CN110343944A - 一种提高断裂韧性的球墨铸铁型材及工艺 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种提高断裂韧性的球墨铸铁型材，球墨铸铁型材中碳、硅、锰、硫、磷以及铋的质量百分比范围分别为：碳：3.45％‑3.55％；硅：2.55％‑2.65％；锰：0.15％‑0.25％；硫：0.009％‑0.011％；磷：0.030％‑0.034％；铋：0.009％‑0.0011％；其余为铁。该型材组织中的石墨球细小而且数量多，圆整度高，圆整而细小的石墨球具有松弛应力，延缓裂纹扩展的作用，达到了避免萌生裂纹的效果。还公开了一种提高断裂韧性的球墨铸铁型材的工艺，通过向铁液中添加金属铋，增加了石墨球数量，降低了孕育过程中的衰退速度，消除了快速冷却时产生的变态石墨，有益于提高石墨球的圆整度。同时提高了石墨球的大小分级，在保证球墨铸铁强度不变的条件下，明显提高了球墨铸铁的塑性，使球墨铸铁具有良好的断裂韧性。

Description

一种提高断裂韧性的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，具体涉及一种提高断裂韧性的球墨铸铁型材，本发明还涉及一种提高断裂韧性的球墨铸铁型材的工艺。

背景技术

水平连铸与砂型铸造相比，铸造出的材料具有冷却速度更快，晶粒更细小。石墨直径小，数量多以及圆整度更高的特点。而铸铁中的石墨球宛若一个个空洞，对材料的损害主要表现在割裂基体，产生应力集中和裂纹源。石墨的存在易使铸铁型材组织内部裂纹萌生，抗断裂韧性较差。

但是由于裂纹扩展前言的微裂纹在扩展过程中有疏散能量的作用，在材料中有较多的的微裂纹对材料的性能的影响要比一个大裂纹小，也就是说细小的石墨球具有松弛应力，延缓裂纹扩展的作用(见附图1)。因此，如果要提高铸铁型材的抗断裂韧性，就需要增加石墨球数量，缩小石墨球直径，细化石墨球的形态。

发明内容

针对上述的问题，本发明提供了一种提高断裂韧性的球墨铸铁型材，该型材球墨数量多，球墨细小，具有较强的断裂韧性，具体通过以下技术方案得以实现的：

一种提高断裂韧性的球墨铸铁型材，球墨铸铁型材中碳、硅、锰、硫、磷以及铋的质量百分比范围分别为：

碳：3.45％-3.55％；

硅：2.55％-2.65％；

锰：0.15％-0.25％；

硫：0.009％-0.011％；

磷：0.030％-0.034％；

铋：0.009％-0.0011％；

其余为铁。

与现有技术方案相比，本发明具有以下优点：该球墨铸铁型材组织中的石墨球细小而且数量多，圆整度高，圆整而细小的石墨球具有松弛应力，延缓裂纹扩展的作用，达到了避免萌生裂纹的效果。

进一步优选为：球墨铸铁型材中碳、硅、锰、硫、磷以及铋的质量百分比分别为：

碳：3.50％；

硅：2.60；

锰：0.22％；

硫：0.010％；

磷：0.032％；

铋：0.01％；

其余为铁。

采用上述技术方案，该球墨铸铁型材中石墨球数量多而细小，具有较强的断裂韧性和强度。

本发明还提供了一种提高断裂韧性的球墨铸铁型材的工艺，具体包括以下步骤：

(1)铁液的熔炼，按照质量分数比称取炉后配料生铁Q10、废钢以及废棒或铁屑，震动加入熔炼炉内；向熔炼炉内添加增碳剂、硅块以及锰铁，熔炼铁液至1500℃-1550℃之间，过热之后取样进行碳-硅分析；转入待出铁的保温炉，与之前的铁液混合，调整出炉温度，准备球化处理。

(2)铁液的球化处理，在球化包内添加球化剂，在球化剂上覆盖硅铁块，打平，覆盖铁屑。

(3)球化反应结束后，扒渣，测温，加入金属铋和孕育剂。

(4)启动拉拔，将铁液注入保温炉内停留3分钟，使得注入后的铁液注入保温炉内之后铁液包裹住牵引头，控制保温炉内的温度维持稳定；并结晶凝固进行快速冷却，以步长约45-50mm/步的方式启动拉拔。

(5)根据步长显示的颜色，确定拉拔与停留的时间间隔。

采用上述技术方案，通过向铁液中添加金属铋，增加了石墨球数量，降低了孕育过程中的衰退速度，消除了快速冷却时产生的变态石墨，有益于提高石墨球的圆整度。同时提高了石墨球的大小分级，在保证球墨铸铁强度不变的条件下，明显提高了球墨铸铁的塑性，使球墨铸铁具有良好的断裂韧性。

进一步优选为：炉后配料生铁Q10：废钢：废棒或铁屑为20:65:15。

采用上述技术方案，该炉后配料熔炼后形成的铁液含硫量比较少，由于含有硫元素的球墨容易使球墨铸铁产生脆性，出现熔渣缺陷，锻炼韧性较差，干扰了铁液的球化处理，因此该炉后配料降低了球化时的干扰因素。

进一步优选为：步骤(3)中添加的金属铋的质量百分比为0.01％。

采用上述技术方案，微量加入球墨铸铁中，可增加球墨铸铁单位面积上的球墨数量，同时降低了孕育的衰退速度，提高了石墨球的圆整度。

进一步优选为：增碳剂中含碳量为95％。

采用上述技术方案，不但降低孕育衰退的速度，而且该增碳剂石墨化很好，使用该增碳剂时可增加废钢用量，减少生铁用量，节省了生产成本。

进一步优选为：孕育剂中硅的质量百分比为70％。

采用上述技术方案，具有固溶强化的作用可以置换出更多的碳，从而使得强度提高，石墨球数更多，更圆整。

进一步优选为：球化剂的加入量为1.7％。

采用上述技术方案，实现调整铁液中硅的含量，促进石墨球的生成，提高了石墨球数量，进一步提高球墨铸铁的断裂韧性。

进一步优选为，时间间隔设为正常范围内的最低值。

采用上述技术方案，缩短了球墨铸铁型材拉拔出口之后型材内铁液液芯的停留时间，稳定了球墨铸铁型材基体组织。

附图说明

图1为球墨铸铁型材产生裂纹后的组织金相图；

图2为未添加纯金属铋的球墨铸铁型材断面组织金相图；

图3为添加纯金属铋后的球墨铸铁型材断面组织金相图。

具体实施方式

实施例1：一种提高断裂韧性的球墨铸铁型材，球墨铸铁型材中碳、硅、锰、硫、磷以及铋的质量百分比范围分别为：碳：3.45％-3.55％；硅：2.55％-2.65％；锰：0.15％-0.25％；硫：0.009％-0.011％；磷：0.030％-0.034％；铋：0.009％-0.0011％；其余为铁。该球墨铸铁型材组织中的石墨球细小而且数量多，圆整度高，圆整而细小的石墨球具有松弛应力，延缓裂纹扩展的作用，达到了避免萌生裂纹的效果。

基于上述组分及质量百分比范围，选取生产一种提高断裂韧性的球墨铸铁型材，其中碳、硅、锰、硫、磷以及铋的质量百分比分别为：碳：3.50％；硅：2.60；锰：0.22％；硫：0.010％；磷：0.032％；铋：0.01％；其余为铁。该球墨铸铁型材中石墨球数量多而细小，具有较强的断裂韧性和强度。

实施例2：选用生产一种提高断裂韧性的球墨铸铁型材(QT400材质的选择在河北恒工机械装备科技有限公司的三号线上生产，三股生产线同时生产，在球化处理过程中加入微量的金属铋，实现细化石墨形态，增加石墨球数量，缩小石墨直径，具体包括以下步骤：

(1)铁液的熔炼，采用一台6吨和一台10吨中频感应电炉熔炼铁液，铁液的重量在1.6-1.7吨/包，按照质量份数比生铁Q10：废钢：回炉棒/铁屑为20:65:15称取炉后配料，该炉后配料熔炼后形成的铁液含硫量比较少，由于含有硫元素的球墨容易使球墨铸铁产生脆性，出现熔渣缺陷，锻炼韧性较差，干扰了铁液的球化处理，因此该炉后配料降低了球化时的干扰因素。

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℃-1550℃之间，取样进行碳-硅热分析，转入待出铁的保温炉，与之前的铁液混合，调整至合适的出炉温度，随时准备球化处理。

(2)铁液的球化处理，在球化包底加入球化剂和纯金属铋，搅拌均匀。然后扒平、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。球化剂含硅量为42％，球化剂的加入量为1.7％，实现调整铁液中硅的含量，促进石墨球的生成，提高了石墨球数量，进一步提高球墨铸铁的断裂韧性。纯金属铋的质量百分比为0.01％。微量的金属铋加入球墨铸铁中，可增加球墨铸铁单位面积上的球墨数量，同时降低了孕育的衰退速度，提高了石墨球的圆整度。

(3)球化反应结束后，吊运至扒渣处进行彻底扒渣，测温，确保铁液温度在1375-1390℃之间，加入金属铋和孕育剂包住铁液表面，并迅速进行搅拌，注入保温炉内。孕育剂为钡硅复合孕育剂，粒度为3-8mm，其中硅的质量百分比为70％，具有固溶强化的作用可以置换出更多的碳，从而使得强度提高，石墨球数更多，更圆整。

(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45-50mm/步，需以拉-停-拉的方式稳步启动。此过程要平稳，如果注入速度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，确定拉拔与停留的时间间隔。为了确保组织的均匀性，时间间隔设为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，稳定了球墨铸铁型材基体组织。

(6)为了达到产量和质量的目标，补给炉内铁液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。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。

实施例3：

截取实施例2生产的QT400材质的球墨铸铁断面，在100倍的显微镜下观察断面金相组织，得出金相组织图3，与未添加纯金属铋的球墨铸铁断面组织金相图2形成对比，从图2和3对比得出：图2的石墨球数量较少，石墨球较大，石墨等级为5级，即石墨球直径约为6-12mm。而图3的石墨球数量明显增多，石墨球更细小，石墨等级为7级，即石墨球直径约为1.5-3mm，基体组织均匀细化，石墨等级得到了明显提高。因此添加了纯金属铋的球墨铸铁型材的基体组织具有更好的松弛应力的效果，缓了裂纹的扩展，进而使该球墨铸铁型材具有优越的抗断裂韧性。

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 (9)

1.一种提高断裂韧性的球墨铸铁型材，其特征在于：所述球墨铸铁型材，所述球墨铸铁型材中碳、硅、锰、硫、磷以及铋的质量百分比范围分别为：

碳：3.45％-3.55％；

硅：2.55％-2.65％；

锰：0.15％-0.25％；

硫：0.009％-0.011％；

磷：0.030％-0.034％；

铋：0.009％-0.0011％；

其余为铁。

2.根据权利要求1所述的提高断裂韧性的球墨铸铁型材，其特征在于：所述球墨铸铁型材中碳、硅、锰、硫、磷以及铋的质量百分比分别为：

碳：3.50％；

硅：2.60；

锰：0.22％；

硫：0.010％；

磷：0.032％；

铋：0.01％；

其余为铁。

3.一种提高断裂韧性的球墨铸铁型材的工艺，其特征在于：具体包括以下步骤：

(1)铁液的熔炼，按照质量分数比称取炉后配料生铁Q10、废钢以及废棒或铁屑，震动加入熔炼炉内；向熔炼炉内添加增碳剂、硅块以及锰铁，熔炼铁液至1500℃-1550℃之间，过热之后取样进行碳-硅分析；转入待出铁的保温炉，与之前的铁液混合，调整出炉温度，准备球化处理；

(2)铁液的球化处理，在球化包内添加球化剂，在球化剂上覆盖硅铁块，打平，覆盖铁屑；

(3)球化反应结束后，扒渣，测温，加入金属铋和孕育剂；

(4)启动拉拔，将铁液注入保温炉内停留3分钟，使得注入后的铁液注入保温炉内之后铁液包裹住牵引头，控制保温炉内的温度维持稳定；并结晶凝固进行快速冷却，以步长约45-50mm/步的方式启动拉拔；

(5)根据步长显示的颜色，确定拉拔与停留的时间间隔。

4.根据权利要求3所述的高耐压气密性和强度的球墨铸铁型材的工艺，其特征在于：所述炉后配料生铁Q10：废钢：废棒或铁屑为20:65:15。

5.根据权利要求3所述的提高断裂韧性的球墨铸铁型材的工艺，其特征在于：所述步骤(3)中添加的金属铋的质量百分比为0.01％。

6.根据权利要求3所述的提高断裂韧性的球墨铸铁型材的工艺，其特征在于：所述增碳剂中含碳量为95％。

7.根据权利要求3所述的提高断裂韧性的球墨铸铁型材的工艺，其特征在于：所述孕育剂中硅的质量百分比为70％。

8.根据权利要求3所述的提高断裂韧性的球墨铸铁型材的工艺，其特征在于：所述球化剂的加入量为1.7％。

9.根据权利要求3所述的提高断裂韧性的球墨铸铁型材的工艺，其特征在于：所述时间间隔设为正常范围内的最低值。