CN110295265B - 一种奥贝球铁及其制备方法和应用 - Google Patents

一种奥贝球铁及其制备方法和应用 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种奥贝球铁及其制备方法和应用，奥贝球铁包括以下质量百分比的元素：C 3.35‑3.44%、Si 2.37‑2.45%、Mn 0.21‑0.23%、Ni 1.02‑1.26%、Cu 0.69‑0.8%、Mo 0.17‑0.32%、Mg 0.05‑0.07%、P≤0.02%、S≤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；c、等温淬火处理。本发明的奥贝球铁针对壁厚在60‑100mm及以上的厚大件，同时具有优良的强度和延展性，适于加工制造矿山机械设备零部件。

Description

一种奥贝球铁及其制备方法和应用
技术领域
本发明涉及奥贝球铁的技术领域，特别涉及一种奥贝球铁及其制备方法和应用。
背景技术
奥贝球铁的特点是高强度、高耐磨、抗疲劳，具有良好的综合性能，取代原合金球铁件、铸钢件、锻钢件、焊接钢件，广泛应用于汽车、火车、建材、化工、冶金、农机、粮油机械、工程机械等行业，可延长设备使用寿命，减轻整机重量，大大降低成本。
但是，对于壁厚在60-100mm及以上的奥贝球铁铸件，特别是铸件芯部，冷却时间长，淬透性差，使得铸件在该处的强度容易出现下降现象，使得普通的奥贝球铁在厚大件机械零部件产品的应用方面受到极大的制约。所以，针对厚大件，如何在保证延展性的同时进一步开发的奥贝球铁显得尤为重要。
发明内容
针对现有技术不足，本发明的目的一在于：提供一种奥贝球铁，针对壁厚在60-100mm 及以上的厚大件，具有较高的淬透性，同时具有优良的强度和延展性。
一种奥贝球铁，包括以下质量百分比的元素：C 3.35-3.44％、Si 2.37-2.45％、Mn0.21-0.23％、Ni 2-2.3％、Cu 0.69-0.8％、Mo 0.25-0.32％、Mg 0.05-0.07％、P≤0.02％、S≤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是奥贝球铁中控制石墨化和铁素体数量的重要元素，针对本发明的奥贝球铁，将Si 的质量百分含量严格控制在2.37-2.45％，以获得高性能的奥贝球铁。
Mn稳定且能够细化珠光体，提高强度、硬度，但降低塑性、韧性。实验过程中发现，针对本发明的奥贝球铁，将Mn的质量百分含量控制在0.21-0.23％，有利于获得高性能的奥贝球铁。
Ni能够强化铁素体基体，提高屈服强度，降低脆性，提高延伸率。Cu和Mo在适宜百分含量下能够增加珠光体含量，提高强度，但过量容易加大淬透性。Mg能够保证球化率。
P是有害元素，易在共晶团边界偏析，生成磷共晶，强烈降低奥贝球铁的韧性，铸件易产生冷裂。综合考虑本发明的奥贝球铁，本发明将P的质量百分含量控制在≤0.02％。
S是奥贝球铁中极有害的元素，控制S的质量百分含量是稳定奥贝球铁的球化率、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。综合考虑本发明的奥贝球铁，本发明的奥贝球铁中，将S的质量百分含量控制在≤0.02％。
奥贝球铁的铸态组织一般为铁素体和珠光体的混合组织。化学成分是影响奥贝球铁的性能的决定性因素，决定了奥贝球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奥贝球铁不同的力学性能。本发明通过限定C、Si、Mn、Ni、Cu、Mo、Mg元素的质量百分比，并限定有害元素的质量百分比，改善了奥贝球铁的基体组织和铁素体中合金元素的固溶量，提高了奥贝球铁的淬透性，获得适于厚大铸件的同时具有高强度和高延伸率的奥贝球铁。
本发明的目的二在于：提供一种上述奥贝球铁的制备方法，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；
c、热处理：
将b5获得的铸件进行等温淬火处理，加热温度为890-910℃，保温4.5-5.5h后，浸入重量比为1:1的亚硝酸钠和亚硝酸钾的盐液中，于60-90s内降温至320±5℃后进行盐浴保温，盐浴保温4-5h后降至室温。
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：Si0.7-0.8％、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，本发明在上述奥贝球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奥贝球铁材料中的限定。
就Si含量的增量而言：一次增量为0.7-0.8％；二次增量需要降至一次增量的三分之一左右，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的一次增量的二十分之一左右，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：明显提高了奥贝球铁材料中的球化率，本发明的奥贝球铁的球化率高达90％，奥贝球铁中的球数高达200个/mm2，大大提高了奥贝球铁的延伸率，改善了奥贝球铁中的组织，有利于同时提高奥贝球铁的强度和延展性，由此提高了奥贝球铁的力学性能。
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，本发明奥贝球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，不仅使得获得的奥贝球铁的品质高，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，仍然改善了奥贝球铁的品质、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：提供一种上述奥贝球铁的应用，用于矿山机械设备零部件的制造。
通过采用上述方案，本发明的奥贝球铁针对壁厚在60-100mm及以上的厚大件，同时具有较高的强度和优良的延展性，达到欧洲“EN ISO 6892-1:2016”标准，而且比重低、成本低，适于矿山机械的特殊作业环境，适于加工齿圈、齿段、空心齿轮轴等铸件，满足零部件对于高强度、高耐磨性、优良的抗疲劳性、轻重量、降低成本的要求。
综上所述，本发明具有以下有益效果：
1、制得的奥贝球铁的抗拉强度可达972N/mm2，屈服强度可达775N/mm2，延伸率可达8％，均远高于欧标“EN ISO 6892-1:2016”标准，同时具有良好的强度和延展性；
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，由此明显提高了奥贝球铁材料中的球化率，提高了奥贝球铁的延伸率，改善了奥贝球铁中的组织，提高了奥贝球铁的力学性能；
3、制得的奥贝球铁具有良好的淬透性，适于壁厚在60-100mm及以上的厚大件的加工制造； 4、可用于矿山机械设备零部件的加工制造，例如齿圈、齿段、空心齿轮轴等铸件；
5、采用大量废钢，相比于进口原材料，成本可降低40％；
6、化学成分选用合理，制备方法过程参数设定合理，使得生产过程易于控制，成品率高。
具体实施方式
以下对本发明作进一步详细说明，以下实施例中：
采用的生铁包括以下质量百分比的元素：C 4.41％、Si 1.15％、Mn 0.09％、P0.033％、S 0.017％；采用的废钢包括以下质量百分比的元素：C 0.04818％、Mn0.10016％、Si 0.01133％、P 0.01849％、 S 0.00901％、Ni 0.01044％、Cr 0.01682％、Cu0.01317％、Mo 0.00334％、V 0.00237％、Ti 0.00154％、 Al 0.02727％、Nb 0.00118％、Sn0.00452％、Pb 0.0012％、Sb 0.00034％、Bi 0.00114％、Zn 0.0006％、 Ce 0.00068％、Fe99.7191％；
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
一种奥贝球铁，包括以下质量百分比的元素：C 3.35％、Si 2.45％、Mn 0.21％、Ni2.3％、Cu 0.69％、 Mo 0.32％、Mg 0.05％、P≤0.02％、S≤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0.35％的一次孕育剂，一次孕育剂的粒度为3mm，加入铁液总重量1.2％的球化剂，球化剂的粒度为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 0.7％、Mg 0.035％；
b2、除渣；
b3、倒包二次孕育：再加入铁液总重量0.35％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0.25％；
b4、除渣；
b5、浇注得厚度为150mm的试件，浇注时，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％；
c、热处理：
将b5获得的试件进行等温淬火处理，加热温度为890℃，保温4.5h后，浸入重量比为1:1的亚硝酸钠和亚硝酸钾的盐液中，于60s内降温至315℃后进行盐浴保温，盐浴保温4h后降至室温。
实施例2
一种奥贝球铁，包括以下质量百分比的元素：C 3.4％、Si 2.4％、Mn 0.22％、Ni2.1％、Cu 0.75％、Mo 0.3％、Mg 0.06％、P≤0.02％、S≤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0.4％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，球化剂的粒度为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 0.75％、Mg 0.04％；
b2、除渣；
b3、倒包二次孕育：再加入铁液总重量0.3％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、浇注得厚度为150mm的试件，浇注时，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0.066％；
c、热处理：
将b5获得的试件进行等温淬火处理，加热温度为900℃，保温5h后，浸入重量比为1:1的亚硝酸钠和亚硝酸钾的盐液中，于80s内降温至320℃后进行盐浴保温，盐浴保温4.5h后降至室温。
实施例3
一种奥贝球铁，包括以下质量百分比的元素：C 3.44％、Si 2.37％、Mn 0.23％、Ni2％、Cu 0.8％、 Mo 0.25％、Mg 0.07％、P≤0.02％、S≤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0.45％的一次孕育剂，一次孕育剂的粒度为8mm，加入铁液总重量1％的球化剂，球化剂的粒度为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 0.8％、Mg 0.045％；
b2、除渣；
b3、倒包二次孕育：再加入铁液总重量0.25％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0.2％；
b4、除渣；
b5、浇注得厚度为150mm的试件，浇注时，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％；
c、热处理：
将b5获得的试件进行等温淬火处理，加热温度为910℃，保温5.5h后，浸入重量比为1:1的亚硝酸钠和亚硝酸钾的盐液中，于90s内降温至325℃后进行盐浴保温，盐浴保温5h后降至室温。
实施例4
一种奥贝球铁，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
一种奥贝球铁，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 0.65％、Mg 0.04％；步骤b3获得的铁液中Si的质量百分含量增加量为0.3％；步骤b5获得的铁液中Si的质量百分含量增加量为0.086％。
实施例6
一种奥贝球铁，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 0.85％、Mg 0.04％；步骤b3获得的铁液中Si的质量百分含量增加量为0.14％；步骤b5获得的铁液中Si的质量百分含量增加量为0.046％。
实施例7
一种奥贝球铁，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 0.75％、Mg 0.04％；步骤b3获得的铁液中Si的质量百分含量增加量为0.25％；步骤b5获得的铁液中Si的质量百分含量增加量为0.036％。
实施例8
一种奥贝球铁，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 0.75％、Mg 0.04％；步骤b3获得的铁液中Si的质量百分含量增加量为0.2％；步骤b5获得的铁液中Si的质量百分含量增加量为0.086％。
性能检测对实施例1-8中浇注获得的未经等温淬火处理的试件进行金相组织检测，结果如表1所示。
采用“EN ISO 6892-1:2016”的标准，对实施例1-8中最终获得的试件芯部进行力学性能检测，结果如表2所示。
表1铸态奥贝球铁金相组织检测结果
Figure RE-GDA0002179612140000071
表2热处理芯部奥贝球铁力学性能检测结果
Figure RE-GDA0002179612140000081
由表1和表1可以看出，实施例1-8制备的奥贝球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制备的奥贝球铁的球化率高达90％，珠光体含量、铁素体含量、石墨形态、碳化物均符合标准。结合表2可以看出，实施例1-3制备的奥贝球铁的抗拉强度可达972N/mm2，屈服强度可达775N/mm2，延伸率可达8％，均远高于标准，同时具有良好的强度和延展性，适于壁厚在60-100mm及以上的厚大件的加工制造，可用于矿山机械设备零部件的加工制造，例如齿圈、齿段、空心齿轮轴等铸件。本发明的奥贝球铁同时具有良好的强度和延展性的原因在于，一方面，本发明的奥贝球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，对奥贝球铁材料金相组织和力学性能均具有显著影响，球化率降低，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 (8)

1.一种奥贝球铁，其特征在于，包括以下质量百分比的元素：C 3.35-3.44%、Si 2.37-2.45%、Mn 0.21-0.23%、Ni 2.1-2.3%、Cu 0.69-0.8%、Mo 0.25-0.32%、Mg 0.06-0.07%、P≤0.02%、S≤0.02%、余量为Fe，所述Fe元素由生铁、废钢、回炉料熔炼而得；
所述奥贝球铁的制备方法，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；
c、热处理：
将b5获得的铸件进行等温淬火处理，加热温度为890-910℃，保温4.5-5.5h后，浸入重量比为1:1的亚硝酸钠和亚硝酸钾的盐液中，于60-90s内降温至320±5℃后进行盐浴保温，盐浴保温4-5h后降至室温；
步骤b1获得的铁液中Si、Mg的质量百分含量增加量为：Si 0.7-0.8%、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%。
2.一种权利要求1所述的奥贝球铁的制备方法，其特征在于：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；
c、热处理：
将b5获得的铸件进行等温淬火处理，加热温度为890-910℃，保温4.5-5.5h后，浸入重量比为1:1的亚硝酸钠和亚硝酸钾的盐液中，于60-90s内降温至320±5℃后进行盐浴保温，盐浴保温4-5h后降至室温；
步骤b1获得的铁液中Si、Mg的质量百分含量增加量为：Si 0.7-0.8%、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%。
3.根据权利要求2所述的奥贝球铁的制备方法，其特征在于：步骤b1中，球化剂的粒度5-30mm。
4.根据权利要求2所述的奥贝球铁的制备方法，其特征在于：步骤b1中，一次孕育剂的粒度为3-8mm。
5.根据权利要求2所述的奥贝球铁的制备方法，其特征在于：步骤b3中，二次孕育剂的粒度为3-8mm。
6.根据权利要求2所述的奥贝球铁的制备方法，其特征在于：步骤b5中，三次孕育剂的粒度为0.2-0.8mm。
7.根据权利要求2所述的一种奥贝球铁的制备方法，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。
8.权利要求1所述的奥贝球铁的应用，其特征在于：用于矿山机械设备零部件的制造。
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