CN110408837A - 高强韧性球墨铸铁材料及其制备方法 - Google Patents

Abstract

一种高强韧性球墨铸铁，属于铸造用金属液熔炼领域，用于解决高强韧性球墨铸铁制备困难、生产成本高的问题，所述高强韧性球墨铸铁的化学成分按照重量百分比计，具体为3.5％‑3.9％的碳、2.1％‑2.7％的硅、0.3％‑0.7％的锰、0.06％‑0.12％的硫、≤0.05％的磷、0.4％‑0.9％的铜、0.4％‑0.8％的镍、0.035％‑0.06％的镁，余量为铁和少量不可避免的微量元素。所述高强韧性球墨铸铁材料具有强度高、韧性好、耐磨的特性，可以满足目前汽车零部件、矿山机械等使用频繁或者使用环境恶劣的机械；且本技术方案避免了铸态状态下的等温淬火这个复杂、昂贵的工序，通过球化、孕育实现了球墨铸铁材料的高强韧性，扩大了球墨铸铁的适用范围。

Description

高强韧性球墨铸铁材料及其制备方法

技术领域

本发明涉及铸造技术领域，特别涉及一种球墨铸铁及其制备方法。

背景技术

高强韧性球墨铸铁具有较高的强度和韧性，在矿山机械和风电机械制造业 中的应用日趋广泛。国内外研究使球墨铸铁达到高强度、高韧性的方法有很多， 主要方法是对合格的铸态球墨铸铁材料进行等温淬火，该方法制备的球墨铸铁 基体组织主要为奥氏体+贝氏体，此方法需要加入大量的镍、钼和钒等贵重金属， 制备成本很高，并且对设备要求较高，工艺控制非常困难。矿山和风电类零部 件对材料的性能要求随着科学技术的发展越来越高，较高的使用性能可提高设 备的使用性和安全性。

发明内容

有鉴于以上高强韧性球墨铸铁制备困难、生产成本高的问题，有必要提出 一种高强韧性球墨铸铁材料及其制备方法，所述高强韧性球墨铸铁的生产成本 低、工艺控制过程简单、利于操作等。

一种高强韧性球墨铸铁，所述高强韧性球墨铸铁的化学成分按照重量百分 比计，具体为3.5％-3.9％的碳、2.1％-2.7％的硅、0.3％-0.7％的锰、0.06％-0.12％ 的硫、≤0.05％的磷、0.4％-0.9％的铜、0.4％-0.8％的镍、0.035％-0.06％的镁，余 量为铁和少量不可避免的微量元素。

优选地，所述高强韧性球墨铸铁的基体组织以珠光体为主、含有小于或等 于10％的铁素体，且所述高强韧性球墨铸铁的石墨形态依据GB9441的判定为 球化一级。

优选地，所述高强韧性球墨铸铁的抗拉强度大于等于900MPa、伸长率大于 等于8％。

所述高强韧性球墨铸铁的制备方法为：

1)配料：45％～65％的球生铁、35％～55％的低锰废钢、0.4％～0.9％的增碳 剂、0.6％～1.0％的硅铁、0.4％～0.9％的电解铜、0.4％～0.8％的镍和0.5％～1.2％的 锰铁；

2)加料：将低锰废钢、增碳剂、硅铁和球生铁依次加入中频感应电炉；

3)熔炼：待所述废钢、增碳剂、球铁回炉料、硅铁和球生铁全部熔化后， 加入电解铜和镍；将所述中频感应电炉的温度升高到1410℃～1450℃，此时检测 所述中频感应电炉内金属液的化学成分；待金属液的化学成分达到规定范围时， 使所述中频感应电炉的温度快速升至1470℃～1500℃，并保持2min～5min；

4)出炉：使所述中频感应电炉的温度快速降至1420℃～1460℃，并迅速将 金属液倒入浇包，在将金属液倒入浇包的同时对所述金属液进行球化和孕育处 理；

5)浇注：清除浇包内金属液表面的渣、杂，并将浇包转运到浇注区域进行 铸件的浇注，且需要使金属液的温度在1370℃～1410℃，且对所述金属液进行瞬 时孕育。

优选地，所述高强韧性球墨铸铁的制备方法的所述步骤4)中所述的球化和 孕育处理采用冲入法，具体是：第一、在所述浇包底部设置球化反应室，在所 述球化反应室中加入0.1％～0.2％的重稀土球化剂与0.7％～1.0％的硅铁镁合金， 刮平捣实后再均匀覆盖0.2％～0.4％的75#硅铁粒和0.1％～0.3％的碳化硅，再次 刮平捣实；第二、在孕育斗里加入0.4％～0.6％的Ba-Si-Fe孕育剂，所述孕育斗 设置在金属液液流的上方；第三、金属液出炉时，使金属液的液流从所述浇包 远离所述球化室的另一侧导入所述浇包；第四、使所述孕育斗中的孕育剂随金 属液均匀的流入所述浇包，实现随流孕育。

更优地，所述随流孕育的时间占出炉金属液倾倒时间的70％以上，从而实现 最佳的孕育效果。

更优地，当所述浇包内的金属液的液量为全部出炉金属液的液量的80％后， 开始对所述金属液进行球化。为了实现定时的球化，在所述球化室上设有有球 化室盖板，所述盖板设有连杆，通过拉动所述连杆，可以实现球化室中球化剂 与金属液的接触，从而启动球化反应。

更优地，所述重稀土球化剂的硅铁美合金的粒径为10mm～30mm、75#硅铁 粒的粒径为3mm～10mm、所述Ba-Si-Fe孕育剂的粒径为3mm～6mm。

优选地，所述高强韧性球墨铸铁的制备方法的所述步骤5)中所述瞬时孕育 中所采用的孕育剂为Ba-Si-Fe孕育剂，所述Ba-Si-Fe孕育剂加入量为 0.1％～0.2％、粒径为0.1mm～1mm。

作为本技术方案的一种补充，在金属液浇注结束后，需要在铸型中保温到 750℃～850℃，待铸件冷凝固化后，将铸件从铸型中取出并进行风冷，使得铸件 的冷却速度为10℃/min～15℃/min。

说明：上文中出现的所有百分比均是基于一吨主料(主料：球生铁、低锰 废钢)而言，也即相对于一吨主料的百分比。

本发明技术方案的有益效果：所述高强韧性球墨铸铁材料具有强度高、韧 性好、耐磨的特性，可以满足目前汽车零部件、矿山机械等使用频繁或者使用 环境恶劣的机械；且本技术方案避免了铸态状态下的等温淬火这个复杂、昂贵 的工序，通过球化、孕育实现了球墨铸铁材料的高强韧性，扩大了球墨铸铁的 适用范围。

附图说明

无。

具体实施方式

为了更清楚地说明本发明的技术方案，将按照以下实施例对技术方案进行 详细说明，显而易见地，以下实施例为本技术方案的典型应用，对于本领域普 通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些实施例获得 其他实施方式。

现以铸造净重3.0吨的球墨铸铁件为例，采用本发明技术方案进行此铸件所 需的金属液的熔炼。

实施例一：

依据本发明技术方案熔炼所述球墨铸铁件所需的金属液，具体如下：

1)用电子秤称取金属液总重量45％的球生铁、55％的低锰废钢、0.4％的增 碳剂、0.6％的硅铁、0.4％的电解铜、0.4％的镍和0.5％的锰铁，就3吨金属液而 言，需要称量1.35吨的球生铁、1.65吨的低锰废钢、12kg的增碳剂、18kg的硅 铁、12kg的电解铜、12kg的镍和15kg的锰铁。

2)将中频感应电炉清理干净后，将称取的所述低锰废钢、增碳剂、硅铁和 球生铁以此加入殴中频感应电炉中，具体是先加入低锰废钢，待低锰废钢全部 熔化后加入增碳剂，待增碳剂全部熔化后再加入硅铁，待硅铁全部熔化后再加 入球生铁；待以上原料全部熔融后，加入所述电解铜和镍，并将所述中频感应 电炉的温度提升到1410℃～1450℃后，检测炉内金属液的化学成分，为：3.52％ 的碳、2.17％的硅、0.36％的锰、0.07％的硫、≤0.05％的磷、0.47％的铜、0.42％ 的镍、0.036％的镁，余量为铁和少量不可避免的微量元素。

3)检测到以上符合要求的金属液的化学成分后，将所述中频感应电炉的炉 温快速升高到1470℃～1500℃，并保温3min；后将所述中频感应电炉的炉温降 至1420℃～1460℃，并开始将所述金属液倾倒至浇包，在倾倒的过程中采用冲入 法对金属液进行球化、采用随流孕育对金属液进行孕育，具体为：第一、在所 述浇包底部设置球化反应室，在所述球化反应室中加入0.1％～0.2％的重稀土球 化剂与0.7％～1.0％的硅铁镁合金，刮平捣实后再均匀覆盖0.2％～0.4％的75#硅 铁粒和0.1％～0.3％的碳化硅，再次刮平捣实；第二、在孕育斗里加入0.4％～0.6％ 的Ba-Si-Fe孕育剂，所述孕育斗设置在金属液液流的上方；第三、金属液出炉 时，使金属液的液流从所述浇包远离所述球化室的另一侧导入所述浇包；第四、 使所述孕育斗中的孕育剂随金属液均匀的流入所述浇包，实现随流孕育。所述随流孕育采用的是粒度为3mm～6mm的Ba-Si-Fe孕育剂，所述球化采用的是粒 度为10mm～30mm的重稀土球化剂和硅铁美合金与粒度为3mm～10mm的75#硅 铁粒。并且需要控制随流孕育的时间为金属液出炉时间的70％以上，且球化开 始于浇包中的金属液量为全部金属液量的80％。

4)对经过球化和孕育的浇包内的金属液进行表面渣、杂的去除，并将浇包 内金属液的的温度控制在1370℃～1410℃间，进行铸件的浇注；在浇注的过程中 通过向倾倒的金属液液流中增加Ba-Si-Fe孕育剂进行瞬时孕育，完成对金属液 的第二次孕育；通过两次孕育，将金属液中镁的含量控制在0.035％～0.06％之间。 所述瞬时孕育采用的是粒度为0.1mm～1mm的Ba-Si-Fe孕育剂、用量为 0.1％～0.2％。

对以上获得的铸件的基体组织进行检测，其中珠光体占91％、铁素体占9％， 石墨的球化等级为1级，抗拉强度980MPa、伸长率8.6％。

实施例二：

依据本发明技术方案熔炼所述球墨铸铁件所需的金属液，具体如下：

1)用电子秤称取金属液总重量65％的球生铁、35％的低锰废钢、0.9％的增碳剂、1.0％的硅铁、0.9％的电解铜、0.8％的镍和1.2％的锰铁，就3吨金属液而言，需 要称量1.95吨的球生铁、1.05吨的低锰废钢、27kg的增碳剂、30kg的硅铁、27kg 的电解铜、24kg的镍和36kg的锰铁。

2)将中频感应电炉清理干净后，将称取的所述低锰废钢、增碳剂、硅铁和球生 铁以此加入殴中频感应电炉中，具体是先加入低锰废钢，待低锰废钢全部熔化 后加入增碳剂，待增碳剂全部熔化后再加入硅铁，待硅铁全部熔化后再加入球 生铁；待以上原料全部熔融后，加入所述电解铜和镍，并将所述中频感应电炉 的温度提升到1410℃～1450℃后，检测炉内金属液的化学成分，为：3.85％的碳、 2.66％的硅、0.53％的锰、0.11％的硫、≤0.05％的磷、0.78％的铜、0.69％的镍、 0.049％的镁，余量为铁和少量不可避免的微量元素。

3)检测到以上符合要求的金属液的化学成分后，将所述中频感应电炉的炉温快速升高到1470℃～1500℃，并保温3min；后将所述中频感应电炉的炉温降至 1420℃～1460℃，并开始将所述金属液倾倒至浇包，在倾倒的过程中采用冲入法 对金属液进行球化、采用随流孕育对金属液进行孕育，具体为：第一、在所述 浇包底部设置球化反应室，在所述球化反应室中加入0.1％～0.2％的重稀土球化 剂与0.7％～1.0％的硅铁镁合金，刮平捣实后再均匀覆盖0.2％～0.4％的75#硅铁 粒和0.1％～0.3％的碳化硅，再次刮平捣实；第二、在孕育斗里加入0.4％～0.6％ 的Ba-Si-Fe孕育剂，所述孕育斗设置在金属液液流的上方；第三、金属液出炉 时，使金属液的液流从所述浇包远离所述球化室的另一侧导入所述浇包；第四、 使所述孕育斗中的孕育剂随金属液均匀的流入所述浇包，实现随流孕育。所述随流孕育采用的是粒度为3mm～6mm的Ba-Si-Fe孕育剂，所述球化采用的是粒 度为10mm～30mm的重稀土球化剂和硅铁美合金与粒度为3mm～10mm的75#硅 铁粒。并且需要控制随流孕育的时间为金属液出炉时间的70％以上，且球化开 始于浇包中的金属液量为全部金属液量的80％。

4)对经过球化和孕育的浇包内的金属液进行表面渣、杂的去除，并将浇包内金 属液的的温度控制在1370℃～1410℃间，进行铸件的浇注；在浇注的过程中通过 向倾倒的金属液液流中增加Ba-Si-Fe孕育剂进行瞬时孕育，完成对金属液的第 二次孕育；通过两次孕育，将金属液中镁的含量控制在0.035％～0.06％之间。所 述瞬时孕育采用的是粒度为0.1mm～1mm的Ba-Si-Fe孕育剂、用量为0.1％～0.2％。

对以上获得的铸件的基体组织进行检测，其中珠光体占96％、铁素体占4％， 石墨的球化等级为1级，抗拉强度1120MPa、伸长率10.2％。

实施例三：

依据本发明技术方案熔炼所述球墨铸铁件所需的金属液，具体如下：

1)用电子秤称取金属液总重量55％的球生铁、45％的低锰废钢、0.8％的增碳剂、0.8％的硅铁、0.7％的电解铜、0.6％的镍和1.0％的锰铁，就3吨金属液而言，需 要称量1.65吨的球生铁、1.35吨的低锰废钢、24kg的增碳剂、24kg的硅铁、21kg 的电解铜、18kg的镍和30kg的锰铁。

2)将中频感应电炉清理干净后，将称取的所述低锰废钢、增碳剂、硅铁和球生 铁以此加入殴中频感应电炉中，具体是先加入低锰废钢，待低锰废钢全部熔化 后加入增碳剂，待增碳剂全部熔化后再加入硅铁，待硅铁全部熔化后再加入球 生铁；待以上原料全部熔融后，加入所述电解铜和镍，并将所述中频感应电炉 的温度提升到1410℃～1450℃后，检测炉内金属液的化学成分，为：3.85％的碳、 2.66％的硅、0.53％的锰、0.11％的硫、≤0.05％的磷、0.78％的铜、0.69％的镍、 0.049％的镁，余量为铁和少量不可避免的微量元素。

3)检测到以上符合要求的金属液的化学成分后，将所述中频感应电炉的炉温快速升高到1470℃～1500℃，并保温3min；后将所述中频感应电炉的炉温降至 1420℃～1460℃，并开始将所述金属液倾倒至浇包，在倾倒的过程中采用冲入法 对金属液进行球化、采用随流孕育对金属液进行孕育，具体为：第一、在所述 浇包底部设置球化反应室，在所述球化反应室中加入0.1％～0.2％的重稀土球化 剂与0.7％～1.0％的硅铁镁合金，刮平捣实后再均匀覆盖0.2％～0.4％的75#硅铁 粒和0.1％～0.3％的碳化硅，再次刮平捣实；第二、在孕育斗里加入0.4％～0.6％ 的Ba-Si-Fe孕育剂，所述孕育斗设置在金属液液流的上方；第三、金属液出炉 时，使金属液的液流从所述浇包远离所述球化室的另一侧导入所述浇包；第四、 使所述孕育斗中的孕育剂随金属液均匀的流入所述浇包，实现随流孕育。所述随流孕育采用的是粒度为3mm～6mm的Ba-Si-Fe孕育剂，所述球化采用的是粒 度为10mm～30mm的重稀土球化剂和硅铁美合金与粒度为3mm～10mm的75#硅 铁粒。并且需要控制随流孕育的时间为金属液出炉时间的70％以上，且球化开 始于浇包中的金属液量为全部金属液量的80％。

4)对经过球化和孕育的浇包内的金属液进行表面渣、杂的去除，并将浇包内金 属液的的温度控制在1370℃～1410℃间，进行铸件的浇注；在浇注的过程中通过 向倾倒的金属液液流中增加Ba-Si-Fe孕育剂进行瞬时孕育，完成对金属液的第 二次孕育；通过两次孕育，将金属液中镁的含量控制在0.035％～0.06％之间。所 述瞬时孕育采用的是粒度为0.1mm～1mm的Ba-Si-Fe孕育剂、用量为0.1％～0.2％。

对以上获得的铸件的基体组织进行检测，其中珠光体占93％、铁素体占7％， 石墨的球化等级为1级，抗拉强度1022MPa、伸长率9.6％。

以上实施例仅是对本发明技术方案的一种典型应用的描述，在合理的、不 需要付出创造性劳动的基础上，还可以进行合理的拓展。

Claims (10)

1.一种高强韧性球墨铸铁，其特征在于，所述高强韧性球墨铸铁的化学成分按照重量百分比计，具体为3.5％-3.9％的碳、2.1％-2.7％的硅、0.3％-0.7％的锰、0.06％-0.12％的硫、≤0.05％的磷、0.4％-0.9％的铜、0.4％-0.8％的镍、0.035％-0.06％的镁，余量为铁。

2.如权利要求1所述的高强韧性球墨铸铁，其特征在于，所述高强韧性球墨铸铁的基体组织以珠光体为主、含有小于或等于10％的铁素体，且石墨形态为球化一级。

3.如权利要求1所述的高强韧性球墨铸铁，其特征在于，所述高强韧性球墨铸铁的抗拉强度大于等于900MPa、伸长率大于等于8％。

4.如权利要求1-3任意一项所述的高强韧性球墨铸铁，其特征在于，所述高强韧性球墨铸铁的制备方法包括，

配料：45％～65％的球生铁、35％～55％的低锰废钢、0.4％～0.9％的增碳剂、0.6％～1.0％的硅铁、0.4％～0.9％的电解铜、0.4％～0.8％的镍和0.5％～1.2％的锰铁；

加料：将低锰废钢、增碳剂、硅铁和球生铁依次加入中频感应电炉；

熔炼：待所述废钢、增碳剂、球铁回炉料、硅铁和球生铁全部熔化后，加入电解铜和镍；将所述中频感应电炉的温度升高到1410℃～1450℃，此时检测所述中频感应电炉内金属液的化学成分；待金属液的化学成分达到规定范围时，使所述中频感应电炉的温度快速升至1470℃～1500℃，并保持2min～5min；

出炉：使所述中频感应电炉的温度快速降至1420℃～1460℃，并迅速将金属液倒入浇包，在将金属液倒入浇包的同时对所述金属液进行球化和孕育处理。

5.如权利要求4所述的高强韧性球墨铸铁，其特征在于，所述高强韧性球墨铸铁的制备方法还包括浇注，所述浇注步骤具体为清除浇包内金属液表面的渣、杂，并将浇包转运到浇注区域进行铸件的浇注，且需要使金属液的温度在1370℃～1410℃，且对所述金属液进行瞬时孕育。

6.如权利要求5所述的高强韧性球墨铸铁，其特征在于，所述出炉步骤中的所述的球化和孕育处理采用冲入法，具体是：第一、在所述浇包底部设置球化反应室，在所述球化反应室中加入0.1％～0.2％的重稀土球化剂与0.7％～1.0％的硅铁镁合金，刮平捣实后再均匀覆盖0.2％～0.4％的75#硅铁粒和0.1％～0.3％的碳化硅，再次刮平捣实；第二、在孕育斗里加入0.4％～0.6％的Ba-Si-Fe孕育剂，所述孕育斗设置在金属液液流的上方；第三、金属液出炉时，使金属液的液流从所述浇包远离所述球化室的另一侧导入所述浇包；第四、使所述孕育斗中的孕育剂随金属液均匀的流入所述浇包，实现随流孕育。

7.如权利要求6所述的高强韧性球墨铸铁，其特征在于，所述随流孕育的时间占出炉金属液倾倒时间的70％以上。

8.如权利要求7所述的高强韧性球墨铸铁，其特征在于，所述重稀土球化剂的硅铁美合金的粒径为10mm～30mm、75#硅铁粒的粒径为3mm～10mm、所述Ba-Si-Fe孕育剂的粒径为3mm～6mm。

9.如权利要求7所述的高强韧性球墨铸铁，其特征在于，所述瞬时孕育中所采用的孕育剂为Ba-Si-Fe孕育剂，所述Ba-Si-Fe孕育剂加入量为0.1％～0.2％、粒径为0.1mm～1mm。

10.如权利要求9所述的高强韧性球墨铸铁，其特征在于，浇注结束后，使所述金属液在铸型中保温到750℃～850℃；待铸件全部凝固硬化后，将铸件从铸型中取出，使铸件的冷却速度为10℃/min～15℃/min。