抗冲击韧性均能达到欧洲“DIN EN 1563”标准。

综上所述，本发明具有以下有益效果：

1、制得的低温球墨铸铁有效消除了珠光体组织，抗拉强度可达432N/mm²，屈服强度可达275N/mm²，延伸率可达17.5％，环境温度为-20℃时的冲击值可达16.2J，具有良好的低温性能；

2、本发明采用三次孕育处理，并严格控制每一次孕育处理时铁液中Si、Mg两种化学成分的增量，由此明显提高了球墨铸铁材料中的球化率，提高了球墨铸铁的延伸率，改善了球墨铸铁中的组织，最终获得的球墨铸铁在-20℃下仍然具有优异的力学性能；

3、采用大量废钢，相比于进口原材料，成本可降低40％；

4、浇注完成后的铸件不需要进行高温热处理，极大地节省了能耗，降低了成本；

5、化学成分选用合理，生产工艺过程参数设定合理，使得生产过程易于控制，成品率高；

6、本发明的球墨铸铁适于高寒地区风电设备零部件等的加工。

具体实施方式

以下实施例中：

采用的生铁包括以下质量百分比的元素：C 4.31％、Si 1.21％、Mn 0.13％、P0.029％、S 0.02％；采用的废钢包括以下质量百分比的元素：Mn 0.17％、Si 0.01％、P0.01％、S 0.01％、Cr 0.01％、Al 0.04％、Fe 99.6％；

采用的增碳剂包括以下质量百分比的元素：固定碳98.93％、硫分0.041％、灰分0.60％、挥发分0.47％。

实施例1

一种低温球墨铸铁，包括以下质量百分比的元素：C 3.6％、Si 2.2％、Mn 0.1％、Mg 0.05％、P≤0.02％、S≤0.02％、Ti≤0.02％，余量为Fe。

制备方法包括有以下步骤：

a、原料熔炼：

将生铁、废钢、回炉料、增碳剂、碳化硅、硅混合熔炼，熔炼温度为1500℃，得铁液，然后进行静置1min，除渣处理，待铁液温度降至1470℃；其中，生铁:废钢:回炉料的重量比为10:70:20；

b、球化处理及孕育处理：

b1、球化处理和一次孕育处理：包内加入铁液总重量0.25％的一次孕育剂，一次孕育剂的粒度为3mm，加入铁液总重量1％的球化剂，球化剂的粒度5mm，加入覆盖剂，夯实，之后，倒入铁液，球化的反应时间控制在60s；本步骤获得的铁液中Si、Mg的质量百分含量增加量为Si 0.45％、Mg 0.035％；

b2、除渣；

b3、倒包二次孕育，加入铁液总重量0.3％的二次孕育剂，二次孕育剂的粒度为3mm；本步骤获得的铁液中Si的质量百分含量增加量为0.25％；

b4、除渣；

b5、浇注得铸件，浇注时铁液温度为1380℃，且随流加入铁液总重量0.1％的三次孕育剂，三次孕育剂的粒度为0.2mm；本步骤获得的铁液中Si的质量百分含量增加量为0.06％。

实施例2

一种低温球墨铸铁，包括以下质量百分比的元素：C 3.65％、Si 2.0％、Mn0.15％、Mg 0.04％、P≤0.02％、S≤0.02％、Ti≤0.02％，余量为Fe。

制备方法包括有以下步骤：

a、原料熔炼：

将生铁、废钢、回炉料、增碳剂、碳化硅、硅混合熔炼，熔炼温度为1520℃，得铁液，然后进行静置1min，除渣处理，待铁液温度降至1480℃；其中，生铁:废钢:回炉料的重量比为15:60:25；

b、球化处理及孕育处理：

b1、球化处理和一次孕育处理：包内加入铁液总重量0.27％的一次孕育剂，一次孕育剂的粒度为5mm，加入铁液总重量1.1％的球化剂，球化剂的粒度20mm，加入覆盖剂，夯实，之后，倒入铁液，球化的反应时间控制在65s；本步骤获得的铁液中Si、Mg的质量百分含量增加量为Si 0.5％、Mg 0.04％；

b2、除渣；

b3、倒包二次孕育，加入铁液总重量0.27％的二次孕育剂，二次孕育剂的粒度为5mm；本步骤获得的铁液中Si的质量百分含量增加量为0.22％；

b4、除渣；

b5、浇注得铸件，浇注时铁液温度为1370℃，且随流加入铁液总重量0.12％的三次孕育剂，三次孕育剂的粒度为0.5mm；本步骤获得的铁液中Si的质量百分含量增加量为0.065％。

实施例3

一种低温球墨铸铁，包括以下质量百分比的元素：C 3.85％、Si 1.8％、Mn 0.2％、Mg 0.03％、P≤0.02％、S≤0.02％、Ti≤0.02％，余量为Fe。

制备方法包括有以下步骤：

a、原料熔炼：

将生铁、废钢、回炉料、增碳剂、碳化硅、硅混合熔炼，熔炼温度为1550℃，得铁液，然后进行静置1min，除渣处理，待铁液温度降至1490℃；其中，生铁:废钢:回炉料的重量比为20:50:30；

b、球化处理及孕育处理：

b1、球化处理和一次孕育处理：包内加入铁液总重量0.3％的一次孕育剂，一次孕育剂的粒度为8mm，加入铁液总重量1.2％的球化剂，球化剂的粒度30mm，加入覆盖剂，夯实，之后，倒入铁液，球化的反应时间控制在70s；本步骤获得的铁液中Si、Mg的质量百分含量增加量为Si 0.55％、Mg 0.045％；

b2、除渣；

b3、倒包二次孕育，加入铁液总重量0.25％的二次孕育剂，二次孕育剂的粒度为8mm，本步骤获得的铁液中Si的质量百分含量增加量为0.2％；

b4、除渣；

b5、浇注得铸件，浇注时铁液温度为1350℃，且随流加入铁液总重量0.15％的三次孕育剂；三次孕育剂的粒度为0.8mm；本步骤获得的铁液中Si的质量百分含量增加量为0.07％。

实施例4

一种低温球墨铸铁，与实施例2的不同之处在于，将三次孕育更改为二次孕育，具体为：无步骤b4、b5；步骤b3中，获得的铁液中Si的质量百分含量增加量为0.286％。

实施例5

一种低温球墨铸铁，与实施例2的不同之处在于：步骤b1获得的铁液中Si、Mg的质量百分含量增加量为：Si 0.4％、Mg 0.04％；步骤b3获得的铁液中Si的质量百分含量增加量为0.32％；步骤b5获得的铁液中Si的质量百分含量增加量为0.065％。

实施例6

一种低温球墨铸铁，与实施例2的不同之处在于：步骤b1获得的铁液中Si、Mg的质量百分含量增加量为：Si 0.6％、Mg 0.04％；步骤b3获得的铁液中Si的质量百分含量增加量为0.12％；步骤b5获得的铁液中Si的质量百分含量增加量为0.065％。

实施例7

一种低温球墨铸铁，与实施例2的不同之处在于：步骤b1获得的铁液中Si、Mg的质量百分含量增加量为：Si 0.5％、Mg 0.04％；步骤b3获得的铁液中Si的质量百分含量增加量为0.27％；步骤b5获得的铁液中Si的质量百分含量增加量为0.015％。

实施例8

一种低温球墨铸铁，与实施例2的不同之处在于：步骤b1获得的铁液中Si、Mg的质量百分含量增加量为：Si 0.5％、Mg 0.04％；步骤b3获得的铁液中Si的质量百分含量增加量为0.21％；步骤b5获得的铁液中Si的质量百分含量增加量为0.075％。

性能检测

对实施例1-8制备的球墨铸铁进行金相组织检测，记录珠光体组织的占比，结果如表1所示。

采用“DIN EN 1563”标准对实施例1-8浇注获得的铸件进行力学性能测试，试样采用Y型(IV类型)试样，直径为φ14mm，结果如表2所示。

表1球墨铸铁金相组织检测结果

表2球墨铸铁力学性能检测结果

由表1和表1可以看出，实施例1-8制备的球墨铸铁的金相组织和力学性能均满足标准要求。

由表1可以看出，实施例1-3制备的球墨铸铁的球化率高达90％，珠光体组织得到了有效的削弱，珠光体组织的百分含量远低于标准。结合表2可以看出，实施例1-3制备的球墨铸铁的抗拉强度可达432N/mm²，屈服强度可达275N/mm²，延伸率可达17.5％，环境温度为-20℃时的冲击值可达16.2J，均远高于标准，具有良好的低温性能，适于高寒地区风电设备零部件等的加工。这是因为，一方面，本发明的球墨铸铁的化学成分的控制范围科学合理；另一方面，本发明的制备工艺中采用三次孕育处理，并对过程参数进行了有效的控制。

由表1和表2中实施例2、4-8的数据可以看出，将三次孕育更改为两次孕育，或者更改三次孕育过程中Si、Mg两种化学成分的增量，对球墨铸铁材料金相组织和力学性能均具有显著影响，球化率降低，珠光体含量增高，强度和延伸率均下降。相比之下，实施例1-3的参数控制更为合理。

上述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，但只要在本发明的权利要求范围内都受到专利法的保护。

Claims

1.一种低温球墨铸铁的制备方法，其特征在于：包括有以下步骤：

a、原料熔炼：

b、球化处理及孕育处理：

b2、除渣；

b3、倒包二次孕育，加入二次孕育剂；

b4、除渣；

b5、浇注得铸件，浇注时，随流加入三次孕育剂，

其中，低温球墨铸铁包括以下质量百分比的元素：C 3.6-3.85％、Si 1.8-2.2％、Mn0.1-0.2％、Mg 0.03-0.05％、P≤0.02％、S≤0.02％、Ti≤0.02％，余量为Fe，其中，步骤b1获得的铁液中Si、Mg的质量百分含量增加量为：Si 0.45-0.55％、Mg 0.035-0.045％；步骤b3获得的铁液中Si的质量百分含量增加量为0.2-0.25％；步骤b5获得的铁液中Si的质量百分含量增加量为0.06-0.07％。

2.根据权利要求1所述的低温球墨铸铁的制备方法，其特征在于：步骤b1中，球化剂的粒度5-30mm。

3.根据权利要求1所述的低温球墨铸铁的制备方法，其特征在于：步骤b1中，一次孕育剂的粒度为3-8mm。

4.根据权利要求1所述的低温球墨铸铁的制备方法，其特征在于：步骤b3中，二次孕育剂的粒度为3-8mm。

5.根据权利要求1所述的低温球墨铸铁的制备方法，其特征在于：步骤b5中，三次孕育剂的粒度为0.2-0.8mm。

6.根据权利要求1所述的低温球墨铸铁的制备方法，其特征在于：步骤a中，所述生铁:废钢:回炉料的重量比为10-20:50-70:20-30。

7.一种权利要求1-6任一项所述的低温球墨铸铁的制备方法所制得的低温球墨铸铁。

8.权利要求7所述的低温球墨铸铁的应用，其特征在于：用于风电设备零部件。